CN102788566A - 一种土壤表面粗糙度测量板及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤表面粗糙度测量板通过在垂直放置的底板前面垂直均匀设置若干探针，每个探针底端套有圆帽，且底端与土壤表面接触，并可根据土壤表面起伏上下移动，探针上段与底板色彩对比度明显。这样通过对土壤表面粗糙度测量板进行拍摄，然后对拍摄的图片进行处理，获取各个探针的实际高度值并计算出表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。土壤表面粗糙度测量板结构比较简单，尺寸不大，便于携带，适用于野外土壤粗糙度测量；另外，通过拍摄获取土壤表面起伏的高度差，采集便利，耗时短，测量效率高；最后，由于探针底端有圆帽，不会插入土壤内部，避免了对土壤表面的破坏。

Description

一种土壤表面粗糙度测量板及测量方法

技术领域

本发明属于遥感土壤参数测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种土壤粗糙度测量板及测量方法。

背景技术

土壤表面粗糙度是表征土壤水文特性和影响土壤性质的一个重要参量。在微波遥感中，土壤表面粗糙度是影响土壤微波散射特性的重要因素，是土壤微波散射模型中的重要参量，也是土壤参数反演的主要参量，因此需要准确评估和测量土壤表面粗糙度。土壤表面粗糙度由均方根高度和相关长度表示，这两个参量分别在垂直方向和水平方向表征了土壤表面的起伏情况，即粗糙度。

土壤表面粗糙度的测量方法通常有接触式和非接触式两种方式。非接触式方法采用激光进行测量，这种测量方法所用的测量装置成本相对较高。接触式测量方法是测量时仪器与土壤接触，接触式方法主要有测针法、链条法和杆尺法。

目前，土壤表面粗糙度测试大多是基于杆尺法的接触式测量方式，虽然其所用测量装置成本较低，但其测量时需要将装置插入土壤内部，这对土壤表面具有一定破坏性，因此测量过程耗时耗力，而且测量的精度和速度都难以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，测量成本较低；携带方便，适用于野外土壤粗糙度测量；数据采集便利，测量效率较高，耗时较短的土壤表面粗糙度测量板及测量方法。

为实现上述发明目的，本发明土壤表面粗糙度测量板，其特征在于，包括垂直放置的底板、若干探针；

所述底板为矩形，长度为0.8~1.2米、高度为0.4~0.6米，且在四个角位置分别设有一个明显的十字标识；

所述的若干探针垂直均匀置于底板前面，在每个探针底端套有圆帽，且底端与土壤表面接触，并可根据土壤表面起伏上下移动；探针顶端针尖形状，探针的上段与底板色彩对比度明显，且与底板色彩对比度明显的探针上段部分的长度大于土壤表面起伏的高度差；

通过高分辨率的数码相机尽可能地以平视的角度拍摄土壤表面粗糙度测量板，获得反映土壤表面粗糙度的照片，然后获得十字标识的像素点坐标，并根据十字标识实际的垂直距离，获得像素点到距离的垂直比例系数；再厚获取照片中各个探针顶端的像素点纵坐标并作高度值，依据垂直比例系数得到实际高度值，该高度值反映了各个探针所在位置的起伏情况；最后根据各个探针的实际高度值计算出表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。

一种土壤表面粗糙度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置在被测土壤表面；

（2）、在距离土壤表面粗糙度测量板4m-5m处用高分辨率数码相机尽可能以平视的角度拍摄粗糙度测量板，获得一张反映土壤表面粗糙度的图片；

（3）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置到被测土壤表面的不同位置，放置方向不限，但要求位置之间不存在重叠区域，用步骤（2）同样的方法拍摄，这样重复，获得20张大于等于反映土壤表面粗糙度的图片；

（4）、对每一张已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片，采用以下方式进行处理：

4.1）、在电脑上用任意一款图像处理软件，如Windows自带的画图软件、ACDSee或Adobe Photoshop，将已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片的分辨率修改到合适大小，修改后的图片像素最好为1280*768，先依次记录土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识的像素点坐标依次记录；然后利用图像处理软件的“裁剪”工具截取包含所有探针完整上段部分的图片；

4.2）、利用图像处理程序对截取包含所有探针完整上段部分的图片首先进行灰度和亮度滤波，并将图片进行二值化处理；然后处理可能出现的同值现象；其中，同值是指不同探针顶端连在一起成为一个点，或异值是同一探针顶端分成了两个点；

4.3）、提取处理后的包含所有探针完整上段部分图片中每个顶端的纵坐标，并确保每个探针顶端提取一个纵坐标，依次存入探针高度的数组；

4.4）、根据土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识之间的实际距离，计算垂直比例系数，完成像素点到实际距离的换算；

式中，Y_scale是垂直比例系数，L_0lift为土壤表面粗糙度测量板左边两个十字标识之间实际的垂直距离，L_0right为土壤表面粗糙度测量板右边两个十字标识之间实际的垂直距离；L_dlift拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中左边两点十字标识之间的像素个数，通过步骤4.1）获得的左边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得，L_dright拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中右边两点十字标识之间的像素个数；通过步骤4.1）获得的右边边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得；

将步骤4.3）得到的数组中的各个表示探针高度的纵坐标乘以垂直比例系数，得到各个探针的实际高度；

（5）、将20张大于等于反映土壤表面粗糙度图片获得的各组探针高度数据依次排序合并为一个探针高度数据表，然后依据探针高度数据表中高度数据计算出表征被测土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度：

均方根高度计算公式为：

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

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i$

式（2）中，s为均方根高度，

为探针高度数据表中高度数据均值，i代表高度数据的序号，z_i表示第i个高度数据，探针高度数据表中高度数据总数；

相关长度计算公式为：

$\hat{V}\left(x_k\right)=\frac{1}{2(N-k)}\underset{i=1}{\overset{i=N-k}{\mathrm{\Σ}}}{(z_{i+k}-z_i)}^2$

$\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)=s^2-\hat{V}\left(x_k\right)$

$\widehat{\mathrm{\ρ}}\left(x_k\right)=\frac{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)}{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(0\right)}=\frac{1}{e}$

式中，

为半变量图（semi-variogram），下标k为间隔的探针个数，x_k为高度数据z_i+k到z_i之间的距离并等于kl_p，l_p为相邻探针之间的间距；

为协方差函数，

为自相关函数，l为相关长度，当自相关函数曲线第一次下降到1/e时对应的距离值x_k即是被测土壤表面的相关长度l。

本发明的目的是这样实现的：

本发明土壤表面粗糙度测量板通过在垂直放置的底板前面垂直均匀设置若干探针，每个探针底端套有圆帽，且底端与土壤表面接触，并可根据土壤表面起伏上下移动，探针上段与底板色彩对比度明显。这样通过对土壤表面粗糙度测量板进行拍摄，然后对拍摄的图片进行处理，获取各个探针的实际高度值并计算出表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。土壤表面粗糙度测量板结构比较简单，尺寸不大，便于携带，适用于野外土壤粗糙度测量；另外，通过拍摄获取土壤表面起伏的高度差，采集便利，耗时短，测量效率高；最后，由于探针底端有圆帽，不会插入土壤内部，避免了对土壤表面的破坏。

附图说明

图1是本发明土壤表面粗糙度测量板一种具体实施方式结构图；

图2是本发明土壤表面粗糙度测量方法一种具体实施方式流程图；

图3是一米测量长度的45个测量数据提取的均方根高度图；

图4是不同采样长度提取的相关长度图；

图5是土壤服从的自相关函数比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明土壤表面粗糙度测量板一种具体实施方式结构图。

在本实施例中，如图4所示，本发明土壤表面粗糙度测量板的包括：垂直放置的底板1、若干探针2；

所述底板1为矩形，其颜色为黑色，长度为1m，高为0.525m；在底板1四个角位置分别设有一个明显的十字标识5、6、7、8，十字标识5、6、7、8作为坐标参考点用于垂直比例系数计算，将像素单位换算为实际长度单位，具体换算如公式（1）所示。

所述的若干探针2垂直均匀置于底板1前面，探针2是长度为400mm，直径为2.5mm-3mm的不锈钢圆柱，底板1前面110根探针2，间距为6mm，这样可以获得足够多的土壤表面采样点，同时探针2有足够大的测量范围。

在每个探针2底端套有圆帽3，且底端与土壤表面接触，圆帽3为2.5mm-3mm的圆形不锈钢螺帽，加不锈钢螺帽的目的是使探针2能与土壤表面接触，但不会插入土壤中。探针2可根据土壤表面起伏上下移动，上下移动范围为±10cm。探针2顶端针尖形状，探针2的上段套有白色热缩管4，这样底板1黑色与探针2的白色上段的对比度就非常明显，白色热缩管4大于土壤表面起伏的高度差。在本实施例中，白色热缩管4的长度为8cm-10cm，直径为3.7mm，土壤表面粗糙度信息即土壤表面起伏的高度差提取时以白色热缩管4为目标，黑色底板1与白色热套管4对比明显，有利于土壤表面粗糙度信息提取。

底板1背面的支撑杆9焊于黑色底板1的背面，用于支撑和固定底板1，使其平稳立于被测土壤表面上。

在本实施例中，如图5所示，本发明土壤表面粗糙度测量方法，包括如下步骤：

步骤ST1：将所述土壤粗糙度测量板平稳放置在被测土壤表面，并要求土壤粗糙度测量板垂直于被测土壤表面，然后用底板后面安装的支撑杆固定土壤粗糙度测量板，使其牢固稳定；

步骤ST2：土壤粗糙度测量板平稳定后，在距离其4m-5m处用高分辨率数码相机尽可能以平视的角度拍摄土壤粗糙度测量板，获得一张反映土壤表面粗糙度的图片；

步骤ST3：将土壤表面粗糙度测量板放置到被测土壤表面的不同位置，放置方向不限，但要求位置之间不存在重叠区域，用同样的方法，即步骤2的方法拍摄，这样重复，获得20张大于等于反映土壤表面粗糙度的图片；

步骤ST4：在电脑上用任意一款图像处理软件，如Windows自带的画图软件、ACDSee或Adobe Photoshop等，将已拍摄土壤表面粗糙度测量板的图片的分辨率修改到合适大小，修改后的图片像素最好为1280*768；

步骤ST5：将土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识5、6、7、8的纵坐标依次记录到命名为“Coordinate”的Excel文件中，按行依次记录拍摄的土壤表面粗糙度测量板图片的四个十字标识的坐标，每一行对应一张土壤表面粗糙度测量板图片上的四个十字标识的坐标，记录形式如表1所示：

表1

表1中，每一行对应粗糙度测量板四个角上十字标识在土壤表面粗糙度测量板图片的纵坐标，单位：像素点个数。

步骤ST6：利用“裁剪”工具截取包含工具截取包含所有探针完整上段部分的图片，即完整保留所有探针顶端的图片，并以“1、2、3、……、n”的文件名称依次另存为扩展名为“.jpg”的图片文件。

步骤ST7：利用图像处理程序对上述对截取包含所有探针完整上段部分的图片首先进行灰度和亮度滤波，并将图片进行二值化处理。

步骤ST8：提取处理后的包含所有探针完整上段部分图片中每个顶端的纵坐标，并处理可能出现的同值或异值现象，确保每个针尖提取一个纵坐标，得到一系列表示探针高度的数组，每张土壤表面粗糙度测量板的图片对应一个数组，保存为命名为“1、2、3、……、n”的txt记事本文件，将这些数组合并为一个数据表，作为计算土壤表面粗糙度的基础，保存在“All value.txt”文件中；

步骤ST9：读出步骤ST5保存的Excel文件“Coordinate”，根据土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识点之间的实际距离，计算计算垂直比例系数。将步骤8中保存的所有数组乘以各自计算的比例系数，完成像素点到实际距离的换算，换算方法如公式（1）所示。

在本实施例中，L_0lift＝289.2mm，L_0right＝289.0mm为土壤表面粗糙度测量板上左边和右边各两个十字标识点之间的垂直距离，为已知值，L_dlift和L_dright图片左边和右边各两点十字标识点之间的像素个数，通过左右、右边两边个两点十字标识的像素点纵坐标相减获得。

步骤ST10：为避免探针长度不同对测量结果的影响，测量时需要对土壤表面粗糙度测量板进行定标，定标时，将土壤表面粗糙度测量板垂直放置在水平光滑的表面上，按照上述方法提取出探针顶端各点的坐标，保存为一记事本文件“Calibration value.txt”，然后将测量土壤表面粗糙度时得到的探针顶端坐标文件“1.txt、2.txt、3.txt、……”的数组分别减去该定标文件“Calibration value.txt”对应的数组，完成定标，即消除测量中的系统误差。

步骤ST11：将20张大于等于反映土壤表面粗糙度图片获得的各组探针高度数据依次排序合并为一个探针高度数据表，然后依据探针高度数据表中高度数据计算出表征被测土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。

数据处理结果分析

目前在测量和计算土壤粗糙度时，对于采样长度和测量点间隔没有明确的界定，而这两个参数直接影响计算得到的土壤粗糙度的结果，本专利的测量方法很好地解决了这一问题。实验选择在同一地块沿同一方向测量了45米，作为计算不同采样长度下均方根高度和相关长度的数据源。

图3给出了均方根高度的提取结果，图中的一个点表示1个测量位置的测量数据提取的均方根高度，每个位置测量长度都是1米，用本实施例的土壤表面粗糙度测量板采集土壤的起伏情况。图1中的45个点表示45个位置的均方根高度，从图1中可知，如果选取1米的测量长度，所得到的均方根高度的值很不稳定，难以确定被测土壤表面的均方根高度，如果将采集的多个位置进行组合后再计算均方根高度，相当于增加采样长度，可以使由高度数据提取的均方根高度趋于稳定，但是需要确定采样长度的最小值和提取结果的关系，以便在测量中确定测量次数，即采样长度。现将45个测量位置获得的数据进行组合，即增加采样长度，然后再提取被测土壤表面的均方根高度，则可以改善提取结果的稳定性，并确定采样长度。

图4给出了均方根高度随采样长度的变化关系，从图2中可知当采样长度较短时，所得到的均方根高度不稳定，不能有效地表征被测土壤表面的均方根高度，当采样长度超过20米后，均方根高度基本达到稳定值。

同理，图5给出了相关长度随采样长度的变化曲线，根据图5中曲线的变化趋势，当采样长度达到20米后，相关长度基本趋于稳定。测量中如果不能连续测量20米，即不能连续沿直线拍摄20张粗糙度测量板的图片，可以沿任意方向采集若干个1米的数据，然后进行组合，效果相同。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种土壤表面粗糙度测量板，其特征在于，包括垂直放置的底板、若干探针；

所述底板为矩形，长度为0.8~1.2米、高度为0.4~0.6米，且在四个角位置分别设有一个明显的十字标识；

所述的若干探针垂直均匀置于底板前面，在每个探针底端套有圆帽，且底端与土壤表面接触，并可根据土壤表面起伏上下移动；探针顶端针尖形状，探针的上段与底板色彩对比度明显，且与底板色彩对比度明显的探针上段部分的长度大于土壤表面起伏的高度差；

通过高分辨率的数码相机尽可能地以平视的角度拍摄土壤表面粗糙度测量板，获得反映土壤表面粗糙度的照片，然后获得十字标识的像素点坐标，并根据十字标识实际的垂直距离，获得像素点到距离的垂直比例系数；再厚获取照片中各个探针顶端的像素点纵坐标并作高度值，依据垂直比例系数得到实际高度值，该高度值反映了各个探针所在位置的起伏情况；最后根据各个探针的实际高度值计算出表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。

2.根据权利要求1所述的土壤表面粗糙度测量板，其特征在于，所述的探针的上段套有白色热缩管，所述的底板为黑色。

3.一种土壤表面粗糙度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置在被测土壤表面；

（2）、在距离土壤表面粗糙度测量板4m-5m处用高分辨率数码相机尽可能以平视的角度拍摄粗糙度测量板，获得一张反映土壤表面粗糙度的图片；

（3）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置到被测土壤表面的不同位置，放置方向不限，但要求位置之间不存在重叠区域，用步骤（2）同样的方法拍摄，这样重复，获得20张大于等于反映土壤表面粗糙度的图片；

（4）、对每一张已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片，采用以下方式进行处理：

4.1）、在电脑上用任意一款图像处理软件，如Windows自带的画图软件、ACDSee或Adobe Photoshop，将已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片的分辨率修改到合适大小，修改后的图片像素最好为1280*768，先依次记录土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识的像素点坐标依次记录；然后利用图像处理软件的“裁剪”工具截取包含所有探针完整上段部分的图片；

4.2）、利用图像处理程序对截取包含所有探针完整上段部分的图片首先进行灰度和亮度滤波，并将图片进行二值化处理；然后处理可能出现的同值现象；其中，同值是指不同探针顶端连在一起成为一个点，或异值是同一探针顶端分成了两个点；

4.3）、提取处理后的包含所有探针完整上段部分图片中每个顶端的纵坐标，并确保每个探针顶端提取一个纵坐标，依次存入探针高度的数组；

4.4）、根据土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识之间的实际距离，计算垂直比例系数，完成像素点到实际距离的换算；

$Y_{\mathrm{scale}}=(\frac{L_{0\mathrm{lift}}}{L_{\mathrm{dlift}}}+\frac{L_{0\mathrm{right}}}{L_{\mathrm{dright}}})/2---\left(1\right)$

式中，Y_scale是垂直比例系数，L_0lift为土壤表面粗糙度测量板左边两个十字标识之间实际的垂直距离，L_0right为土壤表面粗糙度测量板右边两个十字标识之间实际的垂直距离；L_dlift拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中左边两点十字标识之间的像素个数，通过步骤4.1）获得的左边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得，L_dright拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中右边两点十字标识之间的像素个数；通过步骤4.1）获得的右边边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得；

将步骤4.3）得到的数组中的各个表示探针高度的纵坐标乘以垂直比例系数，得到各个探针的实际高度；

（5）、将20张大于等于反映土壤表面粗糙度图片获得的各组探针高度数据依次排序合并为一个探针高度数据表，然后依据探针高度数据表中高度数据计算出表征被测土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度：

均方根高度计算公式为：

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

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i$

式（2）中，s为均方根高度，

为探针高度数据表中高度数据均值，i代表高度数据的序号，z_i表示第i个高度数据，探针高度数据表中高度数据总数；相关长度计算公式为：

$\hat{V}\left(x_k\right)=\frac{1}{2(N-k)}\underset{i=1}{\overset{i=N-k}{\mathrm{\Σ}}}{(z_{i+k}-z_i)}^2$

$\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)=s^2-\hat{V}\left(x_k\right)$

$\widehat{\mathrm{\ρ}}\left(x_k\right)=\frac{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)}{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(0\right)}=\frac{1}{e}$

式中，

为半变量图（semi-variogram），下标k为间隔的探针个数，x_k为高度数据z_i+k到z_i之间的距离并等于kl_p，l_p为相邻探针之间的间距；

为协方差函数，

为自相关函数，l为相关长度，当自相关函数曲线第一次下降到1/e时对应的距离值x_k即是被测土壤表面的相关长度l。

4.根据权利要求3所述的土壤表面粗糙度的测量方法，其特征在于，还包括定标步骤，将土壤表面粗糙度测量板垂直放置在水平光滑的表面上，按照上述方法提取出探针顶端各点的坐标，按步骤1到步骤4.3的方法获得一组探针高度数组作为定标探针高度数组，进行测量时，步骤4.3得到的探针高度数组中各探针的高度还要减去定标探针高度数组对应的探针高度。

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