CN104041397A

CN104041397A - 一种生态护坡植物生长可视化试验装置及其使用方法

Info

Publication number: CN104041397A
Application number: CN201410181916.1A
Authority: CN
Inventors: 曹兆虎; 孔纲强; 周航; 栾鲁宝
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种生态护坡植物生长可视化试验装置及其使用方法。该装置包括透明土、透明模型箱、光学平台、高清相机及计算机。利用水族珠与一定比例的纯净水制配透明土，模拟天然土体。透明模型箱内放置透明土样，并堆积成边坡状态，上铺一层土工格栅，在格栅内均匀播撒不同水生植物种子，接着覆盖一浅层透明土，后均匀喷洒营养液在透明土边坡上，间隔一天喷洒一次，将高清相机固定在光学平台上，每隔24小时对透明模型箱内不同植物生长情况进行拍摄，50天-100天后可得到模型箱内不同植物生长情况的一系列图片，后通过计算机图像技术即可得到植物根系在土样的发展情况，并对不同水生植物的生长进行评价和优化。

Description

一种生态护坡植物生长可视化试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种生态护坡植物生长可视化试验装置及其使用方法。

背景技术

传统的边坡支护及加固防护的措施主要是采用重力式挡墙、悬臂式挡墙、锚杆挡墙支护及锚喷支护等，这类边坡处理技术主要是强调其强度功效，往往忽视了其对环境及生态系统的破坏；为了维护生态系统的平衡，生态护坡技术应运而生，生态护坡作为岩土工程与环境工程相结合的产物，兼顾了防护与环境两方面的功效，既满足了河道护坡功能，又有利于恢复河道护坡系统生态平衡的系统工程。目前，广泛使用的生态护坡技术方法主要有人工种草护坡、液压喷播植草护坡、生态袋护坡、网格生态护坡、以及植被型生态混凝土护坡等。生态护坡的功能主要体现在：植被的深根有锚固作用，浅根有加筋作用，能降低坡底体孔隙水压力，截留降雨，削弱溅蚀，控制土粒流失，同时能促进有机污染物的降解，净化空气，调节气候，恢复被破坏的生态环境。

本发明之前，中国专利“一种环境友好型微生物-植物联合护坡方法”（CN 102677683 A），在土壤中加入植物种子，提出一种芽孢杆菌-植物联合护坡新方法。该种护坡方法成功的将微生物技术引入到护坡工程中；但是目前的护坡方法无法可视化植物的生长及发展过程，也无法对植物的护坡效果进行客观的评价。总体上来讲，经济性强不强，护坡效果好不好这些问题还是没能很好解决。针对这些问题，利用透明土进行护坡植物的培养生长，可对其生长过程以及根系发展过程进行可视化观察。并对不同的水生植物进行优化，选择更适合生态护坡的品种。将透明土技术与生态护坡相结合，实现植物生长过程可视化，这种试验装置及其使用方法，既经济环保，又操作方便，还能满足可视化要求，是未来生态护坡进行植物品种优化及培育的发展趋势。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述护坡技术的不足与缺陷，提出一种生态护坡植物生长可视化试验装置及其使用方法。

一种生态护坡植物生长可视化试验装置，包括透明土，光学平台，透明模型箱，高清相机，植物和计算机，其特征在于：透明土填筑在透明模型箱内，装有透明土的透明模型箱用螺丝固定在光学平台上；透明模型箱的正前方或者正后方设置高清相机并固定在光学平台上；植物种植在透明土中；计算机及图像处理软件处理观测结果。

本发明采用的技术方案为：利用水族珠与一定比例的纯净水制配透明土，模拟天然土体及其内部孔隙通道。透明模型箱内放置透明土样，并堆积成边坡状态，上铺土工格栅一层，将土工格栅两端固定，使其具有一定拉伸状态，在格栅内均匀播撒不同水生植物种子，接着覆盖一浅层透明土，后均匀喷洒营养液在透明土边坡上，间隔一天喷洒一次，将高清相机固定在光学平台相应位置，每隔24小时对透明模型箱内不同植物生长情况进行拍摄，50天-100天后可得到模型箱内不同植物生长情况的一系列图片，后通过计算机图像技术即可得到植物根系在土样的发展情况，并对不同水生植物的生长进行评价和优化。

所述的透明模型箱由树脂玻璃制作而成，上部开口，长600 mm -800 mm、宽200 mm-400 mm、高300 mm-500 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出10 mm，预留螺孔，用于将其固定在光学平台台面上；透明模型箱其中一侧面（观察面）由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化；

所述的光学平台尺寸长1000 mm-2000 mm，宽1000 mm-1500 mm，高800 mm-1000 mm，台面厚度200 mm-400 mm，桌腿截面200 mm × 200 mm；

所述的高清相机分辨率50 w-1000 w，帧数15，帧曝光，曝光时间100 μs - 30 s，高清相机通过底部螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的高清相机视场，整个测试台架固定在光学平台上；

所述的计算机使用的图像处理软件为PIV软件，可处理水生植物生长过程中高清相机拍摄的一系列图片，得到水生植物根系生长的大小，并以此优化选择水生植物。

一种生态护坡植物生长可视化试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）将水族珠颗粒与纯净水按照一定质量比配制透明土，配制时需要充分搅拌，确保饱和，排除透明土体内的气泡，以免影响透明效果；

（2）把透明土移至透明模型箱内，并将透明模型箱固定在光学平台台面上，同时将透明模型箱内的透明土体堆积为边坡状态；

（3）在边坡表层上铺一层土工格栅，将土工格栅两端固定，使其具有一定拉伸状态，然后在格栅内均匀播撒不同水生植物种子，接着覆盖一浅层透明土，后均匀喷洒营养液在透明土边坡上，间隔一天喷洒一次；

（4）将高清相机固定在光学平台上，并正对透明模型箱外表面，每隔24小时对透明模型箱内不同植物生长情况进行拍摄；

（5）50天-100天后可得到透明模型箱内不同植物生长情况的一系列图片，后通过计算机图像技术即可得到植物根系在土样的发展情况，并对不同水生植物的生长进行评价和优化。

所述的透明土由水族珠与纯净水按质量比1:100混合配制而成；

所述的水族珠，又称高吸水性树脂，英文名为Aquabeads，是一种人工合成的具有超强吸水和保水释放能力的高分子聚合物。它能迅速吸收比自身重量数百倍的脱离子水，数十倍至百倍的含盐水分，且无毒无味；主要应用于农作物、植树造林、荒漠种植、果树园艺、无土栽培、景观绿化、草地草坪等方面；

本发明的优点和效果在于：利用水族珠与纯净水制成透明土，并将其运用到生态护坡上用来模拟天然土体及其内部孔隙通道，在模拟的透明土边坡上铺土工格栅，并在格栅内喷洒水生植物种子，并加以营养液培育，在水生植物生长的过程中通过高清相机记录其植物根系的发展情况，实现植物生长过程的可视化，最后通过PIV软件处理高清相机拍摄的植物根系发展情况的图片，可对不同水生植物的生长情况进行评价和优化，并选择最适合边坡加固和支护的植物。与其他传统生态护坡技术相比，实现了植物生长全过程及其根系发展的可视化，并可以客观评价植物生长对护坡的作用，并以此优化选择植物进行边坡支护及加固，此外该技术操作简单，经济可行，可广泛应用于各种植物生长情况评价。

附图说明

图1为本发明的试验装置立面示意图；

图2为本发明的试验装置平面示意图；

其中，1为透明土，2为透明模型箱，3为光学平台，4为土工格栅，5为高清相机，6为计算机。

具体实施方式：

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

首先利用一定质量的水族珠与纯净水按照质量比1：100在常温下混合，并充分搅拌，制成透明土1；在一个平整的场地内，安放光学平台3，调整支架使台面保持平整，本实施例子光学平台3尺寸为1800（长）×1200（宽）×800（高）（单位：mm），台面厚度200 mm，采用四支撑，支架高度600 mm；将透明土1移至透明模型槽2内，并堆积成边坡状态，本实施例子透明模型槽2上部开口，尺寸为600（长）×400（宽）×400（高）（单位：mm），壁厚5 mm，底部对称突出10 mm，预留M 6螺孔，填入透明模型槽2中的透明土1边坡最大高度为300 mm，通过螺栓将透明模型槽2固定在光学平台3的台面上；在透明土1边坡上，铺设土工格栅4，将土工格栅4两端固定，使其具有一定拉伸状态，然后在土工格栅4内播撒不同水生植物的种子，本实施例子共喷洒5种不同水生植物的种子，后再覆盖1-2 cm厚度透明土1一层；在透明土1边坡上，均匀喷洒营养液，间隔一天喷洒一次；将高清相机5固定在光学平台3的台面上，并调整其具体位置，使镜头正对透明模型槽2的观察面，并获得较好的视场，高清相机5分辨率为50 w-1000 w，帧曝光，帧数15，曝光时间100 μs - 30 s，本实施例子高清相机5采用的分辨率为800 w，曝光时间为1 s，与透明模型槽相距200 mm；通过计算机6控制高清相机5拍摄水生植物生长的全过程及其根系发展情况，本实施例子高清相机5每隔24小时对不同植物的生长及其根系发展情况拍摄一次，进行50天，前后共拍摄图片500张；通过计算机6中图像处理软件分析获得的水生植物生长全过程及其根系发展情况图片，比较各种水生植物生长过程及其根系发展程度，评价植物生长对护坡的作用，并以此优化选择植物进行边坡支护及加固。

Claims

1.一种生态护坡植物生长可视化试验装置，包括透明土，光学平台，透明模型箱，高清相机，植物和计算机，其特征在于：透明土填筑在透明模型箱内，装有透明土的透明模型箱用螺丝固定在光学平台上；透明模型箱的正前方或者正后方设置高清相机并固定在光学平台上；植物种植在透明土中；计算机及图像处理软件处理观测结果。

2.根据权利要求1所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置，其特征在于：所述的透明模型箱由树脂玻璃制作而成，上部开口，长600 mm -800 mm、宽200 mm-400 mm、高300 mm-500 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出10 mm，预留螺孔，用于将其固定在光学平台台面上；透明模型箱其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化。

3.根据权利要求1所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置，其特征在于：所述的光学平台尺寸长1000 mm-2000 mm，宽1000 mm-1500 mm，高800 mm-1000 mm，台面厚度200 mm-400 mm，桌腿截面200 mm × 200 mm。

4.根据权利要求1所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置，其特征在于：所述的高清相机分辨率50 w-1000 w，帧数15，帧曝光，曝光时间100 μs - 30 s，高清相机通过底部螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的高清相机视场，整个测试台架固定在光学平台上。

5.根据权利要求1所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置，其特征在于：所述的计算机使用的图像处理软件为PIV软件，可处理水生植物生长过程中高清相机拍摄的一系列图片，得到水生植物根系生长的大小，并以此优化选择水生植物。

6.基于权利要求1所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

7.根据权利要求2所述的一种生态护坡植物生长可视化试验装置的使用方法，其特征在于：所述的透明土由水族珠与纯净水按质量比1:100混合配制而成。