CN101806700A - 土壤入渗性能的测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤入渗性能的测量方法，其包括步骤：S1，由摄像机获取各帧地表图像；S2，提取S1中获取的图像中的地表湿润区域；S3，计算由S2中提取出的地表湿润区域的面积；S4，对S3中得到的地表湿润面积进行修正；S5，由所述修正后的地表湿润面积计算土壤入渗性能。本发明的测量方法，测量过程中需水量少，精度高，可以为土壤入渗性能测量研究，对地表产流、土壤侵蚀等相关方面的研究提供有效、省时、省力、准确的工具，具有广泛的推广和应用价值。

Description

土壤入渗性能的测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及水文研究领域，特别是涉及一种土壤入渗性能的自动测量方法及自动测量系统。

背景技术

土壤入渗过程描述的是水流渗入到土壤的过程，是连接地表水和土壤水的水文过程中一个重要环节。衡量土壤入渗性能的参数为土壤入渗率和累积土壤入渗量。土壤入渗率定义为单位时间入渗到单位面积上的水量，单位为mm/h或者cm/h。累积入渗量定义为一段时间内入渗到单位面积上的总水量，单位为mm或者cm。入渗率和累积入渗量的数量关系为：

$i=\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，i为入渗率，mm/h；I为累积入渗量，mm；t为入渗时间，h。如式(1)中所示，土壤入渗率为累积入渗率对时间的导数。

在入渗过程中，当降雨强度或供水流量超过了土壤的吸水能力时，入渗速度达到最大，此时的土壤入渗率即为土壤的入渗性能(Horton，1940；Hillel，1998)。当供水强度低于土壤入渗性能时，水流进入土壤的过程受供水的控制。土壤入渗率与供水速率相等(秦耀东，2003)。土壤入渗性能并不是常数，它随入渗持续时间的延长而变化。在入渗初期，土壤吸收水的速度非常快；对应地，土壤的初始入渗性能非常高。随着时间的推进，土壤入渗性能逐渐降低，并最终趋于一个稳定值，即稳定入渗率。

目前有很多土壤入渗率测量的方法，如双环法(Bouwer，1986)、人工模拟降雨法(Peterson and Bubenzer，1986；Ogden et.al.，1997；袁建平等，1999)、圆盘入渗仪法(Perroux and White，1988)等。在双环法和人工降雨法中，由于地表的快速湿润导致了地表结皮的产生，大大降低了土壤的入渗性能(Levy et.al.，1997；Mamedov et.al.，2001)。这在一定程度上影响了土壤入渗率的测量精度。双环法不能应用于坡面，限制了该方法在野外的应用。受降雨强度的限制，土壤初始很高的入渗性能在人工模拟降雨法中观测不到。因此，双环法和人工降雨法都测量不到土壤初始很高的入渗性能，这两种方法测量不到完整的土壤入渗性能过程线。圆盘入渗仪试验中存在侧渗等问题，影响了该方法的测量精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是克服现有土壤入渗性能测量方法中存在的缺陷，提高测量精度，实现测量过程的自动化控制。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，提供一种依照本发明实施方式的土壤入渗性能的测量方法，其中包括步骤：

S1，由摄像机获取各帧地表图像；

S2，提取S1中获取的图像中的地表湿润区域；

S3，计算由S2中提取出的地表湿润区域的面积；

S4，对S3中得到的地表湿润面积进行修正；

S5，由所述修正后的地表湿润面积计算土壤入渗性能。

优选地，在步骤S2中，将标准尺寸的同心靶圆置于测量区内，先拍摄所述同心靶圆影像图作为参考，定位测量区域各像素点的空间位置。

优选地，在步骤S1之后，采用帧间RGB值加权梯度比对，将像空间的色彩分量元素转换为整型的梯度元素以消除环境光亮度变化。

优选地，采用包围方法将像空间的梯度元素二值化，以消除镜面反射。

优选地，在像空间的梯度元素局域应用线性平滑滤波，以降低土壤颗粒导致的噪声。

优选地，在步骤S4中，利用下式计算土壤入渗性能：

$i_n=\frac{q_n-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j{\mathrm{\ΔA}}_{n-j+1}}{{\mathrm{\ΔA}}_1};(n=\mathrm{2,3},......)$

式中：i_n为t_n时刻对应的土壤入渗率，mm/h；q_n为t_n时刻对应的供水流量，mm³/h；ΔA_n为时段(t_n-t_n-1)内地表增加的湿润面积，mm²。

优选地，在步骤S4中，利用下式计算土壤入渗性能：

$i\left(t\right)=\frac{q}{A\left(t\right)}$

式中：i(t)为整个湿润面积上的平均土壤入渗率，是时间的函数，mm/h；q为供水流量，mm³/h；A(t)为地表湿润面积，是时间的函数，mm²。

还提供了一种依照本发明实施方式的土壤入渗性能的测量系统，其包括：

地表图像获取单元，用于获取地表图像；

地表湿润面积提取单元，用于分辨提取地表图像中的湿润面积；

地表湿润面积计算单元，用于根据地表湿润面积图像计算地表湿润面积；

地表湿润面积修正单元，用于对计算得出的地表湿润面积进行修正；

土壤入渗性能计算单元，用于根据地表湿润面积计算土壤入渗性能。

优选地，所述测量系统还包括：标定单元，用于对由地表湿润面积图像获取单元获取的地表湿润面积图像进行矫正。

优选地，所述测量系统还包括：恒流供水单元，用于为所述系统提供流量可调的水流。

(三)有益效果

本发明测量方法的图像处理过程中采用综合失真误差矫正方法，使土壤湿润面积测量结果精度高，从而使测量得到的土壤入渗过程曲线准确、可靠。本发明提出的自动测量系统实现了在土壤入渗测量过程中的自动化控制，通过室内试验数据验证了测量系统和方法的精度。整个测量过程中，需水量少。该自动测量系统可以为土壤入渗性能测量研究，对应的地表产流、土壤侵蚀等相关方面的研究与应用提供有效、省时、省力、准确的工具，具有广泛的推广和应用价值。

附图说明

图1是地表湿润面积与土壤入渗性能随时间的变化关系；

图2是依据本发明实施方式的土壤入渗性能测量系统中的标定目标板；

图3是依据本发明实施方式的土壤入渗性能测量方法中的地表湿润面积推进及计算过程示意图；

图4是依据本发明实施方式的测量系统得到对应时刻的土壤湿润面积的照片截图；

图5是依据本发明实施方式的测量系统得到土壤入渗性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种土壤入渗性能的线源入流测量方法。该测量方法建立在地表湿润面积与土壤入渗性能之间的关系上。具体见图1。

如图1所示，土壤入渗性能初始时(i₁)很高。水流从线源布水器渗入到土壤的速度很快。地表上很小的一块面积就可以吸收全部的供水量，即地表的初始湿润面积(A₁)很小。随着时间的延长，土壤入渗性能降低到i₂，同样的地表面积已经不能吸收同样的水量。地表湿润面积开始增加为A₂。随着土壤入渗性能的不断降低，地表湿润面积不断增加，直到土壤入渗性能降低到其稳定入渗率，对应的地表湿润面积增加到最大稳定湿润面积。

线源入流测量方法可以方便地应用到坡面地表上。试验过程中，充分的供水保证了该方法可以观测到土壤初始很高的入渗性能。试验中没有观测到明显的地表结皮现象。因此线源入流测量方法得到的土壤入渗性能曲线为土壤完整的本征入渗性能随时间的变化过程。利用水量平衡原理计算得到该方法测量得到的结果精度很高。

在线源入流测量试验中，需要通过照片来记录地表的湿润面积，然后计算得到地表湿润面积。

测量系统包括一个用来以恒定流量供水的马氏瓶、对相机成像过程中在物体尺寸和形状上的变形进行矫正的系统、地表湿润面积自动获取系统、从相机自动获取数据的控制系统以及整个系统的供电装置。

数码相机的最大变焦倍数为4倍，分辨率为400万像素。试验过程中通过计算机中的数据获取控制组件设定数码相机记录地表湿润面积的时间间隔，并通过图像处理组件处理计算地表湿润面积。在地表湿润面积计算过程中，数据分析组件需要矫正获取的照片中地表面积的两种变形。具体如下：

1、由相机镜头导致的变形：影像拍摄区假设为2维平面，若保证大区域影像拍摄区显示在相机感光器上，则需要经过凸透镜进行视野影像缩小，由于视野影像不是1∶1平行采集到感光器上，因此，在相机凸透镜上就会产生空间尺寸变形失真。

2、测量区域空间比例及变形：由于该设备采用野外原位现场自动测量，摄像机与试验测量区之间的距离、与试验测量区的平面夹角均为不确定因素。要获得测量区湿润面积的精确绝对值，需要知道测量区域内各个点的实际比例尺关系。

综上，由镜头和测量区域空间扭曲导致的变形是影响地表湿润面积计算精度的主要因素。针对此问题，采用将标准尺寸的同心靶圆置于测量区内，固定好相机位置同时在控制计算机上设置相机摄影相关参数，先拍摄测量区同心靶圆影像图作参考文件，定位测量区域各像素点空间位置，比照同心靶圆影像图得出测量区不同空间点位与标准尺寸之间的修正关系，此方法可快速、准确地对摄像机镜头变形与测量区空间比例及变形进行一次性综合矫正，标准尺寸的同心靶圆示意图见图2。

视觉系统的感知过程是被感知目标从3D真实空间T向视觉系统2D像空间P的物理投影过程，一般该过程由目标反射光线、镜头折射光线、感光器件光电转换组成。

视觉系统的测量过程是像元从2D像空间P向3D真实空间T的数学处理过程：

T(x，y，z)＝MP(w，h)

M一般可以对应于物理投影过程分解为三个矩阵相乘：

M＝M₁·M₂·M₃

其中，M₁为透视投影矩阵，M₂为镜头畸变矫正矩阵，M₃为感光器件误差校正矩阵。M₁与相机与被测目标的相对位置、相机光轴与被测面的法线夹角相关；M₂M₃一般情况下可认为只与镜头、相机制造过程相关。应用中，如果试验环境相对固定，可认为M为固定矩阵，在实验室完成视觉系统标定。

由于土壤入渗率试验环境随机性较强，M为非固定矩阵，所以需设计一种简便的标定方式用以在每次实验前确定M，为此，土壤入渗率视觉测量系统开发了专用的标定方法。

标定使用专用的标定目标板，标定目标图形设计为黑白相间宽度相等的同心圆环，制作精度保证在毫米精度。开发了针对标定目标板的自动标定程序，程序可根据灰度梯度自动识别圆环边界，根据识别结果自动计算T(x， y，z)，依据P(w，h)自动计算矩阵M。

通过多次典型试验图像分析，发现有如下特点：

1)一次长时间试验中，各帧图像的环境光亮度有一定变化；

2)由于土壤的颗粒特性导致图像灰度梯度具有非连续性；

3)土壤入渗区域图像由于土壤表面的薄层水流形成镜面反射。

本发明的测量系统采用如下视觉分析方案：

1.采用帧间RGB值加权梯度比对，将像空间的色彩分量元素转换为整型的梯度元素，消除环境光亮度变化；通过试验前采集背景图像，设定本次试验环境光亮度，消除每次试验环境光亮度差别的影响。

2.采用包围方法将像空间的梯度元素二值化，消除镜面反射；在实际处理中，湿土的灰度值比干土灰度值要高出很多，水面灰度值比干土灰度值低很多。该处理包含两个判定标准：对湿土内部孤岛的判定，测量过程中，只存在一个水源，因此湿土是成片的，当湿土内部存在灰度值较低的区域时，系统会自动将这部分加入到湿土的面积；对镜面反射的处理，当湿土内部出现非常低的灰度值时，系统会判定该区域为镜面区，并自动加入到湿土面积内。

3.在像空间的梯度元素局域应用线性平滑滤波，降低土壤颗粒导致的噪声；利用曲线平滑的方法将每个点的RGB值与邻近点对比，进行平滑，从而降低并解决土壤颗粒导致的噪声。

4.根据矩阵M计算像空间的真值区域对应的真实空间面积值；利用试验前的标定，对试验拍摄平面出现的镜头及空间变形进行360度的校正，进而计算出地表湿润区域的实际面积。

采用室内试验的方法，试验土壤为风干的砂壤土，验证试验设定流量为1.92L/h，土壤容重为天然容重1.3g/cm³，试验土槽坡度设定为5度，系统记录间隔为3分钟1次，试验持续时间为120分钟。

试验过程中，自动测量系统中的部分影像模拟图以及对应的影像解析数字化图，见图3。如图3中所示，照片中记录的是与地表成一定角度的测量区域的图像。由于地表安装的线源布水器覆盖住了一部分地表湿润面积。这部分湿润面积在数码照片中显示不出来。用来记录地表过程的图像处理系统不能将这部分湿润面积包括在内。因此在该图像处理模块中增加了修正这部分误差的数学模型，具体如下：

首先，由测量得到的地表湿润面积随时间的推进过程线，计算初始地表湿润面积推进的速度，即湿润面积随时间变化过程线初始点的切线斜率K。

线源布水器面积(ΔA)可以测量得到，根据计算出的斜率K，可以估算出湿润布水器下面的面积所需要的时间Δt：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\ΔA}}{K}$

将该时间Δt以及布水器面积计入整个试验持续的总时间以及总湿润面积即完成修正过程。

经过修正，由自动测量系统从所截到的照片中得到对应时刻的土壤湿润面积，见图4。

本发明中利用下式计算土壤入渗性能：

$i_n=\frac{q_n-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j{\mathrm{\ΔA}}_{n-j+1}}{{\mathrm{\ΔA}}_1};(n=\mathrm{2,3},......)$

式中：i_n为t_n时刻对应的土壤入渗率，mm/h；q_n为t_n时刻对应的供水流量，mm³/h；ΔA_n为时段(t_n-t_n-1)内地表增加的湿润面积，mm²。

或者，利用下式计算土壤入渗性能：

$i\left(t\right)=\frac{q}{A\left(t\right)}$

式中：i(t)为整个湿润面积上的平均土壤入渗率，是时间的函数，mm/h；q为供水流量，mm³/h；A(t)为地表湿润面积，是时间的函数，mm²。

自动测量系统利用计算机以及数码相机测量计算得到的土壤湿润面积以及对应时刻的土壤入渗率如表1。

表1试验测量结果

如图5所示，土壤入渗性能的数值算法及近似平均算法得到的结果均可以很好的描述土壤入渗随时间变化的过程，测量得到的土壤初始入渗性能非常高，较之前提出的传统测量方法有了很大的提高。图中显示，由近似算法计算出的土壤入渗率均比由数值算法计算出的结果要高，这是由于近似算法得到的结果为湿润面积上土壤入渗率的平均值，虽然精度较数值算法偏低，但是该算法简单，易于操作。而且由于该方法所做的近似假定，可以将该算法计算得到的土壤入渗率作为其他方法计算得到的结果的参照值。由其他方法计算得到的土壤入渗性能都比近似算法得到的结果小。在试验最后，地表湿润面积范围内，土壤入渗性能均趋于稳定，与近似算法所做的假定情况一致。这表明，近似算法得到的土壤稳定入渗率为土壤的实际最终入渗率。从图中可以看出，由数值算法得到的稳定入渗率比近似算法得到的数值偏低，表明数值算法虽然在整体精度上要高于近似算法，但其低估了土壤的稳定入渗率。

从以上各表以及图中的显示可以看出，本研究提出的自动测量系统可以准确地测量出土壤的入渗性能曲线，同时测量系统实现了自动控制，可以节省大量的人力物力。

由于试验中存在一些不可避免的随机因素的影响，测量结果存在一定的误差。

依据土壤入渗率线源入流计算模型，计算结果误差来自以下两方面：

1)土壤湿润面积计算精度：相机分辨率精度为4百万像素，假设测量区域2平方米，相机分辨率可达到1平方毫米。标定目标板材用13份等距同心靶圆，两圆之间空间位置变形与像素之间线性关联，每个最小分辨网格为16像素，标定误差约为30平方毫米。

2)误差来源最大是各种不同土壤质地差异造成土壤湿润区与非湿润区视觉(灰度值)差异太小，形成湿润面积误判，湿润面积测定误差可达80平方毫米。综合以上因素，尽量增加土壤湿润区与非湿润区的视觉差，是减少测量误差的主要方法。以下为影像测量综合试验结果：

表2误差分析表

试验结果误差分析：

根据水量平衡原理，通过比较试验总供水量和由土壤入渗性能回归得到的累积入渗量得到由自动测量系统测量得到的土壤入渗性能总误差，具体计算公式如下：

总入渗量为

$Q_1={\∫}_0^A\left({\∫}_0^{T}i(t,A)\mathrm{dt}\right)\mathrm{dA}---\left(5\right)$

其中I为累积入渗量，(m³/m²，或mm)，是坡面位置的函数：

$I={\∫}_0^{T}i(t,A)\mathrm{dt}---\left(6\right)$

马氏瓶的供水量由试验中马氏瓶的读数测得或由下面的公式求出为：

Q₂＝qT    (7)

其中，q为马氏瓶的供水流量，(L/h，或mm/min)T为总入渗时间(h，或min)

试验误差为：

$\mathrm{\δ}=\left|\frac{Q_2-Q_1}{Q_2}\right|\×100\%---\left(8\right)$

由上面提供的试验数据计算得到δ＝3.93％。表明测量结果具有很高的精度。

本研究提出的土壤入渗性能自动测量系统可以自动地获取、分析、估算线源入流试验中地表的湿润面积。根据地表湿润面积与土壤入渗性能之间的相互关系，建立相应的数值数学模型及近似计算模型。自动测量系统可以根据测量得到的地表湿润面积和计算模型自动估算出土壤入渗性能随时间变化的完整过程线，尤其是初始很高的土壤入渗性能。图像处理过程中采用综合失真误差矫正方法，使土壤湿润面积测量结果精度高，从而使土壤入渗过程曲线准确、可靠。本发明提出的自动测量系统实现了在土壤入渗测量过程中的完全自动化控制，通过室内试验数据验证了测量系统和方法的精度。整个测量过程中，需水量非常少。该自动测量系统可以为土壤入渗性能测量研究，对应的地表产流、土壤侵蚀等相关方面的研究提供有效、省时、省力、准确的工具，具有广泛的推广和应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括步骤：

S1，由摄像机获取各帧地表图像；

S2，提取S1中获取的图像中的地表湿润区域；

S3，计算由S2中提取出的地表湿润区域的面积；

S4，对S3中得到的地表湿润面积进行修正；

S5，由所述修正后的地表湿润面积计算土壤入渗性能。

2.如权利要求1所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在步骤S1中，将标准尺寸的同心靶圆置于测量区内，先拍摄所述同心靶圆影像图作为参考，定位测量区域各像素点的空间位置。

3.如权利要求2所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在步骤S1之后，采用帧间RGB值加权梯度比对，将像空间的色彩分量元素转换为整型的梯度元素以消除环境光亮度变化。

4.如权利要求3所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，采用包围方法将像空间的梯度元素二值化，以消除镜面反射。

5.如权利要求4所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在像空间的梯度元素局域应用线性平滑滤波，以降低土壤颗粒导致的噪声。

6.如权利要求1所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在步骤S4中，利用下式计算土壤入渗性能：

$i_n=\frac{q_n-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\mathrm{\Δ}{A}_{n-j+1}}{\mathrm{\Δ}{A}_1};(n=\mathrm{2,3},......)$

式中i_n为t_n时刻对应的土壤入渗率，mm/h；q_n为t_n时刻对应的供水流量，mm³/h；ΔA_n为时段(t_n-t_n-1)内地表增加的湿润面积，mm²。

7.如权利要求1所述的土壤入渗性能的测量方法，其特征在于，在步骤S4中，利用下式计算土壤入渗性能：

$i\left(t\right)=\frac{q}{A\left(t\right)}$

式中i(t)为整个湿润面积上的平均土壤入渗率，是时间的函数，mm/h；q为供水流量，mm³/h；A(t)为地表湿润面积，是时间的函数，mm²。

8.一种土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

地表图像获取单元，用于获取地表图像；

地表湿润面积提取单元，用于提取图像中的土壤湿润区域；

地表湿润面积计算单元，用于根据地表湿润面积图像计算地表湿润面积；

地表湿润面积修正单元，用于对计算得出的地表湿润面积进行修正；

土壤入渗性能计算单元，用于根据地表湿润面积计算土壤入渗性能。

9.如权利要求8所述的土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：

标定单元，用于对由地表湿润面积图像获取单元获取的地表湿润面积图像进行标定。

10.如权利要求9所述的土壤入渗性能的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：

恒流供水单元，用于为所述系统提供流量可调的水流。

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