CN104155426A - 一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法 - Google Patents

一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法，土壤溅蚀监测系统的溅蚀盘和降雨监测系统的视频雨滴谱仪之间的距离保持在3至5米之内，保证所在降雨区域的一致性，所受降雨的各项参数保持一致，能够更精确的进行雨滴动能的测算、溅蚀量的采样，以及雨滴动能和溅蚀量之间关系表达式的建立，从而能够更精确地预测在选定降雨区域的土壤溅蚀量。操作方便，测控精度高，利用雨滴谱生成雨滴质量和速度数据，具有精度高、速度快、效率高、能清晰再现次降雨过程的雨滴质量、速度等优点，应用范围广。

Description

一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法
技术领域
本发明涉及用于土壤侵蚀基础技术领域，特别涉及一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法。
背景技术
水土流失造成生态环境恶化，会制约经济社会发展。水力侵蚀是世界范围内分布最广泛的一种土壤侵蚀形式，其中溅蚀是水力侵蚀的重要类型之一。
土壤溅蚀定量是水土保持的基础而又极为重要的内容，传统的土壤溅蚀动力监测方法包括雨量筒、自动雨量计，监测的降雨指标包括降雨量、降雨历时，可获取降雨强度。传统的土壤溅蚀动力监测方法只能估算土壤侵蚀动力，容易产生较大的误差，影响土壤溅蚀预报模型的精度。土壤溅蚀的理论研究及计算相对滞后，以至于不能准确进行水土流失量计算，无法为水土流失的综合防治提供技术支撑。
视频雨滴谱仪是一种降雨监测装置，可以测得降雨的多项参数，因此需要一种将其应用在土壤溅蚀动力定量监测中的系统，提高特定降雨量下土壤溅蚀量的预测效率，并通过方法提高相应的预测精度。
发明内容：
本发明要针对上述背景技术存在的问题，提供一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法，结合了土壤溅蚀监测系统和降雨监测系统，用降雨监测系统监测降雨参数并与土壤溅蚀量结合进行定量分析，为土壤溅蚀研究提供一种快速、准确、可靠的实验技术观测系统，提高土壤侵蚀手段的科技含量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种土壤溅蚀动力定量监测系统，包括设置于室外的土壤溅蚀监测系统和降雨监测系统，土壤溅蚀监测系统包括溅蚀盘，溅蚀盘设置在溅蚀盘固定平台上，降雨监测系统包括视频雨滴谱仪，视频雨滴谱仪设置在雨滴谱仪固定平台上，溅蚀盘和视频雨滴谱仪之间的直线距离为3米至5米，视频雨滴谱仪的信号输出端用于连接处理器，视频雨滴谱仪和处理器分别与电源连接；视频雨滴谱仪包括设置在视频雨滴谱仪盒体内的雨滴影像成像系统，以及垂直贯通视频雨滴谱仪盒体的立方体形监测井；雨滴影像成像系统包括照明装置、反射镜和摄像装置，照明装置和反射镜分别设置在监测井相对两个侧壁与盒体侧壁之间的空隙处，两个相对的侧壁上设有狭缝，照明装置发出的光线穿过两个侧壁上的狭缝投射到反射镜上，再由反射镜将影像反射到摄像装置，摄像装置将影像内容传递到视频雨滴谱仪内的数据处理系统。
较佳地，土壤溅蚀监测系统包括三个溅蚀盘，分别为细沙溅蚀盘、未碾磨土溅蚀盘和碾磨土溅蚀盘。
较佳地，雨滴谱仪固定平台和溅蚀盘固定平台为水泥或钢架制成的固定平台。
较佳地，视频雨滴谱仪内设有两套雨滴成像系统。
一种土壤溅蚀动力定量监测方法：通过土壤溅蚀监测系统采样得到采样土壤溅蚀量A；通过视频雨滴谱仪采集雨滴个数、雨滴质量和雨滴速度，计算得到采样雨滴动能Ek；计算采样土壤溅蚀量A和采样雨滴动能Ek之间的关系表达式A＝f(Ek)；需要对特定区域进行实际土壤溅蚀量预测时，通过视频雨滴谱仪采集实际雨滴参数，计算出实际雨滴动能，并将实际雨滴动能带入表达式A＝f(Ek)，即可得到实际土壤溅蚀量。
较佳地，雨滴动能的计算方法为式中Ek为雨滴动能，i为雨滴的个数，mi为第i个雨滴的质量，vi为第i个雨滴的速度。
较佳地，关系表达式A＝f(Ek)为A＝a+b·Ek或式中，a、b为常数，e为指数。
本发明的一种土壤溅蚀动力定量监测系统和方法，操作方便，测控精度高，利用雨滴谱生成雨滴质量和速度数据，具有精度高、速度快、效率高、能清晰再现次降雨过程的雨滴质量、速度等优点，应用范围广。雨滴动能作为土壤溅蚀的动力条件，视频雨滴谱系统监测直接获取，尤其建立雨滴动能与土壤溅蚀量之间的关系，可为土壤侵蚀预报提供新的技术手段。土壤溅蚀监测系统的溅蚀盘和降雨监测系统的视频雨滴谱仪之间的距离保持在3至5米之内，保证所在降雨区域的一致性，所受降雨的各项参数保持一致，能够更精确的进行雨滴动能的测算、溅蚀量的采样，以及雨滴动能和溅蚀量之间关系表达式的建立，从而能够更精确地预测在选定降雨区域的土壤溅蚀量。设置三个溅蚀盘，可以对不同的土壤在相同降雨环境下的溅蚀量进行采样，为不同土壤环境在选定降雨区域的溅蚀量预测提供计算参数。用水泥或钢架制成溅蚀盘固定平台和雨滴谱仪固定平台，可以使溅蚀盘和雨滴谱仪更稳定，所获参数更加精确。采用两套雨滴成像系统的视频雨滴谱仪对监测井内降雨情况进行监测，可以获取更精确的影像数据。
附图说明
图1为本发明实施例土壤溅蚀监测系统和降雨监测系统的结构示意图
图2为本发明实施例视频雨滴谱仪的雨滴影像成像系统的结构示意图
图中：1、土壤溅蚀监测系统，2、降雨监测系统，3、细沙溅蚀盘，4、未碾磨土溅蚀盘，5、碾磨土溅蚀盘，6、视频雨滴谱仪，7、第一照明装置，8、第一反射镜，9、第一摄像装置，10、第二照明装置，11、第二反射镜，12、第二摄像装置，13、监测井，14、视频雨滴谱仪盒体，15、处理器，16、电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例的一种土壤溅蚀动力定量监测系统包括设置于室外的土壤溅蚀监测系统1和降雨监测系统2。
土壤溅蚀监测系统1包括溅蚀盘，溅蚀盘设置在溅蚀盘固定平台上，包括三个溅蚀盘，分别为细沙溅蚀盘3、未碾磨土溅蚀盘4和碾磨土溅蚀盘5，分别用来测量细沙、未碾磨土和碾磨土的溅蚀量。设置三个溅蚀盘，可以对不同的土壤在相同降雨环境下的溅蚀量进行采样，为不同土壤环境在选定降雨区域的溅蚀量预测提供计算参数。实践中，还可以采用三个以上的溅蚀盘盛装其他土壤样品。
降雨监测系统2包括设置在室外的视频雨滴谱仪6，视频雨滴谱仪6设置在雨滴谱仪固定平台上，视频雨滴谱仪6设置在雨滴谱仪固定平台上，三个溅蚀盘和视频雨滴谱仪6之间的直线距离在3米至5米之内，视频雨滴谱仪6的信号输出端连接于处理器15，视频雨滴谱仪6和处理器15分别与电源16连接。
用水泥或钢架制成溅蚀盘固定平台和雨滴谱仪固定平台，视频雨滴谱仪6和溅蚀盘分别设置在雨滴谱仪固定平台和溅蚀盘固定平台上，这样可以使溅蚀盘和雨滴谱仪的更稳定，所获参数更加精确。
视频雨滴谱仪6内设有两套雨滴影像成像系统，第一套雨滴影像成像系统包括第一照明装置7、第一反射镜8和第一摄像装置9，第二套雨滴影像成像系统包括第二照明装置10、第二反射镜11和第二摄像装置12。本实施例的两套雨滴成像系统的光线之间承90度直角交叉。这样设置的两套雨滴成像系统一方面使得数据更加全面，而且可以对交叉区域的降雨参数进行多方位多角度的测量。
视频雨滴谱仪6中部设有垂直贯通视频雨滴谱仪盒体14的立方体形监测井13；监测井13即测量区域，监测井13的四个侧壁均设有位置对应的狭缝，雨滴影像成像系统包括照明装置、反射镜和摄像装置，照明装置和反射镜分别设置在监测井13相对两个侧壁与盒体侧壁之间的空隙处。第一照明装置7发出光线穿过相对两个侧壁上的狭缝将雨滴的影像投射到第一反射镜8，第一反射镜8将雨滴的影像再投射到第一摄像装置9，第二照明装置10发出光线穿过相对两个侧壁上的狭缝将雨滴的影像投射到第二反射镜11，第二反射镜11将雨滴的影像再投射到第二摄像装置12，第一摄像装置9和第二摄像装置12将接受到的雨滴影像传递到视频雨滴谱仪6的数据处理部分，最终输出至处理器15。
雨滴影像成像系统对测量区域的图像进行线形扫描成像，测定对象最小直径达到0.19mm，测量区域达到100mm x100mm，垂直分辨率0.19mm、垂直速率精度4％。
本实施例利用土壤溅蚀动力定量监测系统进行土壤溅蚀量监测的方法为：
第一，通过土壤溅蚀监测系统1采样得到采样土壤溅蚀量A。
用泥样采样器采集溅蚀盘中的泥土，把样品倒入广口瓶，将浑水样倒入泥沙烘干盒，用烘箱烘干，使用天平称重，即得到土壤溅蚀量。本实施例包括三种土壤采样装置，包括细沙溅蚀盘3、未碾磨土溅蚀盘4和碾磨土溅蚀盘5，需要采样哪种土壤的溅蚀量即对相应溅蚀盘中的细沙、未碾磨土或碾磨土进行采样。
第二，用视频雨滴谱仪6采集雨滴个数、雨滴质量和雨滴速度，计算在上述采样土壤溅蚀量A情况下的雨滴动能。
滴动能的计算方法为式中Ek为雨滴动能，i为雨滴的个数，mi为第i个雨滴的质量，vi为第i个雨滴的速度。
当降水粒子穿过监测井13也即测量区域时，视频雨滴谱仪6的雨滴成像系统能过快速扫描图像来获取降水粒子的速度和三维形象等信息，视频雨滴谱仪6利用体积积分和谱分布的方法，以定性定量自动记录和分析降水过程、监测降雨详细情况的精密仪器，可测定降水的总量、大小、强度、运动速度、雨滴大小形状及雨滴谱分布等，对采集的雨滴粒径和速度数据进行处理转换，输出雨滴质量、水平速度以及垂直速度数据。
第三，计算采样土壤溅蚀量A和采样雨滴动能Ek之间的关系表达式A＝f(Ek)，此处的表达式可以选择A＝a+b·Ek或式中，a、b为常数，e为指数。本实施例中的表达式优选A＝a+b·Ek，通过多次测试计算得到常数a和b的值并代入表达式，得到土壤溅蚀量和雨滴动能之间的特点关系表达式。
第四，当需要对特定区域进行实际土壤溅蚀量预测时，通过视频雨滴谱仪6采集实际雨滴参数，计算出实际雨滴动能，并将实际雨滴动能带入表达式A＝f(Ek)优选A＝a+b·Ek中的Ek，即可对实际的土壤溅蚀量进行精确的预测。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本说明书中未作详细描述的部分属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种土壤溅蚀动力定量监测系统，其特征在于：包括设置于室外的土壤溅蚀监测系统(1)和降雨监测系统(2)，所述土壤溅蚀监测系统(1)包括溅蚀盘，所述溅蚀盘设置在溅蚀盘固定平台上，所述降雨监测系统(2)包括视频雨滴谱仪(6)，所述视频雨滴谱仪(6)设置在雨滴谱仪固定平台上，所述溅蚀盘和所述视频雨滴谱仪(6)之间的直线距离为3米至5米，所述视频雨滴谱仪(6)的信号输出端用于连接处理器(15)，所述视频雨滴谱仪(6)和所述处理器(15)分别与电源(16)连接；
所述视频雨滴谱仪(6)包括设置在所述视频雨滴谱仪盒体(14)内的雨滴影像成像系统，以及垂直贯通所述视频雨滴谱仪盒体(14)的立方体形监测井(13)；所述雨滴影像成像系统包括照明装置、反射镜和摄像装置，所述照明装置和所述反射镜分别设置在所述监测井(13)相对两个侧壁与所述盒体侧壁之间的空隙处，两个相对的所述侧壁上设有狭缝，所述照明装置发出的光线穿过两个侧壁上的所述狭缝投射到所述反射镜上，再由所述反射镜将影像反射到摄像装置，所述摄像装置将影像内容传递到所述视频雨滴谱仪(6)内的数据处理系统。
2.根据权利要求1所述的一种土壤溅蚀动力定量监测系统，其特征在于：所述土壤溅蚀监测系统(1)包括三个所述溅蚀盘，分别为细沙溅蚀盘(3)、未碾磨土溅蚀盘(4)和碾磨土溅蚀盘(5)。
3.根据权利要求1所述的一种土壤溅蚀动力定量监测系统，其特征在于：所述雨滴谱仪固定平台和所述溅蚀盘固定平台为水泥或钢架制成的固定平台。
4.根据权利要求1所述的一种土壤溅蚀动力定量监测系统，其特征在于：所述视频雨滴谱仪(6)内设有两套雨滴成像系统。
5.一种利用权利要求1所述监测系统进行土壤溅蚀量监测的方法，其特征在于：
通过所述土壤溅蚀监测系统(1)采样得到采样土壤溅蚀量A；
通过视频雨滴谱仪(6)采集雨滴个数、雨滴质量和雨滴速度，计算得到采样雨滴动能Ek；
计算采样土壤溅蚀量A和采样雨滴动能Ek之间的关系表达式A＝f(Ek)；
需要对特定区域进行实际土壤溅蚀量预测时，通过视频雨滴谱仪(6)采集实际雨滴参数，计算出实际雨滴动能，并将实际雨滴动能带入表达式A＝f(Ek)，即可得到实际土壤溅蚀量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述雨滴动能的计算方法为式中Ek为雨滴动能，i为雨滴的个数，mi为第i个雨滴的质量，vi为第i个雨滴的速度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述关系表达式A＝f(Ek)为A＝a+b·Ek或式中，a、b为常数，e为指数。
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