CN106840118A - 一种山地微地形坡度、坡向的空间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山地微地形坡度、坡向的空间测量方法，采用三脚架和罗盘仪进行三维空间测量；通过平行于坡面的空间面向量与水平面间的二面角即两平面法线的夹角作为坡度；以坡面法线在水平面上的投影线与北方向的夹角作为坡向；进而再用数学公式转换计算，可精确地测量微地形的坡度、坡向。与现有方法相比，具有省工、省时、减少野外测量盲目性、解决微地形上实验测量精确性的优势，具有广泛的野外测量应用前景。

Description

一种山地微地形坡度、坡向的空间测量方法

技术领域

本发明涉及一种生态学、林学的野外调查技术领域，尤其涉及一种山地、微地形坡度和坡向的空间测量方法。

背景技术

坡度和坡向是山地野外调查中常用、普遍的测量因子。需要借助指南针、罗盘仪、测坡仪来进行操作测得。然而，在起伏不平山地和茂密森林、遮盖较密之处，往往采用二点一线或四点多线法进行测得，测量工作费工耗时，且得到的是一个接近的数值。更为困难的是，在密林微地形上布设单株植物和光照、水分精细实验时，大尺度范围是无法获取该处精准的坡度和坡向数据，由于地表坡度和坡向的不同与起伏不平，阳光入射角度也会出现一定的差异。从而造成不同微地形上，地表接收光照时间、强度和幼苗更新生长产生较大波动。实践中常常用大尺度上的坡度、坡向数据来替代微地形数据，这势必会对实际山形山势造成较大差异。因此，研发一种新的山地微地形森林微地形坡度、坡向精确、简易的、省工省时的测量方法，已是科研和经营管理工作者的当务之急。

现有野外测量技术至少存在以下缺点：野外测量坡度、坡向的方法不科学、耗工多、测量结果差异大，难以得出精确的微地形的数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维空间测量方法，能正确的反映微地形的坡度、坡向的测量结果。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种山地微地形坡度、坡向的空间测量方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：以百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的为b轴、标有HD3的为a轴，将所述a轴、b轴分别转动到0刻度的位置，并将三脚架三个支撑脚完全展开，并调整成统一高度，使其上的云台与地面保持平行，放置在所需测量的山地表面；

步骤2：转动b轴，使得云台上的水平气泡在b轴方向水平，记录转动角度β；

步骤3：转动a轴，使得云台上的水平气泡在a轴方向同样水平，即水平气泡居中，记录转动角度α；

步骤4：在云台上放置地质罗盘仪，将N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ；

步骤5：利用三维空间坐标计算坡面与水平面的二面角θ₁，将其作为坡度；

步骤6：利用三维空间坐标计算坡面法线在水平面上的投影方向θ₂，沿北方向顺时针旋转θ₂后的方向，将其作为坡向。

所述三脚架的两个轴的刻度需首先刻度对准0，并将三个支撑脚展开，调整成统一高度，是为了保证三脚架云台在水平地面上能够保持水平，即云台与地面保持平行。从而放置在山地上，能够准确表示与山地平行的面，用以计算山地的坡度和坡向。

所述转动角度β以逆时针旋转角度为负，顺时针旋转角度为正；转动角度α，以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正；旋转角度γ，以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

所述计算坡面与水平面的二面角θ₁采用公式(3)，需要将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，其中公式(1)中的ω为a轴与b轴转动至水平时的夹角，公式(2)中的和代表了a轴与b轴未转动时的空间向量值。

ω＝arccos(-tan(α)×tan(β)) (1)

所述计算坡面法线在水平面上的投影方向θ₂采用公式(5)或公式(6)，当公式(4)的值大于或等于0时，采用公式(5)计算θ₂；当公式(4)的值小于0时，采用公式(6)；

-cos(γ+ω)*tan(β)+cos(γ)*tan(α) (4)

由于在遮盖度较高的山地条件下，空旷区域较少，无法采用传统的两点一线或四点多线的方法进行坡度、坡向的测量。然而，本发明的坡度、坡向的测量方法，则不受遮盖度的限制，仅需要单人即可完成精确的坡度、坡向测量。本发明与现有技术相比，更具有精确性、可行性和可操作性。可节省人力和时间，提高野外调查工作的成效。

附图说明

图1为本发明实施例用三脚架示意图；

图2为本发明实施例用三脚架在空间中的摆放示意图；

图3为本发明坡度和坡向的空间几何表示图；

图4为本发明实施例光环境测量中罗盘仪摆放示意图；

图5为本发明实施例中Winscanopy软件计算光照参数的设置图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作详细描述。

本发明具体包括以下内容：

1)将百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的b轴和标有HD3的a轴转动到0刻度的位置，并将三脚架三个支撑脚完全展开，并调整成统一高度，放置在所需测量的山地表面。

2)转动b轴，使得云台上的水平气泡在b轴方向水平，记录转动角度β。

3)转动a轴，使得云台上的水平气泡在a轴方向同样水平，即水平气泡居中，记录转动角度α。

4)在云台上放置地质罗盘仪，将N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ

5)利用三维空间坐标计算坡面与水平面的二面角θ₁，将其作为坡度。

6)利用三维空间坐标计算坡面法线在水平面上的投影方向θ₂，将其作为坡向。

参阅图1，所述三脚架为百诺A650FHD3具有刻度的多轴转动三脚架。

转动角度β，以逆时针旋转角度为负，顺时针旋转角度为正；转动角度α，以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正；旋转角度γ，以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

参阅图2和3，代表a轴未转动时的空间向量值，代表a轴转动至水平后的空间向量值，代表b轴未转动时的空间向量，代表b轴转动至水平时的空间向量值。面C为与坡面A平行的面，即与组成的面；面D为与水平面平行的面，即与组成的面， 计算公式分别为：

由于a轴与b轴垂直，所以与垂直，两者点积为0，如公式(11)，简化为公式12。另外，与在水平面上的夹角为ω，因此与的点积为cos(ω)，如公式(13)，将公式(12)代入公式(13)中，便可得到公式(1)，具体计算公式如下：

sin(γ+ω)×sin(γ)+cos(γ+ω)×cos(γ)＝-tan(α)×tan(β) (12)

ω＝arccos(-tan(α)×tan(β)) (1)

与的叉积代表两向量所代表面C(与坡面平行的面向量)的法线其计算公式为：

面C的法线与水平面D法线(垂直向量)的夹角为C面与D面的二面角，即坡面与水平面的夹角θ₁用于表示实际微地形坡度大小的程度，其计算公式为公式(3)，需要将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，方可进行运算：

面C的法线其在水平面上的投影向量与北方向的夹角θ₂，用于表示实际坡向的精确方位。在法向量在x方向上的值大于等于0，即公式(4)大于等于0时，采用公式(5)；在法向量在x方向上的值小于0，即公式(4)小于0时，采用公式(6)，具体计算公式如下：

-cos(γ+ω)*tan(β)+cos(γ)*tan(α) (4)

实施例1

由于森林内幼苗和单木，对于地形变化的敏感度较高，而且幼微地形是影响幼苗更新和单木生长的重要外部环境因素。尤其是对于地形起伏变化较大的复杂山地，测量幼苗和单木所处的微地形，更是十分重要。本发明的坡度坡向测量方法，不受山地郁闭度程度的限制，能够测量较小尺度上的坡度和坡向。

对幼苗和单木所处微地形的测量，具体实施步骤如下：

将百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的b轴和标有HD3的a轴转动到0刻度的位置，并将三个支撑脚完全展开，调整成统一高度。

将已调整好的三脚架，放置在幼苗上方或单木旁。首先调节三脚架b轴，使得水平气泡在b轴方向居中，记录b轴转动的角度β＝19°，以逆时针旋转角度为负，以顺时针旋转角度为正。然后，调节三脚架a轴，使得水平气泡在a轴方向也居中，即云台重新水平，并记录a轴旋转的刻度α＝-33°，其中以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正。

将地质罗盘仪放置在云台上，并水平旋转罗盘仪，使得地质罗盘仪的N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ＝339°，以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

根据公式(1)计算ω＝77.1°。

根据公式(2)计算为(-0.80,0.05,0.97)。

根据公式(3)计算坡度θ₁为39.4°。

由于公式(4)的值为-0.80小于0，因此采用公式(6)计算坡向θ₂，θ₂为273.8°，即沿北方向顺时针旋转273.8°的方向为坡向。

实施例2

由于山地地表坡度和坡向不同，太阳光入射角度也会出现一定的差异，从而造成在地形起伏变化较大的区域，地表接收阳光照射时间和强度也会有较大波动。因此，精确的林下光照强度的计算，需要利用地表坡度和坡向进行辅助。另外，本发明的坡度坡向的测量方法，不仅能够准确的计算出林下的坡度和坡向，而且已经调节至水平的三脚架云台，能够为冠层照片的拍摄提供便利。

Winscanopy冠层分析软件作为现今较为常用的冠层光照强度分析软件，其在计算局部光照强度时，就需要坡度和坡向数据进行辅助。因此，本发明以该软件为基础，具体描述山地光环境的测量步骤，具体步骤如下：

将百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的b轴和标有HD3的a轴转动到0刻度的位置，并将三个支撑脚完全展开，调整成统一高度。

将已调整好的三脚架，放置在测量光环境的区域。首先调节三脚架b轴，使得水平气泡在b轴方向居中，记录b轴转动的角度β，其中以逆时针旋转角度为负，以顺时针旋转角度为正。然后，调节三脚架a轴，使得水平气泡在a轴方向也居中，即云台重新水平，并记录a轴旋转的刻度α，其中以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正。

将用以拍摄冠层照片的相机上安装180度鱼眼镜头，安装在三脚架的云台上。

将地质罗盘仪放置在相机镜头护镜盖上，如图4所示。然后，水平旋转罗盘仪，使得地质罗盘仪的N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ，其中以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

记录指北针沿顺时针方向旋转到镜头的EF-S卡口的白点的角度，用以标记冠层照片的水平方位。

根据三维空间坐标计算坡度，坡向。

将地质罗盘仪取下，打开镜头护镜盖进行拍摄。

在Winscanopy冠层分析软件中，导入冠层照片，并输入坡度、坡向，以及照片水平方位、时间、经纬度、海拔等参数，如图5所示，绘制太阳路径和入射角度，从而通过Winscanopy软件计算林下的光照强度。

本发明与现有技术中的测量技术相比，更具有精确性、可行性和可操作性。可节省人力和时间，提高野外调查工作的成效。

实施例3

利用三维空间坐标手动计算坡度、坡向较为繁杂，为此，本发明为了能更加简便、快速地计算出坡度和坡向，在免费开源的R软件上，编写了代码，具体代码如下：

利用该代码可以轻松快速地计算多区域的坡度和坡向。具体如下：

将百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的b轴和标有HD3的a轴转动到0刻度的位置，并将三个支撑脚完全展开，调整成统一高度。

将已调整好的三脚架，放置在需要测量坡度和坡向的区域。首先调节三脚架b轴，使得水平气泡在b轴方向居中，记录b轴转动的角度β，其中以逆时针旋转角度为负，以顺时针旋转角度为正。然后，调节三脚架a轴，使得水平气泡在a轴方向也居中，即云台重新水平，并记录a轴旋转的刻度α，其中以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正。

将地质罗盘仪放置在云台上，并水平旋转罗盘仪，使得地质罗盘仪的N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ，其中以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

将记录好的α，β，γ数值，进行根据区域进行编号。

同样利用以上步骤，记录其它区域的α，β，γ数值，并进行编号。

回到室内，将R软件打开，并将所附代码复制进R软件中，敲击回车。

在R软件界面中，输入slope.aspect(α，β，γ)，并再次敲击回车，软件将自动输出aspect，即坡向，以及slope，即坡度。重复该步骤，就可以快速地算出不同区域的坡度和坡向。

Claims (4)

1.一种山地微地形坡度、坡向的空间测量方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：以百诺A650FHD3三脚架上标有BENRO标志的为b轴、标有HD3的为a轴，将所述a轴、b轴分别转动到0刻度的位置，并将三脚架三个支撑脚完全展开，并调整成统一高度，使其上的云台与地面保持平行，放置在所需测量的山地表面；

步骤2：转动b轴，使得云台上的水平气泡在b轴方向水平，记录转动角度β；

步骤3：转动a轴，使得云台上的水平气泡在a轴方向同样水平，即水平气泡居中，记录转动角度α；

步骤4：在云台上放置地质罗盘仪，将N刻度位置对准b轴，记录正北方向到N刻度位置的旋转角度γ；

步骤5：利用三维空间坐标计算坡面与水平面的二面角θ₁，将其作为坡度；

步骤6：利用三维空间坐标计算坡面法线在水平面上的投影方向θ₂，沿北方向顺时针旋转θ₂后的方向，将其作为坡向。

2.根据权利要求1所述的空间测量方法，其特征在于,所述转动角度β以逆时针旋转角度为负，顺时针旋转角度为正；转动角度α，以顺时针旋转角度为负，以逆时针旋转角度为正；旋转角度γ，以顺时针旋转为正角度，以逆时针旋转为负角度。

3.根据权利要求1所述的空间测量方法，其特征在于，所述坡面与水平面的二面角θ₁采用以下公式计算：

ω＝arccos(-tan(α)×tan(β)) (1)

$\stackrel{\→}{a}\×\stackrel{\→}{b}=(-cos(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω})*tan(\mathrm{\β})+cos\left(\mathrm{\γ}\right)*tan\left(\mathrm{\α}\right),$

$\begin{array}{c}-\tan \left(\mathrm{\α}\right)*\sin \left(\mathrm{\γ}\right)+\tan \left(\mathrm{\β}\right)*\sin (\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}),\\ \sin (\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω})*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)-\cos (\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω})*\sin \left(\mathrm{\γ}\right))\end{array}---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_1=arccos\left(\right|sin\left(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}\right)*cos\left(\mathrm{\γ}\right)-cos\left(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}\right)*sin\left(\mathrm{\γ}\right)|/|\stackrel{\→}{a}\×\stackrel{\→}{b}\left|\right)---\left(3\right)$

其中，公式(1)中的ω为a轴与b轴转动至水平时的夹角，公式(2)中的和为a轴与b轴未转动时的空间向量值。

4.根据权利要求1所述的空间测量方法，其特征在于，所述计算坡面法线在水平面上的投影方向θ₂采用公式(5)或公式(6)，当公式(4)的值大于或等于0时，采用公式(5)计算θ₂；

当公式(4)的值小于0时，采用公式(6)；

-cos(γ+ω)*tan(β)+cos(γ)*tan(α) (4)

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_2=arccos(\left(-tan\left(\mathrm{\α}\right)*sin\left(\mathrm{\γ}\right)+\tan \left(\mathrm{\β}\right)*\sin \left(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}\right)\right)\\ /\left(\right({\left(\cos \left(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}\right)*\tan \left(\mathrm{\β}\right)-\cos \left(\mathrm{\γ}\right)*\tan \left(\mathrm{\α}\right)\right)}^2\\ +{\left(\tan \left(\mathrm{\α}\right)*\sin \left(\mathrm{\γ}\right)-\tan \left(\mathrm{\β}\right)*\sin \left(\mathrm{\γ}+\mathrm{\ω}\right)\right)}^2{)}^{0.5}\left)\right)\end{array}---\left(5\right)$