CN102419248A - 测量土壤风蚀量的装置及方法 - Google Patents

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孙宇瑞
蔡祥
陈世超
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Abstract

本发明涉及风力侵蚀监测技术领域及自动监测技术领域，公开了一种测量土壤风蚀量的装置，包括：支柱(1)，矩形支架(2)，纵向电机(3)，横向支架(4)，横向电机(5)，激光探头(6)；其中，所述矩形支架(2)的四个角由四根所述支柱(1)支撑；所述横向支架(4)的左右两端安装于矩形支架(2)上；所述纵向电机(3)安装于横向支架(4)一侧；所述横向电机(5)安装于横向支架(4)上；所述激光探头(6)固定安装于横向电机(5)的底部。本发明还公开了一种利用上述装置测量土壤风蚀量的方法。本发明能够实现土壤风蚀量的自动测量。

Description

测量土壤风蚀量的装置及方法
技术领域
本发明涉及风力侵蚀监测技术领域及自动监测技术领域，尤其涉及一种测量土壤风蚀量的装置及方法。
背景技术
在中国北方干旱、半干旱及半湿润地区，土壤风蚀成为土地退化的主要原因之一。土壤风蚀造成的土地退化已经严重影响了农业的可持续发展。由于风蚀将地表土壤颗粒进行时空上的重新分布和分选，所以必然会对所作用到的土壤以及与土壤有关的农业生产活动乃至社会经济的发展产生深刻、深远的影响。
风蚀量(或称风蚀速率)是进行分级分类和制定防风蚀措施规划的重要指标和依据之一。由于缺乏合适的观测仪器以及处理这一问题的科学哲学和逻辑学上的困难、一直没有取得满意的结果。目前对于中国北方土壤风蚀量的估算主要有三种途径：第一种途径是野外调查相关地形、地物标志，如风蚀土墩、风蚀坑、建筑物基部风钟出露状况等，估计或确定其年代后再估算风蚀速率；或者在典型调查中选定采样方块采用插针法或地形测量法估算风蚀速率。第二种途径是利用仪器实地观测地表风沙流输沙率，结合风洞实验计算风蚀量。第三种途径是在某些理论假设前提下通过取样分析后用数学方法估算风蚀强度。显然，这些方法都还很不完善，所取得的结果相差十分悬殊，因而只能作为评估区域风蚀相对强弱趋势的一种参考，不能对风蚀做精确的实验分析与预报。应用风洞实验测定的风蚀强度，目前也只能是用定量数据定性地描述试验样品抗风蚀的相对强弱。应用系统仿真方法目前对于变量的选取、边界条件的确定、内部参数间的因果关系等都还不清楚，其结果与实际风蚀量也相差很远。当然，这些方法都是值得进一步研究的，在解决土壤风蚀问题过程中，都不失为有价值的研究途径。
尤其是对于上述第一种方法中，目前尚无测量设备可以通过土壤风蚀微地表变化获取土壤风蚀量的数据，从而导致风蚀量理论计算值与实际值存在较大的误差，成为风蚀研究中的一个关键瓶颈问题。
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：如何实现土壤风蚀量的自动测量。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量土壤风蚀量的装置，包括：支柱，矩形支架，纵向电机，横向支架，横向电机，激光探头；其中，
所述矩形支架由所述支柱支撑；所述横向支架的左右两端安装于矩形支架上；所述纵向电机安装于横向支架一侧；所述横向电机安装于横向支架上；所述激光探头固定安装于横向电机的底部。
其中，所述横向支架能够在矩形支架的宽度方向上移动；所述激光探头能够在横向支架长度方向上移动。
其中，所述矩形支架的宽度方向上的两条边上部为齿条导轨，所述横向支架左右两端通过齿轮安装于矩形支架上。
其中，还包括数据采集与控制器，分别与所述横向电机、纵向电机及激光探头连接。
其中，还包括上位机，与所述数据采集与控制器连接，所述上位机用于处理来自所述数据采集与控制器的数据，以得到土壤风蚀量。
其中，还包括电源，分别与纵向电机、横向电机、激光探头、数据采集与控制器及上位机连接。
其中，所述数据采集与控制器包括：信号调理模块，数据采集模块，数据存储模块，控制模块，数据传输模块；其中，
所述信号调理模块用于接收所述激光探头的信号，对信号进行调理，并将调理后的数据发送至所述数据采集模块；
所述数据采集模块用于采集所述信号调理模块发送的数据，并将该数据发送给所述数据存储模块或所述数据传输模块；
所述数据存储模块用于保存所述数据采集模块采集到的数据，并将数据发送给所述数据传输模块；
所述控制模块用于控制所述纵向电机及所述横向电机的移动；
所述数据传输模块用于将所述数据采集模块或所述数据存储模块发送的数据上传给所述上位机。
本发明还提供了一种利用所述的装置测量土壤风蚀量的方法，包括以下步骤：
S1：将所述装置放置于被测沙土上方，所述数据采集与控制器控制激光探头移动到起始位置；
S2：所述数据采集与控制器控制横向电机沿横向支架从左向右移动，同时实时连续采集激光探头测量到的沙土高度数据并保存；
S3：当激光探头移动到横向支架最右端时，数据采集与控制器按预先设定的距离间隔控制纵向电机驱动横向支架向下移动一个距离间隔；
S4：所述数据采集与控制器控制横向电机沿横向支架从右向左移动，同时实时连续采集激光探头测量到的沙土高度数据并保存；
S5：当激光探头移动到横向支架最左端时，数据采集与控制器按预先设定的距离间隔控制纵向电机驱动横向支架向下移动一个距离间隔；
S6：重复步骤S2-S5，直到横向支架移动到矩形支架的最下端，一个采样周期结束；
S7：所述上位机根据一个采样周期采集到的沙土高度数据，生成被测量区域的三维微地表特征形态数据，并根据所述三维微地表特征形态数据计算出被测区域的沙土容量；
S8：按预先设定的时间间隔，重复步骤S1-S7，开始下一个采样周期，并将两次测量所得的沙土容量相减，得到这一时间间隔内被测区域由于风力侵蚀所产生的风蚀量。
(三)有益效果
本发明通过对纵向电机和横向电机的自动控制，实现了自动测量被测区域的三维微地表特征形态数据，从而可得到被测区域由于风力侵蚀所产生的微地表特征变化，同时自动计算出由此所产生的风蚀量，测量过程自动完成，测量结果准确。本发明所提供的激光土壤风蚀测量仪，适用于野外风蚀监测，尤其适用于在恶劣的环境与气候，无需人工现场操作，即可完成数据采集。
附图说明
图1为本发明实施例的装置的正视图；
图2为本发明实施例的装置的俯视图；
图3为本发明实施例的装置的控制电路原理图；
其中，1：支柱；2：矩形支架；3：纵向电机；4：横向支架；5：横向电机；6：激光探头；7：数据采集与控制器；8：信号线；9：电源；10：上位机；11：信号调理模块；12：数据采集模块；13：数据存储模块；14：控制模块；15：数据传输模块；16：被测沙石。
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。
结合图1～3所示，本发明提供了一种测量土壤风蚀量的装置，在此称为激光土壤风蚀测量仪，包括：支柱1，矩形支架2，纵向电机3，横向支架4，横向电机5，激光探头6；其中，
所述矩形支架2的四个角由四根所述支柱1支撑，测量时被测沙土16位于矩形支架2的下方；所述横向支架4的左右两端通过齿轮安装于矩形支架2上；所述纵向电机3安装于横向支架4一侧；所述横向电机5安装于横向支架4上；所述激光探头6固定安装于横向电机5的底部。
所述矩形支架2的宽度方向上的两条边上部为齿条导轨，因此纵向电机3在数据采集与控制器7的控制下，可驱动所述横向支架4在矩形支架2的宽度方向上纵向移动；横向电机5在数据采集与控制器7的控制下，驱动所述激光探头6在横向支架4长度方向上横向移动。
数据采集与控制器7通过信号线8分别与所述横向电机5纵向电机3及激光探头6连接。
还包括上位机10，与所述数据采集与控制器7连接，上位机10用于处理来自所述数据采集与控制器7的数据，以得到土壤风蚀量(具体的处理方式见下面的方法描述)。上位机10还向数据采集与控制器7下发控制命令，其可以是普通PC机，也可以是可移动终端。
还包括电源9，分别与纵向电机3、横向电机5、激光探头6、数据采集与控制器7及上位机10连接，为它们供电，可以是普通蓄电池，或太阳能供电，或太阳能蓄电池，若采用太阳能电源供电，且数据传输方式采用无线方式，则实现了完全无线功能，特别适合于田间野外不宜布线的工作环境。
所述数据采集与控制器7包括：信号调理模块11，数据采集模块12，数据存储模块13，控制模块14，数据传输模块15；其中，
所述信号调理模块11用于接收所述激光探头6的信号，对信号进行调理，并将调理后的数据发送至所述数据采集模块12；对信号进行调理包括信号放大、滤波、整形等方法，均为现有常用的信号调理方法。
所述数据采集模块12用于采集所述信号调理模块11发送的数据，并将该数据发送给所述数据存储模块13或所述数据传输模块15；
所述数据存储模块13用于保存所述数据采集模块12采集到的数据，并将数据发送给所述数据传输模块15；
所述控制模块14用于控制所述纵向电机3及所述横向电机5的移动；
所述数据传输模块15用于将所述数据采集模块12或所述数据存储模块13发送的数据上传给所述上位机10。数据传输模块15与上位机10的通讯方式可以为普通串行口通讯、USB通讯，或无线传输通讯。
本发明还提供了一种利用上述装置测量土壤风蚀量的方法，包括以下步骤：
S1：将所述装置放置于被测沙土上方，所述数据采集与控制器7按预先设定的参数将激光探头6位置归零(回到起始位置)，即将激光探头6移动到矩形支架2的左上角位置(从俯视图图2来看)；
S2：所述数据采集与控制器7控制横向电机5沿横向支架4从左向右移动(从俯视图图2来看)，同时实时连续采集激光探头6测量到的沙土高度数据并保存；
S3：当激光探头6移动到横向支架4最右端时，数据采集与控制器7按预先设定的距离间隔控制纵向电机3驱动横向支架4向下移动一个距离间隔；
S4：所述数据采集与控制器7控制横向电机5沿横向支架4从右向左移动，同时实时连续采集激光探头6测量到的沙土高度数据并保存；
S5：当激光探头6移动到横向支架4最左端时，数据采集与控制器7按预先设定的距离间隔控制纵向电机3驱动横向支架4向下移动一个距离间隔；
S6：重复步骤S2-S5，直到横向支架4移动到矩形支架2的最下端，一个采样周期结束；
S7：所述上位机根据一个采样周期采集到的沙土高度数据，生成被测量区域的三维微地表特征形态数据，并根据所述三维微地表特征形态数据计算出被测区域的沙土容量；其中，根据高度数据生成三维微地表特征形态可利用MATLAB软件包的mesh函数生成，或是其他软件包的相关功能实现；根据三维微地表形态数据计算沙土容量的方法是根据每个测量点的高度hi乘以该测量点的底面积Si后求和得到：
Figure BDA0000084765230000071
其中n为表示测量点的总个数。
S8：按预先设定的时间间隔，重复步骤S1-S7，开始下一个采样周期，并将两次测量所得的沙土容量相减，得到这一时间间隔内被测区域由于风力侵蚀所产生的风蚀量。
上述过程中，通过上位机10对数据采集与控制器7进行控制，或对预设参数进行修改。
以上所述仅是本发明的实施方式，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 (8)

1.一种测量土壤风蚀量的装置，其特征在于，包括：支柱(1)，矩形支架(2)，纵向电机(3)，横向支架(4)，横向电机(5)，激光探头(6)；其中，
所述矩形支架(2)由所述支柱(1)支撑；所述横向支架(4)的左右两端安装于矩形支架(2)上；所述纵向电机(3)安装于横向支架(4)一侧；所述横向电机(5)安装于横向支架(4)上；所述激光探头(6)固定安装于横向电机(5)的底部。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横向支架(4)能够在矩形支架(2)的宽度方向上移动；所述激光探头(6)能够在横向支架(4)长度方向上移动。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述矩形支架(2)的宽度方向上的两条边上部为齿条导轨，所述横向支架(4)左右两端通过齿轮安装于矩形支架(2)上。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括数据采集与控制器(7)，分别与所述横向电机(5)、纵向电机(3)及激光探头(6)连接。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括上位机(10)，与所述数据采集与控制器(7)连接，所述上位机(10)用于处理来自所述数据采集与控制器(7)的数据，以得到土壤风蚀量。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括电源(9)，分别与纵向电机(3)、横向电机(5)、激光探头(6)、数据采集与控制器(7)及上位机(10)连接。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据采集与控制器(7)包括：信号调理模块(11)，数据采集模块(12)，数据存储模块(13)，控制模块(14)，数据传输模块(15)；其中，
所述信号调理模块(11)用于接收所述激光探头(6)的信号，对信号进行调理，并将调理后的数据发送至所述数据采集模块(12)；
所述数据采集模块(12)用于采集所述信号调理模块(11)发送的数据，并将该数据发送给所述数据存储模块(13)或所述数据传输模块(15)；
所述数据存储模块(13)用于保存所述数据采集模块(12)采集到的数据，并将数据发送给所述数据传输模块(15)；
所述控制模块(14)用于控制所述纵向电机(3)及所述横向电机(5)的移动；
所述数据传输模块(15)用于将所述数据采集模块(12)或所述数据存储模块(13)发送的数据上传给所述上位机(10)。
8.一种利用权利要求5或6所述的装置测量土壤风蚀量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所述装置放置于被测沙土上方，所述数据采集与控制器(7)控制激光探头(6)移动到起始位置；
S2：所述数据采集与控制器(7)控制横向电机(5)沿横向支架(4)从左向右移动，同时实时连续采集激光探头(6)测量到的沙土高度数据并保存；
S3：当激光探头(6)移动到横向支架(4)最右端时，数据采集与控制器(7)按预先设定的距离间隔控制纵向电机(3)驱动横向支架(4)向下移动一个距离间隔；
S4：所述数据采集与控制器(7)控制横向电机(5)沿横向支架(4)从右向左移动，同时实时连续采集激光探头(6)测量到的沙土高度数据并保存；
S5：当激光探头(6)移动到横向支架(4)最左端时，数据采集与控制器(7)按预先设定的距离间隔控制纵向电机(3)驱动横向支架(4)向下移动一个距离间隔；
S6：重复步骤S2-S5，直到横向支架(4)移动到矩形支架(2)的最下端，一个采样周期结束；
S7：所述上位机根据一个采样周期采集到的沙土高度数据，生成被测量区域的三维微地表特征形态数据，并根据所述三维微地表特征形态数据计算出被测区域的沙土容量；
S8：按预先设定的时间间隔，重复步骤S1-S7，开始下一个采样周期，并将两次测量所得的沙土容量相减，得到这一时间间隔内被测区域由于风力侵蚀所产生的风蚀量。
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