CN101344474A - 一种测量土壤孔隙率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据土壤表面粗糙度测量土壤表层孔隙率的方法。所述方法包括以下步骤：在土壤表面选择采样点，在土壤上方选择水平面，测量采样点到水平面的距离，计算土壤表面粗糙度量化指数，计算得到土壤表面孔隙率。该方法与现有技术相比，具有快速、无损、高精度的优点。

Description

一种测量土壤孔隙率的方法

技术领域

本发明涉及农业工程领域，更具体的，涉及一种测量土壤孔隙率的方法。

背景技术

土壤孔隙是指土壤中除固体所占容积以外的空间，即土壤水分气体分子所占空间。单位容积土壤内孔隙容积所占的百分数称为土壤孔隙率，其数值与土壤类型、质地、有机质含量有关，对土壤保水保肥、植物根系伸展、微生物活动、养分物质的转化等都有很大影响，是土壤的主要物理特征之一，它既是刻划土壤类多孔介质基本属性的主要物理参数，又是耕作土壤质量评价、农作物生长环境与水资源高效利用的重要影响因素。

传统测定土壤孔隙率的手段有三种，即气压比重计法、吸水法、容重换算法。

(1)气压比重计法是最经典、测量精度最高的一种方法，其测量原理来自物理学中著名的Boyle-Mariotteshen定理。土壤表层样本经标准环刀(直径57mm，高40mm)采样后置于烘箱中(105℃，24h)，烘干土样连同环刀直接送入气压比重计的气囊中进行抽气处理。将抽出气体与大气压强之差在玻璃管连通器中直接显示为汞高形式，即可换算成孔隙率。

(2)吸水法，先将土样与环刀一起放置在含水的容器内(水位不高于环刀高度)，经过24小时浸润待土样中含水量达到饱和后，随即进行称重。然后在放入烘箱(105℃，24h)，烘干土样再次称重可得容积饱和含水率。因水的比重为1，故容积饱和含水率理论上直接等于孔隙率。

(3)容重换算法，按照土壤物理学中关于容重与孔隙率的关系

$\mathrm{\η}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_s}$

将土壤容重换算成土壤孔隙率。其中式中η为孔隙率，ρ_b为样本土壤干容重，ρ_s为土壤样本中土粒密度。显然，对于不同土壤质地，土粒密度差异是客观存在的。考虑到确定不同土壤质地的土粒密度费工费时，通常以石英砂样本的容重作为典型参考值，即ρ_s＝2.65g/cm³。

这三种方法均存在以下缺点，极大地限制了它们的实际应用。首先，取土样过程中一定程度上破坏了表层土壤的原始形态，属于扰动性取样操作；第二，测量周期长，无法满足实时信息获取的需要。相对来说表层土壤孔隙率的时空变异更为复杂，对水土环境及作物生长的影响也最为显著。到目前为止，国内外还没有可以快速准确测量土壤表层孔隙率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用土壤表面粗糙度来测量土壤表面孔隙率的方法，所述方法快速、准确、无损，很好地解决了现存孔隙率测量方法中存在的扰动、测量周期长的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种测量土壤表面孔隙率的方法，包括以下步骤：

S1：在待测量土壤表面选取呈网格状分布的采样点并扫描所述待测土壤表面；

S2：在待测土壤上方一水平面构建XY坐标系，获取所述采样点到所述水平面的距离，得到土壤表面粗糙度的原始数据；

S3：利用下述公式计算土壤表面粗糙度量化指数R_d

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{i,j}=\frac{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})-(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})+(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}\\ R_d=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{i,j}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，(x_i，y_j)、(x_i，y_j+1)、(x_i+1，y_j)、(x_i+1，y_j+1)为四个被选取的相邻采样点，z_i，j、z_i，j+1、z_i+1，j和z_i+1，j+1为所述四个采样点处土壤表面到XY坐标平面的距离，m、n分别为X轴、Y轴方向上网格的个数，其值取决于采样点数和所取的扫描步长大小；

S4：将所述粗糙度量化指数带入下式得到土壤表面孔隙率

v＝aR_d+b    (2)

v表示土壤表面孔隙率，a和b为经验常数，a和b的值取决于土壤质地和耕作方式。土壤孔隙率可用于评价耕作土壤质量。土壤总孔隙率大于50％、充气孔隙率大于10％时才可以较好地满足作物生长的需要。

其中，在所述步骤“S1：在待测量土壤表面选取呈网格状分布的采样点并扫描所述待测土壤表面”之前，还包括设定扫描范围和扫描步长。

由于本发明土壤孔隙率的计算方法中是利用土壤表面粗糙度的测量为前提条件的，所以本发明提供了一种用来测量土壤表面粗糙度的设备，该设备包括：

支架，具有彼此平行的竖直支撑杆和与所述竖直支撑杆相垂直的水平横梁，所述竖直支撑杆下端具有支撑脚座；

定位部件，固定在所述支架上，包括位于与地面平行的同一平面内的相互垂直的X轴导轨和Y轴导轨，所述Y轴导轨滑动连接在所述X轴导轨上；

测量部件，滑动连接在所述Y轴导轨上，用于测量地表任一点到X、Y轴导轨平面的距离；

控制部件，包括X轴步进电机和Y轴步进电机，其中，所述X轴步进电机与所述Y轴导轨连接，用于控制所述Y轴导轨在所述X轴导轨上滑动，所述Y轴步进电机与所述测量部件连接，用于控制所述测量部件在所述Y轴导轨上滑动。

其中，所述设备还包括用来发出采样点坐标定位指令的上位机。

其中，所述设备还包括：

位于X轴导轨的X轴水平调节螺栓和位于竖直支撑杆与支撑脚座连接处的Y轴水平调节螺栓，用来实现所述X轴导轨和Y轴导轨的水平调节，其中X轴水平调节螺栓通过调整螺栓固定于竖直支撑杆的位置实现X轴向水平调节；竖直支撑杆与支撑脚座之间通过Y轴水平调节螺栓连接，使得竖直支撑杆可以围绕该螺栓旋转，从而带动调节Y轴导轨与水平面的夹角，进而达到Y轴方向水平调节的目的。

其中，所述设备还包括：

指示部件，位于所述X轴导轨和Y轴导轨的交叉点处，用来指示所述设备的XY轴所在的平面是否水平。

其中，所述指示部件为液体水平指示器。

其中，所述测量部件为激光测距传感仪。

其中，所述X轴步进电机与X轴导轨通过第一滑块连接，所述Y轴步进电机与Y轴导轨通过第二滑块连接，X轴步进电机与Y轴步进电机通过所述第一滑块与第二滑块分别在X轴导轨和Y轴导轨上滑动。

其中，所述设备还包括固定于所述支架上的移动部件，用于实现整个设备的移动。

本发明的测量土壤表层孔隙率的方法，首先利用快速、无损的方法对土壤表面粗糙度进行测量，之后利用土壤表面粗糙度与土壤表层孔隙率的线性关系计算出土壤表层的孔隙率，与现有技术相比具有快速、无损、高精度的优点。

附图说明

图1是本发明测量土壤表层孔隙率的方法流程图；

图2是本发明中激光扫描仪的结构示意图；

图3是本发明中的土壤表面粗糙度指数Rd的几何表示。

图中：1、支架；2、移动轮；3、移动轮升降机构；4、支撑脚座；5、移动手柄；6、X轴水平调节螺栓；7、Y轴水平调节螺栓；8、X轴步进电机；9、Y轴步进电机；10、X轴导轨；11、Y轴导轨；12、液体水平指示器；13、激光测距传感器；14、上位机；15、蓄电池。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种测量土壤表面粗糙度的设备，如图2所示，该设备包括：支架(1)，移动轮(2)，移动轮升降机构(3)，支撑脚座(4)，移动手柄(5)，X轴水平调节螺栓(6)，Y轴水平调节螺栓(7)X轴步进电机(8)，Y轴步进电机(9)，X轴导轨(10)，Y轴导轨(11)，液体水平指示器(12)，激光测距传感器(13)，上位机(14)，蓄电池(15)。

所述支架(1)，具有两根彼此平行的竖直支撑杆和连接所述两个竖直支撑杆的水平横梁，各竖直支撑杆下端为三角形支撑脚座(4)，用于所述设备的固定；X轴导轨(10)，固定于所述竖直支撑杆之间，Y轴导轨(11)，与所述X轴导轨(10)位于同一水平面并相互垂直；

X轴步进电机(8)，与所述Y轴导轨连接，并通过一滑块可滑动地位于所述X轴导轨(10)上，用于控制所述Y轴导轨在所述X轴导轨(10)上滑动，Y轴步进电机(9)，与所述激光测距传感器(13)连接，用于控制所述测量部件在所述Y轴导轨(11)上滑动，通过另一滑块可滑动地位于所述Y轴导轨(11)上；激光测距传感器(13)，位于所述Y轴导轨上，测量地表任一点到X轴导轨(10)和Y轴导轨(11)所在平面的距离。所述设备中的上位机(14)用来发出采样点坐标定位指令，X轴步进电机(8)和Y轴步进电机(9)在指令的控制下，分别沿X轴导轨(10)和Y轴导轨(11)滑动，实现采样点的二维坐标定位，蓄电池(15)为整个设备供电。

X轴水平调节螺栓(6)，位于X轴导轨与竖直支撑杆连接处，Y轴水平调节螺栓(7)，位于竖直支撑杆与支撑脚座连接处，用来实现所述X轴导轨(10)和Y轴导轨(11)的水平调节。竖直支撑杆与支撑脚座之间通过Y轴水平调节螺栓连接，使得竖直支撑杆可以围绕该螺栓旋转，从而带动调节Y轴导轨与水平面的夹角，进而达到Y轴方向水平调节的目的。液体水平指示器(12)，位于所述X轴导轨(10)和Y轴导轨(11)的交叉点处，用来指示所述设备的X、Y轴导轨所在的平面是否水平。

移动轮(2)、移动轮升降机构(3)固于所述支架(1)的一根竖直支撑杆上，与移动手柄(5)一起，用于实现整个设备的移动。

利用所述设备测量土壤表面粗糙度的过程如下：首先通过支架(1)，移动轮(2)，移动轮升降机构(3)，支撑脚座(4)，移动手柄(5)，X轴水平调节螺栓(6)，Y轴水平调节螺栓(7)等部件，实现对设备的移动、固定和水平调节，并可以通过液体水平指示器(12)观察仪器是否已水平，为所述设备工作提供准备。

设备水平调节完成后，启动设备，通过上位机(14)控制X轴步进电机(8)和Y轴步进电机(9)沿X轴导轨(10)和Y轴导轨(11)移动，从而实现X、Y轴所在平面上的二维坐标定位。

完成定位后，通过激光测距传感器(13)测量该坐标点处地表到X、Y轴导轨所在平面的距离。通过程序设定，可实现XY平面内任一点处地表到X、Y轴导轨所在平面的距离，从而获得土壤表面粗糙度的原始数据。蓄电池(15)用来为整个设备提供电能。

本发明还提供了一种利用土壤表面粗糙度来测量土壤表层孔隙率的方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：在待测量土壤表面选取若干采样点，在本实施例中所述采样点呈正方形网格分布，确定网格边长为1mm，采样点的覆盖面积确定为1.5m×0.8m；利用上述测量土壤粗糙度的设备，由X轴步进电机控制所述Y轴导轨在所述X轴导轨上滑动，所述Y轴步进电机与所述测量部件连接，控制所述测量部件在所述Y轴导轨上滑动，当所述测量部件位于所述采样点正上方时，利用所述测量部件测量出各采样点距离XY轴平面的距离为粗糙度原始数据。之后，利用下述公式计算土壤表面粗糙度量化指数R_d

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{i,j}=\frac{\left|\mathrm{AB}\right|}{\left|\mathrm{OA}\right|+\left|\mathrm{OB}\right|}=\frac{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})-(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})+(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}\\ R_d=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{i,j}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，(x_i，y_j)、(x_i，y_j+1)、(x_i+1，y_j)、(x_i+1，y_j+1)为四个被选取的相邻采样点，z_i，j、z_i，j+1、z_i+1，j和z_i+1，j+1为所述四个采样点处土壤表面到XY坐标平面的距离，m、n分别为X轴、Y轴方向上网格的个数，其值取决于采样点数和所取的扫描步长大小，R_d的计算方法示意图见图3。

上述根据测量得到的粗糙度原始数据计算土壤表面粗糙度量化指数R_d的方法是基于小尺度理论提出的，相对于地表不平度的标准方差、自相关函数和自相关长度等传统的粗糙度量化指标，基于小尺度的量化指数排除或者削弱了地表起伏变化的影响，因而与土壤表层孔隙率之间具有更好的相关性。

根据土壤类型、耕作方式等从模型参数库中选取相应的模型参数建立土壤表层孔隙率的线性预测模型，将计算所得的土壤表层粗糙度量化指数R_d带入模型，获得土壤表层孔隙率的测量值。孔隙率会影响土壤中的水分、空气和养分等的运输和转移，从而对农作物的生长造成影响。一般而言，土壤的总孔隙率大于50％、充气孔隙率大于10％的时候，才能较好地满足作物生长的需要。可利用土壤孔隙率的测量值评价耕作土壤的质量。本实施例中选取线性模型v＝aR_d+b，试验表明R_d与土壤表层孔隙率的相关系数可以达到0.75以上。其中a和b为经验常数，其值为通过试验获得的标定常数，主要取决于土壤质地和耕作方式。此处应用v＝aR_d+b进行孔隙率的预测是为了表明我们提出的粗糙度指数与土壤表层空隙率之间存在较强的线性相关性，可以应用简单的线性公式进行预测。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1、一种测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，该设备包括：

支架，

定位部件，固定在所述支架上，包括位于与地面平行的同一平面内的相互垂直的X轴导轨和Y轴导轨，所述Y轴导轨滑动连接在所述X轴导轨上；

测量部件，滑动连接在所述Y轴导轨上，用于测量地表任一点到X、Y轴导轨平面的距离；

控制部件，包括X轴步进电机和Y轴步进电机，其中，所述X轴步进电机与所述Y轴导轨连接，用于控制所述Y轴导轨在所述X轴导轨上滑动，所述Y轴步进电机与所述测量部件连接，用于控制所述测量部件在所述Y轴导轨上滑动。

2、如权利要求1所述测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述设备还包括用来发出采样点坐标定位指令的上位机。

3、如权利要求2所述测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述设备还包括：

位于X轴导轨的X轴水平调节螺栓和位于所述支架上的Y轴水平调节螺栓，用来实现所述X轴导轨和Y轴导轨的水平调节。

4、如权利要求3所述测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述设备还包括：

指示部件，位于所述X轴导轨和Y轴导轨的交叉点处，用来指示所述设备的XY轴所在的平面是否水平。

5、如权利要求4所述的测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述指示部件为液体水平指示器。

6、如权利要求1所述的测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述测量部件为激光测距传感仪。

7、如权利要求1所述的测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述X轴步进电机与X轴导轨通过第一滑块连接，所述Y轴步进电机与Y轴导轨通过第二滑块连接，X轴步进电机与Y轴步进电机通过所述第一滑块与第二滑块分别在X轴导轨和Y轴导轨上滑动。

8、如权利要求1所述测量土壤表面粗糙度的设备，其特征在于，所述设备还包括固定于所述支架上的移动部件，用于实现整个设备的移动。

9、一种利用权利要求1所述的设备测量土壤表面孔隙率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：在待测量土壤表面选取呈网格状分布的若干采样点，并在待测量土壤上方选择一水平面XY；

S2：利用所述测量土壤表面粗糙度设备测量所述采样点到所述水平面的距离，得到土壤表面粗糙度的原始数据；

S3：利用下述公式计算土壤表面粗糙度量化指数R_d

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{i,j}=\frac{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})-(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}{0.5|(z_{i,j}+z_{i+1,j+1})+(z_{i+1,j}+z_{i,j+1})|}\\ R_d=\frac{1}{m\×n}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{i,j}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，(x_i，y_i)、(x_i，y_j+1)、(x_i+1，y_j)、(x_i+1，y_j+1)为四个被选取的相邻采样点，z_i，j、z_i，j+1、z_i+1，j和z_i+1，j+1为所述四个采样点处土壤表面到XY平面的距离，m、n分别为X轴、Y轴方向上网格的个数，其值取决于采样点数和所取的扫描步长大小；

S4：将所述粗糙度量化指数带入下式得到土壤表面孔隙率

v＝aR_d+b    (2)

其中：v表示土壤表面孔隙率，a和b为经验常数，a和b的值取决于土壤质地和耕作方式。

10、如权利要求9所述的测量土壤表面孔隙率的方法，其特征在于，在所述步骤“S1：在待测量土壤表面选取呈网格状分布的采样点并扫描所述待测土壤表面”之前，还包括设定扫描范围和扫描步长。

Images