CN101105489B

CN101105489B - 土壤入渗性能实时自动测量系统

Info

Publication number: CN101105489B
Application number: CN2006100896984A
Authority: CN
Inventors: 雷廷武; 刘汗; 毛丽丽; 黄兴发; 张雅楠
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: CN101105489A

Abstract

本发明涉及一种土壤入渗性能测量系统。本发明土壤入渗性能实时自动测量系统包括降雨或供水装置、下垫面供土装置、数据获取装置、数据智能处理系统和显示器，其中，数据获取装置用于获取在测量过程中的径流推进覆盖面积图像或土壤湿润面积图像，并记录具体时刻，数据智能处理系统用于处理数据获取装置所获取的图像，输出土壤入渗率数值大小或曲线或图像到显示器。本发明具有操作简单、运输移动便利和造价较低等优点，大大节省人力物力，实时快速准确获得测量结果，不仅适用于室内测试，也适用野外及其他场合使用，而且不受地形限制，对于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究领域，具有广泛的推广和应用价值。

Description

土壤入渗性能实时自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种土壤入渗性能测量系统，特别是一种土壤入渗性能实时自动测量系统。

背景技术

目前，降雨和灌水入渗是补给农田水分的主要来源。入渗速度、总量和入渗后剖面上土壤含水率的分布，对拟定农田水分状况的调节措施有重要意义。

目前土壤水分入渗的测定方法通常采用的是双环入渗仪，测定时内外环同时分别盛水，以此来模拟降雨和灌水情况下的土壤水分入渗情况。测定时，将内、外环打入土中10～15cm，外环必须与内环保持同心。当采用马利奥特瓶作供水装置时，需调节瓶口进气管管口离地面的高度(一般可定为2～3cm)，作为试验中应维持的入渗水头。试验开始，瞬时向内、外环灌水(水层厚度等于进气管口离地面距离)，随即打开马利奥特瓶放水管，以补充内环入渗消耗的水量，同时开始记时，定时读马利奥特瓶水量，时间间隔初期较短，以后逐渐加大。测定中应随时向外环注水，并保证内、外环水位齐平。试验至马利奥特瓶单位时间供水量稳定不变为止，计算稳定时单位面积的土壤入渗强度即为饱和水力传导度。垂直渗透水流向边缘时，双环入渗仪的外环就可以起到隔离的作用。由于内环中的水是垂直流动的，因而测量仅限于在内环中进行。外环的作用是防止边界效应。此方法操作简单，仪器价格便宜，是目前广为研究人员接受的方法。但采用双环入渗仪，虽然能测定土壤水分入渗，但要求地表基本水平，在测定坡地土壤入渗率时，需将被测地面整理成基本水平后方可测定。因此，采用双环入渗仪不能测定坡地土壤入渗率，如平整地表进行测量，将不能保证土壤的原状性能，坡面的连续性也遭到破坏，适应范围受到限制；而且由于环内盛水，水头的不稳定性造成入渗率的变化较大，不能很好的模拟实际降雨和灌水的效果；另外，内外环产生的边界效应的影响很难避免。因此，双环入渗仪测定土壤水分的入渗率存在较大的缺陷。

人工模拟降雨法近年来也用于测量土壤水分入渗，测定时首先按照试验设计，确定试验区域面积大小，安装架设人工模拟降雨器，保持试验区域的降雨均匀稳定，在整个试验区域内设置一个径流收集口，便于径流量的收集测量。试验开始，降雨覆盖整个试验区域，全部降雨迅速入渗到土体，此时所测量的土壤入渗率等于降雨强度的数值大小，当土壤的实际入渗率(入渗性能)随着降雨时间的延长逐渐降低至降雨强度大小时，地表开始产生径流，同时开始计时，测量出一定时段内径流收集量，降雨强度恒定，一定时段内降雨量已知，即可计算出土壤入渗率。此方法体现了降雨雨滴打击，土壤侵蚀等因素对土壤入渗的影响，不受地形限制，操作简单，目前也逐渐被广大研究人员应用。

人工模拟降雨法通常采用喷灌设施或滴头式进行人工模拟降雨测量入渗产流的装置。这些类似的装置受降雨强度的限制，不能测量得到早期很高的土壤初始入渗率，测量的土壤入渗率等于降雨强度的大小，在土壤入渗性能降低至降雨强度之前时间内，土壤入渗一直处于供水限制条件下的行为，土壤的入渗性能受限于降雨强度的大小，土壤的实际入渗率(入渗性能)被掩盖，所以传统的人工降雨法未能测量土壤入渗性能变化的全过程。尽管文献：Lei Tingwu，Liu Han，Pan Yinghua，ZhaoJun，ZhaoShiwei，Yang Yonghui Run off-on-out method and models for soil infiltrability on hill-slope under rainfall conditions.Science in China Series D，2006，49(2)：193-201提出了测量土壤入渗性能的新方法与模型，通过下垫面设置产流面与入渗面，由产流面水流补充计算径流覆盖面积推算出入渗性能的变化过程，通过数码相机或摄像头拍摄径流推进过程图像进行人工处理。另外文献：毛丽丽.土壤入渗性能的线源入流测量方法研究[D].[毕业论文]中国农业大学，2005中涉及的土壤入渗性能的线源入流测量装置和测量方法，在试验过程中，用数码相机拍摄土壤湿润面积变化过程图像，将存取图片依次输入电脑，人工利用AUTOCAD网格法勾勒边界，参照照片中的直尺进行面积计算，由于图像存在几何扭曲变形，人为初略计算存在一定的误差，所以处理结果不准确；而且耗费了大量的人力和时间，以一次完整测量为例，大约持续90分钟，按每分钟拍摄一张照片总共为90张照片，利用Auto CAD人工处理一张图像需要1个小时左右，也就是说一次测量所获取的数据需要连续几天才能够处理出计算结果。在降雨且产流的情况下还需要人工进行径流收集水量，计算出流水量随时间的变化关系，处理效率低，无法对土壤入渗性能变化过程进行实时自动观测。

尽管目前室内或野外测量土壤入渗的方法较多，土壤入渗对于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究和实践也非常重要，但是目前还没有一种方法可以实时智能自动测量土壤入渗性能，成为一个亟待解决的问题。

为此，我们设计了旨在测定降雨未产流、降雨产流及无降雨情况下，不受地形限制条件的土壤入渗性能自动测定系统，自动实时生成土壤入渗率随时间变化曲线，可以适用于降雨未产流、降雨产流和无降雨多种情况下测量土壤入渗性能。通过此系统装置，能够快捷准确获得到壤入渗性能的变化过程，更好的了解模拟并掌握降雨入渗的水分运移机理。通过国内外文献检索，该技术及相关内容未见报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种处理效率高的土壤入渗性能实时自动测量系统。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本明土壤入渗性能实时自动测量系统，包括降雨或供水装置、下垫面供土装置、数据获取装置、数据智能处理系统和显示器，其中，数据获取装置用于获取在测量过程中的径流推进覆盖面积图像或土壤湿润面积图像，并记录具体时刻，数据智能处理系统用于处理数据获取装置所获取的图像，输出土壤入渗率数值大小或曲线或图像到显示器。

其中所述数据获取装置是数码相机、摄像头或摄像机。

其中还包括放置在下垫面供土装置四周的标准刻度尺。

其中所述数据智能处理系统包括图像预处理模块，图像分割模块，图像几何失真校正模块和图像面积计算模块，其中图像预处理模块将获取的图像转换成256色灰度图，图像分割模块采用图像分割基本方法阈值法，区分预处理灰度图中径流覆盖地表区域或地表湿润区域，图像面积计算模块通过统计几何变换校正图像中象素点数量，乘以每个象素点代表的面积。

其中所述还包括图像几何失真校正模块，该模块将已分割图像参照标准刻度尺坐标，对所有象素点进行非线性几何变换校正。

(三)有益效果

本发明的土壤入渗性能实时自动测量系统的优点和积极效果在于：本发明中，由于数据获取装置用于获取在测量过程中的径流推进覆盖面积图像或土壤湿润面积图像，并记录具体时刻，数据智能处理系统用于处理数据获取装置所获取的图像，输出土壤入渗率数值大小或曲线或图像到显示器，所以本发明能够实现土壤入渗性能实时、自动测量降雨侵蚀下土壤入渗性能的变化全过程，大大提高了处理效率，减少测量过程中人为因素干扰，提高了测量的准确性。

附图说明

图1是本发明土壤入渗性能实时自动测量系统的结构框图；

图2是本发明中的数据智能处理系统的结构框图；

图3是采用传统的Auto CAD软件的网格法处理系统和本发明的软件处理土壤入渗率随时间变化的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明土壤入渗性能实时自动测量系统的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。

参见图1。本发明的土壤入渗性能自动实时测量系统，包括降雨或供水装置、下垫面供土装置、数据获取装置、数据智能处理系统和显示器。其中，数据智能处理系统用于处理数据获取装置所获取的图像，输出土壤入渗率数值大小或曲线或图像到显示器。

降雨或供水系统，降雨未产流及产流工况下可以采用人工模拟降雨装置，无降雨工况下可以通过供水容器提供稳定均匀流；

下垫面供土装置，进行室内测量时可采用现有结构的小型土槽，并安装现有结构的升降调节装置，以适用不同坡度要求；进行野外测量时，则通过隔板划定下垫面测量区域，然后根据不同工况测量需要安装现有结构的径流收集装置；

数据获取装置为数码相机，摄像头或摄像机，其用于获取在测量过程中的径流推进覆盖面积图像或土壤湿润面积图像，并记录具体时刻，也可根据摄像头连续观测获取图像。

参见图2。本发明中的数据智能处理系统包括图像预处理模块，图像分割模块，图像几何失真校正模块和图像面积计算模块。图像预处理模块将获取的图像转换成256色灰度图，图像分割模块通过阈值法，区分预处理灰度图中径流覆盖地表区域或地表湿润区域。图像几何失真校正模块将已分割图像参照标准刻度尺坐标，对所有象素点进行几何变换校正。图像面积计算模块通过统计几何变换校正图像中象素点数量，乘以每个象素点代表的面积大小。通过以上步骤，将获取图像经过分割处理，几何变换后，通过参照坐标，自动计算出图像中径流推进覆盖面积或土壤湿润面积大小，对应于其拍摄图像具体时刻，代入已建数学模型便可计算得出土壤入渗率数值大小，可以用图像或表格方式反映数值变化过程，并在显示器上显示。

上述各模块均可采用现有的模块，图像预处理模块参照“何斌，马天予，王运坚等。Visual C++数字图像处理[M].北京：人民邮电出版社，2001”。图像分割模块参照“杨恬，李德芳。灰度图象的二维otsu自动阈值分割研究[J].西南师范大学学报(自然科学版).1998，23(6)：658-662”。图像几何校正模块参照“王耀南，李树涛，毛建旭.计算及图像处理与识别技术[M].北京：高等教育出版社，2001”。

本发明土壤入渗性能的实时自动测量系统使用方法比较简单，如可以采用如下方法：

测量开始前，设置所需降雨强度或供水流量，安置好数码相机、摄像头或摄像机位置，对测试土壤或地表区域进行划定，在供土装置或土槽四周放置标准刻度尺作为参考坐标，测试开始后，开始降雨或供流，同时计算机处理软件系统自动开始记录时间，并在预置一定时间间隔内控制摄像头或数码相机工作状态，数据智能处理系统对采集获取图像进行处理计算，可以通过显示器的显示屏直接实时观测土壤入渗性能变化过程。

具体测量方法是：

材料与方法：

供试土壤为砂壤土，土样均采自地表1.2-2.0m土层，采用铁板制土槽装土，土槽容积为1×0.6×0.25m³，土槽坡度为5°。采用马氏瓶供水，通过马氏瓶与土槽间高度差来调节流量，马氏瓶内径18cm，高45cm。利用升降台将马氏瓶出水口与其出水管口的高度差控制在30cm，使供水流量保持4L/h。整个土槽装土深度20cm，将进水器固定在土槽一侧。将摄像装置与计算机连接，在摄像头拍摄角度与土槽上下两端基本保持水平下，可在一定范围内任意调整摄像头位置。

采用Auto CAD软件的网格法计算湿润面积，Excel绘制入渗曲线已取得了相当高的精度。因此用上述方法及用本处理软件系统分别对同一组实验进行处理，并比较分析实验结果，见表1和图3，可看出2种方法分别计算得到的结果。

表1两种方法的实验结果比较

由于无法得到湿润面积的真实准确值作为参照，可以用间接方法求得系统的相对误差。利用水量平衡原理，根据坡面上各点计算得到的入渗率随时间的变化过程，用数值积分方法得到坡面上各点累积入渗量。再在坡面上对各点累积入渗量进行积分，得到坡面上总入渗量计算值。将该计算得到的入渗水量与相应时段实际累积供水量比较，计算得到了累积入渗水量与累积供水量间的误差。具体公式为：

总入渗量：

Q_{1} = {&Integral;}_{0}^{T} {&Integral;}_{0}^{A} i (t, A) dAdt - - - (1)

总供水量：Q₂＝qt

(2)

实验误差：

δ = | \frac{Q_{0} - Q}{Q_{0}} | \times 100 % - - - (3)

经计算，本处理系统的相对误差为7.69％，而运用CAD软件处理的方法的相对误差为13.67％。精度提高了43.75％。

如图3所示，本发明的系统与传统方法测量计算结果均反映出土壤入渗性能的变化规律，随着时间进行从较大数值的初始入渗率逐渐降低至稳定入渗率。从图中数据点趋势来看，传统测量方法数据点之间连续光滑度相比本发明系统测量结果显得较为粗糙，存在一些偏移转折，可能的原因是传统测量方法采用人工观测及计算，存在一定的人为主观误差，造成计算结果数据点连续性较差，而本发明系统在测量过程中均实现自动智能计算结果，能够较好的连续准确描述土壤入渗性能变化过程。

本发明的土壤入渗性能自动实时测量系统可以在无降雨，降雨未产流和降雨产流三种工况下对土壤入渗性能进行测量，该系统获取数据可通过数码相机，摄像头或摄像机等其他图像识别工具，图像数据取得后传输至处理系统，经过几何校正后自动计算图像中湿润面积大小，还可通过显示屏实时显示计算处理结果，随着测量的进行实时智能显示土壤入渗性能曲线。在降雨产流情况下，集合水量自动量取装置可以迅速准确的计算出出流水量随时间的变化关系。大大减轻了人力物力。本发明的系统具有操作简单、运输移动便利和造价较低等优点，大大节省人力物力，可以方便应用于室内及野外测量土壤入渗性能，适用于降雨未产流、降雨产流和无降雨等不同工况下，而且不受地形限制，适用于水平地面及坡地测量土壤入渗性能，具有较为广阔的应用前景。

本发明具有可观的经济效益和良好的社会效益：应用本发明土壤入渗性能自动测量系统可以代替补充部分传统测量土壤入渗率的系统，实现了测量结果的实效性，将提高了准确性，大大提高了工作效率，减少测量过程中人为因素干扰。本发明土壤入渗性能自动测量系统可以有效准确测量降雨侵蚀下土壤入渗性能的变化全过程。此外，该土壤入渗性能自动实时测量系统为水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究提供技术支持。

本发明土壤入渗性能自动化实时测量系统若能够生产，将为科研技术人员、教学人员在科研及教育方面带来较大的便利性与可靠性，测量过程中直观反映土壤入渗性能变化过程曲线。而且该发明系统造价较低，相应技术成熟，操作简便，具有较高推广价值。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种土壤入渗性能实时自动测量系统，其特征在于包括下垫面供土装置、降雨装置或供水装置、数据获取装置、数据智能处理系统和显示器，其中，数据获取装置用于获取在测量过程中的径流推进覆盖面积图像或土壤湿润面积图像，并记录具体时刻，数据智能处理系统用于处理数据获取装置所获取的图像，输出土壤入渗率数值大小或曲线或图像到显示器，所述数据智能处理系统包括图像预处理模块，图像分割模块，图像几何失真校正模块和图像面积计算模块，其中图像预处理模块将获取的图像转换成256色灰度图，图像分割模块采用图像分割基本方法阈值法，区分预处理灰度图中径流覆盖地表区域或地表湿润区域，图像面积计算模块通过统计几何变换校正图像中象素点数量，乘以每个象素点代表的面积，所述图像几何失真校正模块，将已分割图像参照标准刻度尺坐标，对所有象素点进行非线性几何变换校正。

2.根据权利要求1所述的土壤入渗性能实时自动测量系统，其特征在于所述数据获取装置是数码相机、摄像头或摄像机。

3.根据权利要求2所述的土壤入渗性能实时自动测量系统，其特征在于还包括放置在下垫面供土装置四周的标准刻度尺。