CN101776448B

CN101776448B - 一种针式粗糙度仪

Info

Publication number: CN101776448B
Application number: CN2009100761533A
Authority: CN
Inventors: 秦其明; 沈心一; 赵少华
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: CN101776448A

Abstract

本发明涉及一种针式粗糙度仪，所述粗糙度仪包括：具有平行滑轨的支撑框架；位于所述支撑框架内部的运动部件，所述运动部件沿所述平行滑轨滑动，所述运动部件的相对内侧壁具有若干面板插槽；插于所述面板插槽内的若干面板，所述面板沿其长度方向具有若干竖直钢针插槽；插于所述钢针插槽内的所述钢针，可沿钢针插槽竖直落地。利用本发明所提供的针式粗糙度仪对固定表面进行粗糙度测量，可实现一次性面阵测量，并可测量具有一定坡度的表面，操作方便，精确度高。

Description

一种针式粗糙度仪

技术领域

本发明涉及测量装置与技术领域，具体涉及一种测量地表面粗糙度的针式粗糙度仪。

背景技术

为了描述不规则随机表面，通常把它的高程看作是一个二维随机场，也就是2参数的随机过程：z(x，y)，其中，x，y表示水平坐标。以此为基础计算的表面高程均方差，相关长度，或者拟合的相关长度函数，相关长度的频谱，成为粗糙度参数和粗糙度谱等表面特性参数。

而微波遥感面散射模型中最常用的粗糙度参数是相关度函数的二维粗糙度谱W(k_x，k_y)。例如SPM模型、IEM模型、Kirchhoff低频(标量近似)下的情况、归一化散射截面中均存在W(k_x，k_y)因子。其计算公式为：

W (k_{x}, k_{y}) = σ^{2} &Integral; {dxe}^{- {jk}_{x} x} &Integral; {dye}^{- j k_{x} y} ρ (x, y) - - - (1)

在做高斯二维随机场假设以后，通常有两种途径去求出这个粗糙度相关函数谱。第一种方法是假设一个已知函数型，但含有未知参数，例如高斯型函数：

或者指数函数

以及其他一些函数。其中相关长度l为位置参数，需要通过粗糙度测量数据拟合。通过ρ(x，y)再直接做离散傅里叶变换。此外Kirchhoff模型在高频下的近似需要用到均方差σ²相关长度l。上述两种方法均需要z(x，y)作为原始测量数据计算ρ(x，y)，σ²和1。

微波遥感模型中的面散射物理模型均需要粗糙度因子作为输入参数。由于微波遥感的目标涉及到各种复杂的实际情况，通常的面散射模型实质上是一个场到场的面积分，而积分表面就是目标的随机表面，因此在各种模型近似的最终散射系数结果中，往往会存在粗糙度项因子。这个因子就是上面提到的各种粗糙度参数。

常用的数字特征有表面方差，相关长度，表面谱，相关度谱(如1式)等。根据模型的不同，需要的数字特征不同，但是这些特征都可以通过z(x，y)数据的变换和拟合得到，而且通常认为这些特征随时间和地域是缓变的，即农田反演时，可以在一个生长周期(两次耕地间)测量一些有代表性的区域作为全周期本地域的粗糙度因子。

目前国际上的粗糙度仪可以分为针式粗糙度仪和激光扫描式粗糙度仪两类。前者通常价格较低，可测量的表面有一定局限性，而且操作不方便，如不能测量太松软的表面，单次测量剖面线长度有限。后者价格昂贵，需要电机控制运动部，容易受到地面植被或反射率不同的土壤表面的干扰。

目前国际上还没有出现能够测量地面并满足微波遥感模型反演尺度上的面阵式或推扫式的针式粗糙度仪，现存的针式粗糙度仪均只能进行单个剖面线线测量，或者是仅能够测量工件表面的小范围高精度仪器。尽管在随机表面各向同性的假设下，通过在某处反复单线测量可以近似得到粗糙度参数，但真实的表面往往不是各项同性的，而且根据雷达入射波长，通常存在多尺度谱的问题，模型中需要将他们分离计算；大尺度谱一般不是各项同性的，这就需要二维谱数据将两种尺度分离，而已有的单线粗糙度仪无法做到。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量地表面粗糙度的针式粗糙度仪，用来解决现有的单线粗糙度仪通过反复单线测量得到粗糙度参数时带来的测量误差大、一次性测量区域小、采样间隔低以及无法根据谱数据分离不同尺度等缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供了一种针式粗糙度仪，所述粗糙度仪包括：

支撑框架，具有平行的水平滑轨；

外运动部件，位于所述支撑框架内部，沿所述平行滑轨滑动，其内具有与支撑框架滑轨垂直的水平滑轨；

内运动部件，位于所述外运动部件内部，沿外运动部件的水平滑轨滑动，所述内运动部件的相对内侧壁具有沿竖直方向的若干平行、等间距的面板插槽；

若干面板，插于所述面板插槽内，所述各面板的高度沿中间插槽向两侧插槽逐渐递减，所述面板沿其长度方向具有若干相互平行、等间距的竖直钢针插槽；

若干钢针，插于所述钢针插槽内，不同面板的钢针长度按照各面板沿中间插槽向两侧插槽依次减短，并且外侧钢针的高度低于内侧钢针的高度，可沿钢针插槽竖直落地，其中，所述钢针的长度比其所属面板外侧面板的高度大；

所述粗糙度仪的正反两面均架设有相机。

其中，所述支撑框架沿其滑轨方向固定有刻度尺，所述外运动部件具有指针，指向支撑框架上的刻度尺，从而读出外运动部件在沿支撑框架滑轨方向的滑动距离。

其中，所述外运动部件上固定有刻度尺，所述内运动部件在平行于外运动部件的滑轨方向有指针，指向外运动部件的刻度尺，从而读出内运动部件在沿外运动部件的滑轨方向的滑动距离。

其中，所述面板的个数为9，所述面板插槽的间距为2cm。

其中，所述每块面板上钢针的个数为50，所述钢针插槽的间距为2cm。

其中，所述钢针上部具有提手，下部具有钢针套。

其中，所述支撑框架包括若干带有刻度可调高度的脚，用以调节仪器水平和测量动态范围。

其中，所述粗糙度仪还包括位于所述粗糙度仪下端的水平定标板，用于通过定标测量得到定标数据。

本发明还提供了一种利用上述针式粗糙度仪进行测量的方法，所述测量方法包括步骤：

S1，选定待测区域，并构建坐标系；

S2，调整所述支撑框架的支脚高度使得所述钢针接触所述待测区域并且所有钢针顶端在所述各自面板的可视范围内，并通过水准泡使得整个针式粗糙度仪水平；

S3，在针式粗糙度仪的正反两面分别架设相机到固定高度和距离；

S4，拍摄所有插有钢针的面板；

S5，移动所述外运动部件，重复S3-S4，直至完成所述针式粗糙度仪量程范围的全部测量；

S6，通过所拍摄的照片上的钢针下落的距离从而确定地表高程。

其中，所述步骤S5之前还包括步骤：

S5a，移动内运动部件，拍摄每次移动后的插有钢针的面板，所述移动步长为所要求的采样间隔；

S5b，移动外运动部件，拍摄每次移动后的插有钢针的面板，所述移动步长为所要求的采样间隔。

其中，所述步骤S6之后还包括步骤：

S7，通过测量针式粗糙仪和相机的对每块面板上钢针的视角来修正非水平视向造成的钢针在面板上的投影差。

其中，所述步骤S7之后还包括步骤：

S8，使用预先通过定标测量得到的定标数据对所述地表高程进行修正。

利用本发明所提供的针式粗糙度仪对固定表面进行扫推式粗糙度测量，可实现一次性面阵测量，操作方便，可测参数多，精确度高，拆卸方便，结构紧凑。而且，本发明中的粗糙度仪可得到谱数据或者相关度谱数据，从而利用不同的滤波器将谱进行分频达到分离尺度的目的。

附图说明

图1为本发明的针式粗糙度仪的结构示意图；

图2为本发明的针式粗糙度仪的面板与钢针的结构示意图。

图中：1、支撑框架；2、外运动部件；3、面板插槽；4、面板；5、钢针插槽；6、钢针。

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。

以下结合附图具体阐述本发明的针式粗糙度仪。如图1所示为所述针式粗糙度仪的结构示意图。所述粗糙度仪包括：支撑框架1，具有平行的水平滑轨，沿滑轨方向固定有毫米刻度尺，所述支撑框架1还具有三个条形水准泡；外运动部件2，位于所述支撑框架1内部，沿所述平行滑轨滑动，其内具有与支撑框架1的滑轨垂直的水平滑轨，所述外运动部件2还具有指针，指向支撑框架1上的刻度尺，从而读出外运动部件2在所述支撑框架1的平行滑轨方向上的滑动距离，所述外运动部件2在垂直于支撑框架1的平行滑轨方向上也固定有毫米刻度尺；内运动部件，位于所述外运动部件2内部，可沿外运动部件2的水平滑轨滑动，在平行于所述外运动部件2的滑轨滑轨方向上有指针，指向外运动部件2的刻度尺，从而读出该方向上的滑动距离，所述内运动部件的相对内侧壁具有若干平行、等间距的面板插槽3；若干面板4，插于所述面板插槽3内，所述各面板4的高度沿中间插槽向两侧插槽逐渐递减，所述面板4沿其长度方向具有若干相互平行、等间距的竖直钢针插槽5；若干钢针6，插于所述钢针插槽5内，可沿钢针插槽5竖直落地。其中，所述钢针6的长度比其所属面板4的高度大。其中，所述面板4的个数为9，所述面板插槽3的间距为2cm；所述每块面板4上钢针6的个数为50，所述钢针插槽5的间距为2cm。所述钢针6上部具有提手，下部具有钢针套。所述支撑框架1包括若干带有刻度可调高度的脚，用以调节仪器水平和测量动态范围。所述粗糙度仪还包括位于所述粗糙度仪下端的水平定标板，用以通过定标测量得到定标数据。

本发明还提供了一种利用上述针式粗糙度仪进行测量的方法，所述测量方法包括步骤：S1，选定待测区域，组装所述针式粗糙度仪，并构建坐标系，可以按照电磁场入射投影方向构建坐标系；S2，调整所述支撑框架的支脚高度使得所述钢针接触所述待测区域并且所有钢针顶端在所述各自面板的可视范围内，并通过水准泡使得整个针式粗糙度仪水平；S3，在针式粗糙度仪的正反两面分别架设相机到固定高度和距离；S4，拍摄所有插有钢针的面板；S5，移动所述外运动部件，重复步骤S3-S4，直至完成待测范围的全部测量；S6，通过所拍摄的照片上的钢针下落的高度从而确定地表高程。当需要加密时，所述步骤S5之前还包括步骤：S5a，通过钢针提手提起所有钢针离开地面并将提手固定在挂钩上，以所要求的采样间隔为步长移动内运动部件，松开提手，让钢针竖直落地，拍摄每次移动后的插有钢针的面板，直至完成2cm内的加密；S5b，以所要求的采样间隔为步长移动外运动部件，拍摄每次移动后的插有钢针的面板。如果不需要加密，则S5b中的外运动部件直接移动20cm完成测量，在所有的拍摄和数据采集工作完成后，通过测量针式粗糙仪和相机的对每块面板上钢针的视角来修正非水平视向造成的钢针在面板上的投影差；S8，使用预先通过定标测量得到的定标数据对所述地表高程进行修正。

图2为插有钢针6的面板4的结构示意图。各面板4的高度沿中间插槽向两侧插槽逐渐递减，所述面板4沿其长度方向具有若干相互平行、等间距的竖直钢针插槽5；若干钢针6，不同面板的钢针长度按照面板高度差依次变化，插于所述钢针插槽5内，可沿钢针插槽5竖直落地。其中，所述钢针6的长度比其所属面板4的高度大20cm。其中，所述面板4的个数为9，所述面板插槽3的间距为2cm；所述每块面板4上钢针6的个数为50，所述钢针插槽5的间距为2cm。所述钢针6上部具有提手用于在移动运动部件时将钢针6提离地面，下部具有钢针套用以保护钢针。

本粗糙度仪的每个面板起到单线粗糙度板的作用：测量一条直线上50个等距点的z值。由于所述等距点的间距为2cm，那么可测量的一条线长为1m。由于本发明中的10个面板水平等距，间距为2cm，则单次测量的数据为10×50＝500个点，且采样间隔相同，均为2cm×2cm。单次的测量范围是20cm×100cm。这样将固定面板的运动部件沿所述支撑框架的滑轨推动5次就可以覆盖1m×1m的范围。如需增加覆盖范围，则将测量面边缘相互重合连续测量。

下面介绍利用本发明所述的针式粗糙度仪进行测量的记录读数方式。由于正反两面每面5块面板高度不同，不同面板上钢针长度也不同(相邻相差10cm)，因此可以保证一次性拍摄到所有面板。每块面板上都有标准长度线，最后的钢针下落长度和标准长度线像素坐标(经过近景镜头校正后)差比较可以自动计算高程。为了减小仪器尺寸，采用正反两面同时拍摄的方法，1～5号面板高度逐级递增，6～10号面板高度逐级递减。实际中用到9块板，高度最大的5号板使用其正反两面。

测量的方法是在仪器正反两面架设一直相对高度和水平距离的数码相机，对面板拍摄，由于等长针竖直落地，地表高度不同，针的高度必然不同，将照片用配套软件处理可以提取出地面高程。

如果针对特殊波段需要加密，可以在两个方向按毫米的步长移动，通过增加拍摄次数得到采样间隔最高毫米级的粗糙度数据。

以下为利用本发明的针式粗糙度仪进行粗糙度测量的步骤：首先选择有代表性的区域；其次进行仪器的组装，为了仪器的便携，所有的框架可以拆卸，保证每个部分最多只有一个方向为1m左右，其余方向很窄，便于装箱和托运；然后将四个脚调整至合适高度使得整个表面的高程在钢针可接触且面板上可视范围内；通过水准泡将整个仪器三向调平；用水准尺找到距离仪器正反面已知的一个水平距离，在两边分别架设相机架，调平相机架，并测量相机架高度，保证拍照时能够包含所有面板的尽量小的距离；从起始端开始，测量单个面阵的z(x，y)值。每次测量完毕后，用提手将所有钢针提起至离地一定高度，前后(左右)推动外(内)滑块，到下一个位置后，松开提手，让钢针自由下落，接触地面后，正反两面拍照。如此往复，直至1m×1m范围内测完。根据滑块上的表针指向钢架上的刻度读取移动的距离，每次移动距离视要求采样间隔而定。

在测量过程中需要进行高程修正。由于通过照片上钢针在面板上的位置确定地表高程，实际上是个投影问题。每排高度都不相同，因此拍摄视角并不相同。鉴于钢针有6mm直径，而且中心距离面板有7.5mm距离，在非水平的视角下投影到面板上必然和其实际高度存在一个差，这个差可以通过视角算出，而视角通过预先测量的仪器和摄像机的水平距离和高度差得到。

此外，在测量过程中还可以进行损耗修正。仪器在长期使用过程中难保钢针接触地面的地方不被磨损，一方面，我们使用同样大小的钢针套保护钢针底部，另一方面使用定标板来检测磨损造成的系统误差，在最终的数据中减去这个误差。

定标板就是一块完全平整且可调水平(也通过水准泡)的金属板，将粗糙度仪放在上面测量，每点高程必然相同，如果某些点有所不同，则这些钢针可能存在磨损误差，测量这些误差然后在实地测量时减去即可。出野外测量以前可以在实验室内做好这些定标和距离设计，最后这些修正也通过将定标参数读入软件的形式改正结果。

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其权利要求限定。

Claims

1.一种针式粗糙度仪，其特征在于，所述粗糙度仪包括：

支撑框架，具有平行的水平滑轨；

外运动部件，位于所述支撑框架内部，沿所述平行滑轨滑动，其内具有与支撑框架的滑轨垂直的水平滑轨；

若干钢针，插于所述钢针插槽内，不同面板的钢针长度按照各面板沿中间插槽向两侧插槽依次减短，并且外侧钢针的高度低于内侧钢针的高度，所述钢针可沿钢针插槽竖直落地，其中，所述钢针的长度比其所属面板外侧面板的高度大；

所述粗糙度仪的正反两面均架设有相机。

2.如权利要求1所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述支撑框架沿其滑轨方向固定有刻度尺，所述外运动部件具有指针，指向支撑框架上的刻度尺，从而读出外运动部件在沿支撑框架滑轨方向的滑动距离。

3.如权利要求2所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述外运动部件上固定有刻度尺，所述内运动部件在平行于外运动部件的滑轨方向有指针，指向外运动部件的刻度尺，从而读出内运动部件在沿外运动部件的滑轨方向的滑动距离。

4.如权利要求1-3任一项所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述面板的个数为9，所述面板插槽的间距为2cm。

5.如权利要求1-3任一项所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述每块面板上钢针的个数为50，所述钢针插槽的间距为2cm。

6.如权利要求5所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述钢针上部具有提手，下部具有钢针套。

7.如权利要求6所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述支撑框架包括若干带有刻度、可调高度的脚，用以调节仪器水平和测量动态范围。

8.如权利要求7所述的针式粗糙度仪，其特征在于，所述粗糙度仪还包括位于所述钢针下端的水平定标板，用于得到定标数据。

9.利用权利要求1-8任一项所述针式粗糙度仪进行测量的方法，其特征在于，所述测量方法包括步骤：

S1，选定待测区域，并构建坐标系；

S2，调整所述支撑框架的支脚高度使得所述钢针接触所述待测区域并且所有钢针顶端在所述各自面板的可视范围内，并使得整个针式粗糙度仪水平；

S4，拍摄所有插有钢针的面板；

S5，移动所述外运动部件，重复步骤S3-S4，直至完成所述粗糙度仪量程范围的全部测量；

S6，通过所拍摄的照片上的钢针下落的距离确定地表高程。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6之后还包括步骤：

S7，通过针式粗糙度仪和相机的相对位置计算对每块面板上钢针的视角来修正所述地表高程。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤S7之后还包括步骤：

S8，使用定标数据对所述地表高程进行修正。