CN102706295B - 一种地表粗糙度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表粗糙度测量系统及测量方法，包括：支撑装置，用于支撑电动装置、激光测距装置、倾角测量装置；电动装置，在控制处理装置的控制下用于使激光测距装置在支撑装置的水平方向上均匀移动；激光测距装置，其照射方向铅垂向下，在控制处理装置的控制下用于测量与地面点的距离，并将测量值反馈给控制处理装置；通讯装置，用于保证激光测距装置与控制处理装置之间的数据通讯；倾角测量装置，用于测量支撑装置与水平方向的倾角；控制处理装置，用于整个系统的控制，通过发送指令控制电动装置和激光测距装置的工作，接受并存储测量数据，并计算粗糙度参数。本发明采用非接触式法测量，测量方式垂直向下，适合各种复杂地表且破坏地表。

Description

一种地表粗糙度测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及地表三维信息测量领域，具体地，涉及一种地表粗糙度测量系统及测量方法。

背景技术

作为微波遥感领域研究的重点之一，地表粗糙度与地物介电特性一起共同影响影响雷达波的后向散射特征，因此为了建立正确的地表微波散射模型进而推动微波遥感定量应用，就必须正确描述地表粗糙度参数，而测量这些地表参数是最为关键的步骤。描述粗糙面的统计量主要是均方根高度和相关长度，这两个参数分别是从垂直和水平的尺度上对地表粗糙度进行限定。

对于一个给定的随机粗糙面，对入射光波来说可能呈现的很粗糙，而对微波电磁波而言却可能呈现得很光滑，这主要因为随机表面的粗糙度是以波长为度量单位的统计参数来表征的。实际地物的粗糙度参数只能通过粗糙度的定义，设计实验仪器，通过实地测量和数据处理得到。

粗糙度测量主要有接触法和非接触法两种，接触法主要包括针式廓线法、板式廓线法，非接触法包括利用激光测距仪获得地面起伏及利用光学摄影测量技术获取地表粗糙度，其中：

（1）针式廓线法：测量装置为针式粗糙度测量仪，由面板(如木板、金属板)、探针和金属杆构成。金属杆横向设置在面板上，金属杆上分布有等间距的小孔，用以摆放探针。当把粗糙度测量板垂直摆放在地表时，将等长度的探针逐一、小心、垂直地插入金属杆上的小孔内，探针的探头部分与地表接触，而探针尾部则在面板上刻画出近似连续的地表高度起伏状况。用数码相机记录下探针尾部在面板上形成的地表轮廓，然后进行数字化，将图形转换到（x,y）坐标系内，得到各点的高程值，就可计算所测地表的粗糙度参数了。针式粗糙度测量仪造价相对低廉，因此在地表粗糙度的各类实验中应用较多。该方法的不足之处在于：测量时探针与地面接触对地面的原始状态有微小的改变，探针之间并不能做到完全平行，针尖的形状等都影响测量精度；同时粗糙度板制作长度有限。此外，探针之间的间隔固定无法调节。

（2）板式廓线法：测量装置为板式粗糙度测量仪，该方法是将平整剖面板插入地表，再用相机拍摄剖面板与地表的交界线，将照片数字化后在剖面上每隔一定距离取离散的点，最后用离散数据的计算均方差高度和表面相关长度。该方法的不足之处在于：测量时需要将整个板面插入地表，破坏了地表结构，给测量结果带来一定误差；此外当测量地表太坚硬而无法插入地表时，该方法则不能测量。

（3）利用激光测距仪获得地面起伏：申请号为201010100771.X的发明专利“地表粗糙度测量装置及地表粗糙度测量方法”公开了以下内容，将激光测距仪放在待测量地面上空某一点，该点与地面高度已知。当测距仪测量方向与铅垂方向的夹角已知时，则可以得到该测量点相对于激光测距仪的坐标。通过摆动测距仪，可以得到一条剖面线上采样点的坐标。最后将所有的采样点代入公式计算均方根高度和相关长度。该方法不能保证采样点数在水平方向均匀分布，采样点距离激光测距仪越远，则采样间隔越大；此外，该测量方法不再适用地面起伏较大的情况，因为在距离激光测距仪测量点会被较较近的地物遮挡，从而无法准确测量地面点的坐标。

（4）利用光学摄影测量技术获取地表粗糙度：申请号为201010554026.2的发明专利“地表粗糙度测试仪”公开了如下内容：包括电动移动单元、调整支架平台单元、成像单元和电脑；其中电动移动单元固接在调整支架平台单元台面上，成像单元与电动移动单元固定连接后，面对地面置于调整支架平台单元的下面，在电脑的控制下，电动移动单元带动成像单元完成对被测区域的扫描成像，经处理后得到被测地面的三维空间坐标信息，从而方便的计算出地表粗糙度参数。其中，成像单元包括一个激光测距仪及位于其两侧的两个CCD相机。该方法在野外操作过程中灵活性较差，在测量过程中需要调整平整，效率不高；此外，该测量方法不适用地面起伏较大的情况，同时获得的两幅图像中，有些地表点在一幅图像中存在，由于遮挡效应，该地表点在另外一幅图像中不存在，从而导致该技术方法的实用性降低。

发明内容

本发明的一个目的在于能够提供一种可满足各种复杂地表粗糙度测量的系统。

本发明的另一个目的在于基于上述测量系统提供一种地表粗糙度的测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地表粗糙度测量系统，包括支撑装置、电动装置、激光测距装置、通讯装置、倾角测量装置及控制处理装置，其中：支撑装置，用于支撑电动装置、激光测距装置、倾角测量装置；电动装置，在控制处理装置的控制下用于使激光测距装置在支撑装置的水平方向上均匀移动；激光测距装置，其照射方向铅垂向下，在控制处理装置的控制下用于测量与地面点的距离，并将测量值反馈给控制处理装置；通讯装置，用于保证激光测距装置与控制处理装置之间的数据通讯；倾角测量装置，用于测量支撑装置与水平方向的倾角；控制处理装置，用于整个系统的控制，通过发送指令控制电动装置和激光测距装置的工作，接受并存储测量数据，并计算粗糙度参数。

进一步地，所述支撑装置包括水平支撑杆、水平导轨和支架，水平支撑杆与支架顶端连接，水平导轨连接在水平支撑杆下方。

进一步地，所述水平支撑杆与支架顶端为可拆卸连接，水平导轨与水平支撑杆为可拆卸连接，且上述三部分拆卸后的最大长度小于1.2米。

进一步地，所述支架为4条，在每条支架中间处设置有可以调节支架长度的调节螺纹。

进一步地，所述电动装置包括步进电机及与步进电机连接的步进电机控制器，且所述步进电机包含直流电源为步进电机控制器提供能源。

进一步地，所述激光测距装置包括激光测距仪、托盘及电源；所述激光测距仪通过托盘安装在支撑装置的水平导轨上。

进一步地，所述通讯装置为无线通讯模块，所述控制处理装置包含电脑。

一种地表粗糙度的测量方法，包括如下步骤：

（1）架设好支撑装置之后将其放在待测地表之上；

（2）记录倾角测量装置的倾角值；

（3）通过控制处理装置中电脑软件来初始化程序，并设置测量参数和倾角值，最后完成地表粗糙度参数的自动采集和处理。

进一步地，所述步骤（2）中，先通过调整支撑装置的支架中间的调节螺纹使支撑装置的水平支撑杆与水平方向夹角小于1°，然后再记录倾角测量装置的倾角值。

进一步地，所述步骤（3）具体为：

（1）控制处理装置执行系统初始化，将激光测距装置放在起始位置；设置测量长度及采样间隔；将倾角测量装置测量的倾角数据输入控制处理装置的软件中；

（2）电动装置的步进电机在控制处理装置及步进电机控制器的指令下转动，带动激光测量装置在制定的步长、速度和范围内作直线匀速运动；

（3）数据测量及存储：控制处理装置通过通讯装置发送指令，激光测距装置的激光测距仪向待测地表发射激光，当接收到地表反射的能量后，将结果值z通过通讯装置反馈给控制处理装置并存储，与此同时，控制处理装置将电动装置中的步进电机行进的距离x也一起存储；当没有接收到地面反射的能量时，则直接跳到下一个测量点；整个测量结束后，既可以得到坐标数据集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}，其中N为测量的点数；

（4）数据的显示和计算：利用数据集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}和倾角既可以得到测量地表一条剖面线上高度分布，然后将高度分布绘制在屏幕上，并利用公式计算粗糙度参数；

其中，所述粗糙度参数计算公式如下：

（1）均方根高度计算：假设一表面在xy平面内，其中一点(x,y)的高度为z(x,y)，在表面上取统计意义上有代表性的一块，尺度分别为L_x和L_y，并假设这块平面的中心处于原点，则该表面平均高度为:

$\bar{z}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{\displaystyle {\∫}_{?L_y/2}^{L_y/2}z(x,y)dxdy}}$

其二阶矩为：

$\overline{z^2}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{\displaystyle {\∫}_{?L_y/2}^{L_y/2}{z}^2(x,y)dxdy}}$

表面高度的标准偏差，即均方根高度σ 就为：

$\mathrm{\σ}={(\overline{z^2}?{\bar{z}}^2)}^{1/2}$

对于一维离散数据其表面高度的标准偏差为：

$\mathrm{\σ}={\{\frac{1}{N?1}[{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{z}_i{}^2}?N{(\bar{z})}^2]\}}^{1/2}$

式中，N为采样数目；

（2）相关长度计算：一维表面剖视值z(x)的归一化自相关函数可以定义为：

$\mathrm{\ρ}(x\text{'})=\frac{{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}z(x)z(x+x\text{'})dx}}{{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{z}^2(x)dx}}$

它是x点的高度在z(x)与偏离x的另一点z＇的高度z(x+x＇)之间相似性的一种度量，对于离散数据，相距x＇=(j-1)Δx的归一化自相关函数由下式给出，其中j为自然数:

当相关函数时的间隔x＇的值被称为表面相关长度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用激光测距装置测量地表粗糙度，激光测距装置水平移动且其照射方向垂直向下，不会出现地物表面相互遮挡的现象，适用于各种起伏状况地表粗糙度参数测量。

（2）同时，本发明由于采用激光测距装置垂直照射地表，避免了针式粗糙度测量仪探针不平行的缺陷。

（3）本发明采用非接触式测量，避免了针式粗糙度测量仪及板式粗糙度测量仪会对地表结构造成破坏的缺陷。

（4）相对于针式粗糙度测量仪采样间隔和测量长度固定的缺陷，该方法的采样间隔和测量长度都可以调节，适用于不同精度的测量需求。

（5）该测量装置轻易拆卸和组装，使用方便，适合于野外测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的地表粗糙度测量系统的结构示意图。

图2为本发明的地表粗糙度测量系统的电控原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种地表粗糙度测量系统包括：支撑装置、电动装置、激光测距装置、通讯装置7、倾角测量装置8及控制处理装置11，其中：

支撑装置，为整个测量系统的支撑主体，用于支撑电动装置、激光测距装置、倾角测量装置8；其组成包括：水平支撑杆1、水平导轨2和支架3，水平支撑杆1与支架3顶端连接，水平导轨2连接在水平支撑杆1下方；并且这三部分都可以轻易拆卸和组装，拆卸后的最大长度小于1.2米。为了保证该测量系统的稳定，支架3一共有四条，在支架3中间处有可以调节支架3长度的调节螺纹4。

电动装置，固定在支撑装置上，在控制处理装置11的控制下用于使激光测距装置在支撑装置的水平方向上均匀移动；其组成包括：步进电机9及与步进电机9连接的步进电机控制器10。

激光测距装置，其照射方向铅垂向下，在控制处理装置11的控制下用于测量与地面点的距离，并将测量值反馈给控制处理装置11；其组成包括：激光测距仪6、托盘5及电源；激光测距仪6通过托盘5安装在支撑装置的水平导轨2上。该装置在电动装置的驱动下沿着水平导轨2方向移动，从而测量整条剖面线上所有点的高度。激光测距仪6测点光斑很小，测量精度高，鉴于该仪器为本领域技术人员所公知的，并且可以轻易购买到，在此不作特殊说明。

通讯装置7，为无线通讯模块，用于保证激光测距装置与控制处理装置11之间的数据通讯；

倾角测量装置8，用于测量支撑装置与水平方向的倾角；

控制处理装置11，为该测量系统的总控制装置，包含电脑，通过发送指令控制电动装置和激光测距装置的工作，接受并存储测量数据，并计算粗糙度参数。具体电控原理如图2所示：

电脑与步进电机控制器通过RS232通讯连接，步进电机含有直流电源为步进电机控制器提供能源，步进电机通过电脑及步进电机控制器的控制进行动作；另外，在电脑上还通过USB通讯连接有无线通讯模块，激光测距仪侧还连接有由直流电源（+5V）提供能源的无线通讯模块，电脑通过无线通讯模块控制激光测距仪工作。

本发明的一种地表粗糙度的测量方法，包括如下步骤：

（1）架设好支撑装置之后将其放在待测地表之上；

（2）通过调整支撑装置的支架中间的调节螺纹使支撑装置的水平支撑杆与水平方向夹角小于1°，记录倾角测量装置的倾角值；

（3）通过控制处理装置中电脑软件来初始化程序，并设置测量参数和倾角值，最后完成地表粗糙度参数的自动采集和处理，具体为：

（1）控制处理装置执行系统初始化，将激光测距装置放在起始位置；设置测量长度及采样间隔；将倾角测量装置测量的倾角数据输入控制处理装置的软件中；

（2）电动装置的步进电机在控制处理装置及步进电机控制器的指令下转动，带动激光测量装置在制定的步长、速度和范围内作直线匀速运动；

（3）数据测量及存储：控制处理装置通过通讯装置发送指令，激光测距装置的激光测距仪向待测地表发射激光，当接收到地表反射的能量后，将结果值z通过通讯装置反馈给控制处理装置并存储，与此同时，控制处理装置将电动装置中的步进电机行进的距离x也一起存储；当没有接收到地面反射的能量时，则直接跳到下一个测量点；整个测量结束后，既可以得到坐标数据集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}，其中N为测量的点数；

（4）数据的显示和计算：利用数据集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}和倾角既可以得到测量地表一条剖面线上高度分布，然后将高度分布绘制在屏幕上，并利用公式计算粗糙度参数；

其中，所述粗糙度参数计算公式如下：

（1）均方根高度计算：假设一表面在xy平面内，其中一点(x,y)的高度为z(x,y)，在表面上取统计意义上有代表性的一块，尺度分别为L_x和L_y，并假设这块平面的中心处于原点，则该表面平均高度为:

$\bar{z}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{\displaystyle {\∫}_{?L_y/2}^{L_y/2}z(x,y)dxdy}}$

其二阶矩为：

$\overline{z^2}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{\displaystyle {\∫}_{?L_y/2}^{L_y/2}{z}^2(x,y)dxdy}}$

表面高度的标准偏差，即均方根高度σ 就为：

$\mathrm{\σ}={(\overline{z^2}?{\bar{z}}^2)}^{1/2}$

对于一维离散数据其表面高度的标准偏差为：

$\mathrm{\σ}={\{\frac{1}{N?1}[{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{z}_i{}^2}?N{(\bar{z})}^2]\}}^{1/2}$

式中，N为采样数目；

（2）相关长度计算：一维表面剖视值z(x)的归一化自相关函数可以定义为：

$\mathrm{\ρ}(x\text{'})=\frac{{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}z(x)z(x+x\text{'})dx}}{{\displaystyle {\∫}_{?L_x/2}^{L_x/2}{z}^2(x)dx}}$

它是x点的高度在z(x)与偏离x的另一点z＇的高度z(x+x＇)之间相似性的一种度量，对于离散数据，相距x＇=(j-1)Δx的归一化自相关函数由下式给出，其中j为自然数:

$\mathrm{\ρ}(x\text{'})={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{N+1?j}{\∑}}{z}_i{z}_{j+i?1}}/{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{z}_i{}^2}$

当相关函数时的间隔x＇的值被称为表面相关长度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种地表粗糙度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)架设好支撑装置之后将其放在待测地表之上；

(2)记录倾角测量装置的倾角值；

(3)通过控制处理装置中电脑软件来初始化程序，并设置测量参数和倾角值，最后完成地表粗糙度参数的自动采集和处理，所述步骤(3)具体为：

①控制处理装置执行系统初始化，将激光测距装置放在起始位置；设置测量长度及采样间隔；将倾角测量装置测量的倾角数据输入控制处理装置的软件中；

②电动装置的步进电机在控制处理装置及步进电机控制器的指令下转动，带动激光测距装置在制定的步长、速度和范围内作直线匀速运动；

③数据测量及存储：控制处理装置通过通讯装置发送指令，激光测距装置的激光测距仪向待测地表发射激光，当接收到地表反射的能量后，将结果值z通过通讯装置反馈给控制处理装置并存储，与此同时，控制处理装置将电动装置中的步进电机行进的距离x也一起存储；当没有接收到地面反射的能量时，则直接跳到下一个测量点；整个测量结束后，即可以得到坐标数据集{(x_i,z_i)|i＝1,2,L N}，其中N为测量的点数；

④数据的显示和计算：利用数据集{(x_i,z_i)|i＝1,2,L N}和倾角即可以得到测量地表一条剖面线上高度分布，然后将高度分布绘制在屏幕上，并利用公式计算粗糙度参数；

其中，所述粗糙度参数计算公式如下：

①均方根高度计算：假设一表面在xy平面内，其中一点(x,y)的高度为z(x,y)，在表面上取统计意义上有代表性的一块，尺度分别为L_x和L_y，并假设这块平面的中心处于原点，则该表面平均高度为:

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\∫}_{-L_x/2}^{L_x/2}{\∫}_{-L_y/2}^{L_y/2}z(x,y)\mathrm{dxdy}$

其二阶矩为：

$\stackrel{\‾}{z^2}=\frac{1}{L_x{L}_y}{\∫}_{-L_x/2}^{L_x/2}{\∫}_{-L_y/2}^{L_y/2}{z}^2(x,y)\mathrm{dxdy}$

表面高度的标准偏差，即均方根高度σ就为：

$\mathrm{\σ}={(\stackrel{\‾}{z^2}-\stackrel{-2}{z})}^{1/2}$

对于一维离散数据其表面高度的标准偏差为：

$\mathrm{\σ}={\left\{\frac{1}{N-1}\right[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z_i}^2-N{\left(\stackrel{\‾}{z}\right)}^2\left]\right\}}^{1/2}$

式中N为采样数目；

②相关长度计算：一维表面剖视值z(x)的归一化自相关函数定义为：

$\mathrm{\ρ}\left(x^{\′}\right)=\frac{{\∫}_{-L_x/2}^{L_x/2}z\left(x\right)z(x+x^{\′})\mathrm{dx}}{{\∫}_{-L_x/2}^{L_x/2}{z}^2\left(x\right)\mathrm{dx}}$

它是x点的高度在z(x)与偏离x的另一点z'的高度z(x+x')之间相似性的一种度量，对于离散数据，相距x'＝(j-1)Δx的归一化自相关函数由下式给出，其中j为自然数:

$\mathrm{\ρ}\left(x^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{N+1-j}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i{z}_{j+i-1}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z_i}^2$

当相关函数时的间隔x'的值被称为表面相关长度。

2.根据权利要求1所述的地表粗糙度的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，先通过调整支撑装置的支架中间的调节螺纹使支撑装置的水平支撑杆与水平方向夹角小于1°，然后再记录倾角测量装置的倾角值。