CN213517619U - 一种雪深探测仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种雪深探测仪器，包括三维激光雷达、供电系统、数据采集器、无线通讯模块和支架，所述三维激光雷达与所述供电系统和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述无线通讯模块相连；所述三维激光雷达设置在所述支架的顶端。优点是：由于雪厚是不均匀的，传统的方式个测量一平米左右；而采用三维扫描式激光雷达，获取现场雪表面的点云数据，能够有效的扩展测量区域，为计算雪深数据支撑；采用数据采集器在现场控制三维激光雷达，实时获取点云数据，通过点云数据计算获取雪深数据，提高了检测精度和检测效率。通过延长扫描时间和采用3B级强激光头的方式，解决激光在冰雪表面反射率地的问题，保证获取有效的点云数据。

Description

一种雪深探测仪器

技术领域

本实用新型涉及雪深探测技术领域，尤其涉及一种雪深探测仪器。

背景技术

积雪深度是地面气象观测业务的基本要素之一，对于气象服务具有重要的意义。传统雪深测量以人工观测为主，通过人工读取测雪尺刻度的方法获取雪深数据，虽然应用简易方便，但具有时空密度小，数据连续性差的弊端。因此，随着最近以来自动气象监测的发展。一些自动化监测雪深的仪器不算涌现。但是也有一些局限性,迫切需要一种高精度高覆盖面的雪深观测仪器。

现有的雪深探测方式主要分为人工观测方法和自动观测方法。通过人工读取测雪尺刻度的方法获取雪深数据，自动观测的仪器有超声波方法，红外测距，激光测距，视频图片处理等，下面分别介绍以下几种仪器。

1、超声波测量距离传感器，如图1所示；通过传感器向雪面发送超声波，根据超声波在空气中的传播速度和收到回波的时间来计算距离，从而获得到雪深数据。超声波在空气中的传输因为温度的变化而不同，所以需要进行温度校正。这个测量的精度不如激光测量，这个仪器的测量区域是一个圆，圆的直径是高度的0.268倍，具有一定的代表性，但是还不够大，探测范围小。

2、激光测距离，这个设备精度比超声波精度高，但是测量的是一个点，由于雪面凸凹不平，所以测量的面积代表性有欠缺。

3、激光多点测量雪深的仪器，如图2所示，通过旋转激光发射器，可以发出36或者以上的数量个点的激光来进行测距，然后进行统计；但是这种激光多点测量雪深的仪器价格非常昂贵；这个很好的解决了第2点介绍的激光测距仪的不足，但是代表性还是没有质的突破。

4、通过图像视觉方法计算来获取雪深。但是，通过图像计算获取雪深，也存在算法复杂，对采集器要求高，存储图片和传输图片繁琐等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种雪深探测仪器，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种雪深探测仪器，包括三维激光雷达、供电系统、数据采集器、无线通讯模块和支架，所述三维激光雷达与所述供电系统和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述无线通讯模块相连；所述三维激光雷达设置在所述支架的顶端。

优选的，所述探测仪器包括旋转云台，所述旋转云台底端与所述支架的顶端相连，所述旋转云台的顶端与所述三维激光雷达相连，所述三维激光雷达可在所述旋转云台的带动下绕所述支架的顶端旋转。

优选的，所述三维激光雷达为机械式激光雷达或线扫描激光雷达。

优选的，所述无线通讯模块为4G无线通讯模块和/或5G无线通讯模块和/或卫星通讯模块。

优选的，所述供电装置为太阳能供电系统和/或风能供电系统和/或交流电供电系统；

所述太阳能供电系统包括太阳能控制器、太阳能采集板组件和电控角度调整支架，所述太阳能采集板组件设置在所述电控角度调整支架上，所述电控角度调整支架通过角度调整实现所述太阳能采集板组件的太阳跟随和翻转除雪。

优选的，所述数据采集器包括时钟单元、存储单元和通讯单元，所述时钟单元能够设置定时时间，所述存储单元能够存储所述数据采集器接收的数据，所述通讯单元用于连接无线通讯模块。

优选的，所述数据采集器中还设置有用于存储所述数据采集器接收的数据的SD卡。

本实用新型的有益效果是：1、采用三维扫描式激光雷达，获取现场雪表面的点云数据，为计算雪深数据支撑；采用数据采集器在现场控制三维激光雷达，实时获取点云数据，通过点云数据计算获取雪深数据，提高了检测精度和检测效率。2、通过延长扫描时间和采用强激光头的方式，解决激光在冰雪表面反射率地的问题，保证获取有效的点云数据。3、采用旋转云台，可以使三维激光雷达的探测范围更广。4、相对于现有技术有着质量的改变，区域的扩大有很重要意义，因为地形原因，风吹雪原因，辐射日照升华，使得各个地域的雪厚差别很大，实现这样面积雪深测量，可以更准确的预估积雪量，雪水当量，雪密度，为洪水预警，水能源预测，流域管理等提供重要数据；采用300米距离的激光雷达，可以实现2-3平方公里面积的扫描；采用2000米距离的激光雷达，可以实现几十平方公里面积的雪深监测。

附图说明

图1是现有技术中超声波测量距离传感器的探测示意图；

图2是现有技术中激光多点测量雪深的仪器探测的示意图；

图3是本实用新型实施例中雪深探测仪器的结构示意图；

图4是现有技术中的雪深探测仪器的探测范围示意图；

图5是本实用新型实施例中雪深探测仪器的探测范围示意图；

图6是本实用新型实施例中探测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图3所示，本实施例中，提供了一种雪深探测仪器，包括三维激光雷达、供电系统、数据采集器、无线通讯模块和支架，所述三维激光雷达与所述供电系统和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述无线通讯模块相连；所述三维激光雷达设置在所述支架的顶端。

本实施例中，所述探测仪器包括旋转云台，所述旋转云台底端与所述支架的顶端相连，所述旋转云台的顶端与所述三维激光雷达相连，所述三维激光雷达可在所述旋转云台的带动下绕所述支架的顶端旋转。

本实施例中，所述三维激光雷达为机械式激光雷达或线扫描激光雷达。

本实施例中，所述无线通讯模块为4G无线通讯模块和/或5G无线通讯模块和/或卫星通讯模块。

本实施例中，所述供电装置为太阳能供电系统和/或风能供电系统和/或交流电供电系统；供电系统分别给数据采集器、无线通讯模块和三维激光雷达供电，并且通过一个控制开关对三维激光雷达进行断续供电以节约电能。

本实施例中，所述数据采集器包括时钟单元、存储单元和通讯单元，所述时钟单元能够设置定时时间，所述存储单元能够存储所述数据采集器接收的数据，所述通讯单元用于连接无线通讯模块。

本实施例中，所述数据采集器中还设置有用于存储所述数据采集器接收的数据的SD卡。

本实施例中，雪深探测仪器在使用的时候，先将三维激光雷达安装在支架上，使用电缆将三维激光雷达和数据采集器与供电系统连接，并使用通讯线将数据采集器与三维激光雷达和无线通讯模块连接。

无线通讯模块的设置可用于连接远程的基站、电脑或者是手持终端，用于工作人员远程获取雪深探测仪器获取的雪深数据。

本实施例中，雪深探测仪器安装的野外观测场，当通电时候，雪深探测仪器按照设定的间隔对待测积雪进行点云扫描，时间间隔通常为15分钟到1小时。三维激光雷达的水平的扫描角度可以为80度左右，垂直扫描角度可以为25度左右，探测距离一般为100米到6000米不等，根据激光头的功率和激光头级别，可以采用905近红外波段，也可以采用绿光波段进行扫描。具体的，三维激光雷达的探测范围和探测距离可以根据实际情况进行设置，以便更好的满足实际需求。其中，三维激光雷达的水平扫描角度和垂直扫描角度并非定值，可以根据实际情况进行设置，以便更好的满足实际需求。

本实施例中，所述支架可以为高度可调支架，并设置有用于根据指令调节所述支架的高度的电控调节机构。通过对支架高度的调节可实现探测范围的调节，以及避免被雪覆盖的风险，可以根据雪深情况等实际情况进行应急性实时调节，以防被雪覆盖。本实施例中可以采用可实现支架高度电控调节的任何结构。

所述太阳能供电系统包括太阳能控制器、太阳能采集板组件和电控角度调整支架，所述太阳能采集板组件设置在所述电控角度调整支架上，所述电控角度调整支架通过角度调整实现所述太阳能采集板组件的太阳跟随和翻转除雪。在白天有阳光时所述电控角度调整支架自动调整角度以实现太阳跟随，以确保太阳能采集面板正对太阳。雪天时，当探测到雪深超过预设阈值时，则所述电控角度调整支架带动所述太阳能采集板组件翻转一定角度(例如使面板竖起)以使面板上的积雪滑落，当降雪持续时则可保持该防积雪角度，待降雪结束并检测到有效光线(可驱动太阳能面板发电的光线强度)时，所述电控角度调整支架带动所述太阳能采集板组件恢复原位置角度并继续太阳跟随。本实施例中可以采用可实现太阳跟随功能和翻转除雪功能的任何结构。

本实施例中，结合附图4和图5，具体说明本实用新型提供的雪深探测仪器的改进。

超声是雪深的精度是±1cm，测量的区域在最大情况是2-5平方米左右；

红外激光测距仪的精度和本次实用新型的激光雷达一样，但是测量的区域太小，在1平方厘米左右；

多点红外测距仪的精度相同，测量的区域有很大的改进，可以在1平米左右；

对比图4和图5，可知本实用新型的测量区域相对于上述现有的仪器有着质的改变，本实用新型的探测区域比现有仪器的探测区域更大；区域的扩大有很重要意义，因为地形原因，风吹雪原因，辐射日照升华，使得各个地域的雪厚差别很大，实现这样面积雪深测量，可以更准确的预估积雪量，雪水当量，雪密度，为洪水预警，水能源预测，流域管理等提供重要数据。

本实用新型提供的雪深探测仪器，采用300米距离的激光雷达，可以实现2-3平方公里面积的扫描；采用2000米距离的激光雷达，可以实现几十平方公里面积的雪深监测。图5只是为了和图4作对比，表明本实用新型的探测范围更广，实际情况下，本实用新型的探测范围比图5中表示的要更大更广。

如图6所示，本实施例中，雪深探测仪器中内置有完整的雪深探测方法，雪深探测仪器使用雪深探测方法进行雪深探测；所述探测方法包括如下步骤

S1、数据采集器根据其内部定时时间，向所述三维激光雷达发出测量命令；

S2、所述三维激光雷达接收测量命令进行握手，握手成功后开始扫描待测积雪；

S3、三维激光雷达将其扫描获取的待测积雪的现场点云数据，传输给数据采集器；

S4、数据采集器将其接收的待测积雪的现场点云数据进行存储和解析计算，获取雪深数据。

本实施例中，所述雪深数据的计算方式为，

获取第一时间段内待测积雪的现场点云数据，根据第一时间段内待测积雪的现场点云数据计算获取待测积雪的第一DEM数据；

获取第二时间段内待测积雪的现场点云数据，根据第二时间段内待测积雪的现场点云数据计算获取待测积雪的第一DEM数据；

根据计算第一DEM数据和第二DEM数据的差值，使用差值除以待测积雪的面积，获取待测积雪的雪深。

本实施例中，当待测积雪为冰雪时，可以延长扫描时间或采用3B级强激光头的三维激光雷达，获取有效的待测积雪的现场点云数据。

本实施例中，数据采集器通过通讯电缆连接到三维激光雷达。数据采集器根据定时时间，向三维激光雷达发出测量命令，三维激光雷达做出相应握手，握手成功后，三维激光雷达开始进行扫描，把获取的现场点云数据传输给数据采集器，数据采集器把数据存储在内存或SD卡上，并进行解析计算，获取点云数据和雪深数据。雪深数据的获取过程为，2个时间段点云数据计算出来的DEM，根据DEM差别就可以得到了增加或者减少的雪量，然后这个数据除以面积，就得到了最准确的雪深数据。点云数据可以计算出地表高程数据(DHM)，通过2次的DHM的差值就可以算出雪深的数据。

本实施例中，点云数据就是通过一个三维直角坐标系，用3个坐标数字代表一个点，一般三维激光雷达每次扫描都会获得几十万个点，大量的数据采用文本格式或者压缩格式存储在数据采集器上。

本实施例中，激光发射后必然会被目标物反射和吸收，在土壤水泥沙子反射率比较高，在冰雪的反射率较低，在水的反射率更低。因此当待测积雪为冰雪的时候，通过长时间的采样或采用强激光头进行目标物的扫描来解决冰雪反射率低的问题，以确保获取有效的点云数据。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本实用新型提供了一种雪深探测仪器，采用三维扫描式激光雷达，获取现场雪表面的点云数据，为计算雪深数据支撑；采用数据采集器在现场控制三维激光雷达，实时获取点云数据，通过点云数据计算获取雪深数据，提高了检测精度和检测效率。通过延长扫描时间和采用强激光头的方式，解决激光在冰雪表面反射率地的问题，保证获取有效的点云数据。采用旋转云台，可以使三维激光雷达的探测范围更广。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种雪深探测仪器，其特征在于：包括三维激光雷达、供电系统、数据采集器、无线通讯模块和支架，所述三维激光雷达与所述供电系统和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述无线通讯模块相连；所述三维激光雷达设置在所述支架的顶端。

2.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述探测仪器包括旋转云台，所述旋转云台底端与所述支架的顶端相连，所述旋转云台的顶端与所述三维激光雷达相连，所述三维激光雷达可在所述旋转云台的带动下绕所述支架的顶端旋转。

3.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述三维激光雷达为机械式激光雷达或线扫描激光雷达。

4.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述无线通讯模块为4G无线通讯模块和/或5G无线通讯模块和/或卫星通讯模块。

5.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述供电系统为太阳能供电系统和/或风能供电系统和/或交流电供电系统；

所述太阳能供电系统包括太阳能控制器、太阳能采集板组件和电控角度调整支架，所述太阳能采集板组件设置在所述电控角度调整支架上，所述电控角度调整支架通过角度调整实现所述太阳能采集板组件的太阳跟随和翻转除雪。

6.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述数据采集器包括时钟单元、存储单元和通讯单元，所述时钟单元能够设置定时时间，所述存储单元能够存储所述数据采集器接收的数据，所述通讯单元用于连接无线通讯模块。

7.根据权利要求1所述的雪深探测仪器，其特征在于：所述数据采集器中还设置有用于存储所述数据采集器接收的数据的SD卡。

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