CN106840974A - 一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法，包括：放置土壤样品的承样台，具有高速连续拍摄照片能力的照相机，所述照相机镜头对准对所述土壤样品上表面平面，并在照相机视野中设有数字化秒表，所述土壤样品和照相机镜头之间设有透镜组，所述土壤样品上方设有滴定器，所述的滴定器与照相机、数字化秒表之间设有联动器；所述的照相机与具有图片处理能力的电脑连接。通过高速拍摄的照相机和精确的滴定，所述系统的应用排出了人为不确定因素的干扰，能够获得十分稳定的照片图像，同时使用照片分析软件对水滴的形状进行十分精确的分析，最终可以得到精确的土壤样本斥水性数据。

Description

一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法，是一种土壤水文测量系统和方法，是一种土壤特性进行测量的系统和方法。

背景技术

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤。土壤斥水性不利于农业生产和环境的可持续性发展，如导致土壤水分的不均匀分布，使水中携带的溶质更快地进入地下水，降低土壤持水能力，加强地表径流和侵蚀。

测定土壤斥水性的方法有很多种，包括接触角测定法、滴水穿透时间法（WDPT）、酒精溶液入渗法（MED）、固气表面张力测定法和进水压力水头测定法等。近20年来，滴水穿透时间法与酒精溶液入渗法逐渐成为最常用的两种测定方法。现有的这些方法在具体测试中，均采用人眼直接观察，并辅以秒表计时等简单的测量工具。由于水滴的形体较小，在测试过程人为动作的差异，以及各人观察角度的不同和对观察对象变化的认知差异等，形成了许多人为的因素，以致使观测数据差异很大，特别对具有斥水性较强的土壤进行观测实验时，由于需要较长时间，人的注意力和主观判断会造成较大误差，严重影响了斥水性测量的精确度。

很多研究者通过测定水-固体接触角φ值判断土壤斥水度，φ>90°时为斥水土壤，反之则为亲水土壤。Bachmann等提出固着滴液法直接测定土壤接触角。他们将双面胶的一面粘在显微镜载玻片上，将过筛的土壤颗粒(直径为63—200μm)均匀地压在双面胶的另一面，形成一层均匀土壤颗粒层。在室温(20℃)下用显微镜和量角器测出滴水后颗粒-水的接触角。该方法效率和准确度均较低。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法。所述的系统和方法通过连续高速拍摄滴在土壤表面的水滴的照片，之后对照片进行像素分析，得到水滴接触角分析数据，最终确定土壤样本的斥水性数据。

本发明的目的是这样实现的：一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统，包括：放置土壤样品的承样台，具有高速连续拍摄照片能力的照相机，所述照相机镜头对准对所述土壤样品上表面平面，并在照相机视野中设有数字化秒表，所述土壤样品和照相机镜头之间设有透镜组，所述土壤样品上方设有滴定器，所述的滴定器与照相机、数字化秒表之间设有联动器；所述的照相机与具有图片处理能力的电脑连接。

进一步的，所述的承样台为圆形平台，圆形平台的下部中心设有旋转轴。

进一步的，所述的透镜组中设有十字刻线，所述的透镜组带有能够调节高度和水平位移的调节架。

进一步的，所述的照相机带有能够升降的云台。

进一步的，所述的滴定器包括：可旋转的盘架，所述的盘架上设置多个具有存水和滴水能力的滴管。

进一步的，滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离为2~3滴水滴的距离，所述水滴的水量为0.1~0.4毫升。

进一步的，所述的联动器包括：安装在滴定器出水口上的电磁阀，所述的电磁阀与三刀开关的一个刀臂连接，所述的三刀开关的另外两个刀臂分别与照相机的快门和数字化秒表的启动开关连接。

进一步的，所述的圆形平台、调节架、云台、盘架通过主支架连接，所述的圆形平台、调节架和云台上设置至少一个调节水平的水泡。

进一步的，所述的土壤样品是土壤取样环刀切出的土壤样本。

一种上述系统进行土壤斥水性测量的方法，所述方法的步骤如下：

取样的步骤：在被测试地区取土壤样品，将土壤样品防止在承样台上，将调整承样台连同土壤样品的水平状态，使土壤样品的上表面与水平面保持平行；

调整照相机的步骤：调整照相机的位置，使照相机中的画面与水平面垂直，将调整照相机，使照相机取景器中的中间一条水平刻线与土壤样品的上表面线重合；

调整透镜组的步骤：在照相机和土壤样品之间放入透镜组，调整透镜组的水平位置，将透镜组中的十字刻线的水平线与土壤样品的上表面重合，十字刻线的垂线与水平面保持垂直；调整照相机的焦距，使十字刻线和土壤样品上出现水滴的位置保持清晰；

准备滴定液体的步骤：在滴定器中准备洁净的水体和酒精；

拍摄的步骤：启动联动器，使滴定器向土壤样品的上表面滴出一滴水体，同时启动照相机连续拍摄水体从滴定器中流出、形成水滴、水滴与土壤样品上表面接触、水滴在土壤上表面形成水珠，土壤样品上表面的水珠变形并维持变形后一段时间的形状的全过程，并在每一种图片上显示拍摄的时间，拍摄时间精确到0.01秒；在土壤样品上表面选择不同位置滴下水滴，进行多次上述拍摄过程，形成多个系列照片；

选取系列照片的步骤：通过像素分析，比较每个系列照片中水滴在滴下过程的大小，选取滴下过程中水滴大小一致的系列照片；

分析照片的步骤：将选中水滴接触土壤表面0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0秒时的照片，采用计算机图像处理算法进行水滴边缘检测，分析以水珠与土壤接触点为切点的水滴外缘切线与土壤水平线的夹角；

对于只测定0.1秒时夹角的，将90°作为亲水、斥水的分界线，角度越小斥水性越强，角度越大斥水性越弱。

对于测定多个时间点夹角的，计算夹角随时间的变化率，变化率为0为极强斥水性，变化率越大，斥水性越弱。

本发明产生的有益效果是：通过高速拍摄的照相机和精确的滴定，所述系统的应用排出了人为不确定因素的干扰，能够获得十分稳定的照片图像，同时使用照片分析软件对水滴的形状进行十分精确的分析，最终可以得到精确的土壤样本斥水性数据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述系统承样台的结构示意图；

图3是本发明的实施例五所述系统带有盘架的滴定器结构示意图；

图4是本发明的实施例七所述系统的联动器电连接示意图；

图5是本发明的实施例八所述系统的主支架的结构示意图；

图6是本发明的实施例十所述方法中水滴外缘切线与土壤水平线的夹角θ 小于90度的情况示意图；

图7是本发明的实施例十所述方法中水滴外缘切线与土壤水平线的夹角θ 大于90度的情况示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统，如图1所示。本实施例包括：放置土壤样品1的承样台2，具有高速连续拍摄照片能力的照相机3，所述照相机镜头对准对所述土壤样品上表面平面，并在照相机视野中设有数字化秒表4，所述土壤样品和照相机镜头之间设有透镜组5，所述的透镜组中设有十字刻线501，所述土壤样品上方设有滴定器6，所述的滴定器与照相机之间设有联动器7；所述的照相机与具有图片处理能力的电脑8连接。

本实施例所述的土壤样品可以是取自某个实验区域，经过实验处理，如：焙烘、平整上表面等，整个测试过程在实验室中进行。也可以在实验区域那野外直接采集土壤样本，在野外直接进行测试。采集土壤样本的方式可以采用环刀切割的方式，直接对地表的土壤进行采集，然后直接将环刀和被采集的土壤样品放在承样台的上进行测试。

所述的承样台应当保持水平，保持水平的目的是使土壤样品的上表面保持水平，以便在拍照是可以清晰的分辨出水滴在土壤样品的上表面所发生的变化和水滴与水平面的角度。

承样台可以做成圆形的台面，台面的下面中心部位用一根转轴支撑，以使承样台可以旋转。承样台上方的滴定器所滴下的水滴是点状的，通过承样台的旋转，可以在土壤样品的上表面的多个位置进行水滴的拍摄，避免水滴滴在重复的位置，影响实验的精确性。

在通常情况下，照相机的透镜是成型产品，视野是人眼的视野，即便是带有微距的照相机镜头，对形态较小的水滴也不能很好地易分辨。为了放大水滴，在照相机和水滴之间设置透镜组。所述的透镜组可以是一片凸透镜，可以是多片透镜组成，其主要作用是放大水滴的影像，使水滴的影像在照片中清晰可见，便于在后面的图片分析中使用。当然可以定制专门的放大镜头，但由于成本过高，不是一个很好的解决方案。

所述的透镜组可以带有能够调节高度和水平位移的调节架，以便调整镜头与照相机、土壤样品之间的位置关系，得到最佳的照片效果。

所述的照相机可以是数码相机，其连续拍照的速度应当大于每秒10张以上，即所谓高速摄影。现代的照相机虽然都带有自动时间记录功能，但这个功能并不好用，因此，本实施例还在照相机的视野中放置了数字化秒表，即可以在拍摄的照片中直接看到拍摄的精确时间，其精度达到百分之一秒。以便对比各个系列照片的拍摄时间，确定最佳的水滴拍摄位置。

所述的照相机可以带有能够升降的云台，以便调整照相机的水平平度和高度，以及正确的拍摄位置。云台可以安装在三脚架上，也可以安装在专门设置的支架上。

所述的滴定器可以有多种形式。可以是一个带有手压气球的滴定管，也可以是带有电磁阀、储液罐和滴水管的电控滴定装置。为了可以方便的转换各种液体滴定，可以在使用多个滴定管，并将这些滴定管固定在一个可旋转的盘架，通过旋转盘架将储存不同液体的滴管对准滴定位置。

滴定器出水口，也就是滴出水滴的管口，与土壤样品上表面之间的距离一般保持在10毫米左右，也就是2~3滴水滴的距离，距离过大就会产生水滴对土壤表面的冲击，严重的会击碎水滴，导致试验失败。所述水滴的水量也应当通过滴定管进行控制，如果有出水电磁阀则只需控制电磁阀的开闭时间，即可非常精确的控制水滴的水量和大小。

所述的联动器可以是一个机械装置，也可以是一个电子装置。如：使用照相机常用的快门线，在快门线上加装一个开关和一个压力器，将压力器挤压滴定管的手压气球，同时出发照相机的快门和控制数字化秒表的启动开关，使用三者同步。也可以直接使用一个开关同时出发照相机快门、和安装在滴定管出水口上的电磁阀，以及数字化秒表的启动开关，使三者同步启动。

本实施例所述系统可以在室内进行测试，也可以在野外进行测试。在室内是，照相机、镜头组和承样台可以分别安装在各自的支架上，在实验室的平台上分别放置，最终形成拍照的位置关系。为适应野外进行现场测试，也可以将照相机、承样台、透镜组安装在一个可折叠的主支架上，运输时折叠起来，现场试验时将其打开，分别调整照相机、透镜组和承样台，快速达到实验所需要的状态。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于承样台的细化。本实施例所述的承样台为圆形平台，圆形平台的下部中心设有旋转轴201，如图2所示。

旋转轴可以安装在独立的支架上，也可以安装在与照相机、透镜组一体的主支架上。

实施例三：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于透镜组的细化。本实施例所述的透镜组中设有十字标尺和角度标尺，所述的透镜组件带有能够调节高度和水平位移的调节架。

在本实施例中透镜组中设有十字刻线。如果透镜组中只有一片凸透镜，则可以将十字刻线直接刻在凸透镜上。如果透镜组由多片透镜组成，可以在物镜上设置刻线，所谓物镜即距离水滴最近的镜片，也可以专门设置一片刻线透镜，以减少由于透镜表面的弯曲，造成刻线变形，影响测试质量。除了十字刻线外，还可以刻上一些平行的水平线，以显示水珠的高度，以及倾斜的角度刻线，以显示水珠与水平面的夹角。

透镜的调节架可以是独立的调节架，也可以安装在与照相机、透镜组一体的主支架上。

实施例四：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于照相机的细化。本实施例所述的照相机带有能够升降的云台。

能够升降的云台可以是常规的照相机三脚架，但常规的照相机三脚架通常较大，可以采用较小型的三脚架。也可以将云台安装在与照相机、透镜组一体的主支架上。

实施例五：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于滴定器的细化。本实施例所述的滴定器包括：可旋转的盘架601，所述的盘架上设置多个具有存水和滴水能力的滴管602，如图3所示。

使用多种液体进行斥水性实验是斥水性实验中十分常见的实验方式，通常在使用干净的水体外，还经常使用不同浓度的酒精进行实验。为此，可以使用一个能够旋转的盘架，将多个滴定管设置在盘架上，通过旋转盘架，选择相应的液体进行实验。

所述的滴管可以是长形、以便端部有缩口，形成滴水的出口。也可以在长管一端设置一个球形储液罐，在出口处设置电磁阀，控制水滴的流程。还可以设置一个水罐，连接一个带有缩口的水管，水管上设置蠕动泵，快速的起停蠕动泵，形成单个的水滴，但这个方案比较昂贵。

实施例六：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离的细化。本实施例所述滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离l 为2~3滴水滴的距离，如图1所示，所述水滴的水量为0.1~0.4毫升。

滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离l 可以在10毫米左右。

实施例七：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于联动器的细化。本实施例所述的联动器包括：安装在滴定器出水口上的电磁阀601，所述的电磁阀与三刀开关701的一个刀臂连接，所述的三刀开关的另外两个刀臂分别与照相机的快门和数字化秒表的启动开关连接，如图4所示。

本实施例中的三刀开关是按键型开关，接通的是触发器702，通过一个方波（如图4中所示）或尖波触发电磁阀、照相机的快门和数字化秒表，使三者同时启动。

实施例八：

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于联动器的细化。本实施例所述的圆形平台、调节架502、云台301、盘架602通过主支架9连接，所述的圆形平台、调节架和云台上分别设置至少一个调节水平的水泡。

本实施例所述的主支架可以是折叠支架，可用于野外的实地测试。

本实施例是上述实施例是改进是上述实施例关于土壤样品的细化。本实施例所述的土壤样品是土壤取样环刀切出的土壤样本。

实施例十：

本实施例一种使用上述实施例所述系统进行土壤斥水性测量的方法。

所述方法的步骤如下：

取样的步骤：在被测试地区取土壤样品，将土壤样品防止在承样台上，将调整承样台连同土壤样品的水平状态，使土壤样品的上表面与水平面保持平行。获取的土壤样品，可以通过焙烘，使其中的水分完全排出，也可以直接使用带有水分的土壤样品，这样更加接近现实的状态。土壤样品的上表面可以经过打磨，以显示十分平整的状态，因此，在一些情况下，水滴只有零点几个毫米的变化，如果土壤样品上表面的粗糙程度大于水滴的变化，则将水滴变化淹没，无法进行测试。

调整照相机的步骤：调整照相机的位置，使照相机中的画面与水平面垂直，将调整照相机，使照相机取景器中的中间一条水平刻线与土壤样品的上表面线重合。本步骤与下一步骤应该配合进行。因为只有透镜组和照相机两者之间进行配合，才能得到完全清晰和完整的照片图像。

调整透镜组的步骤：在照相机和土壤样品之间放入透镜组，调整透镜组的水平位置，将透镜组中的十字刻线的水平线与土壤样品的上表面重合，十字刻线的垂线与水平面保持垂直；调整照相机的焦距，使十字刻线和土壤样品上出现水滴的位置保持清晰。本步骤与上一步骤配合进行，通过精心的调整，使水滴和十字刻线，以及数字化秒表这些不同景深的物体全部放入照片画面中，并清晰的表现出来。

准备滴定液体的步骤：在滴定器中准备洁净的水体和酒精。所谓洁净水应是无色透明，杂质量较小的水体，可以使用自来水，或者纯净水等。酒精则根据实验需要配置各种浓度，如：5%~20%等。

拍摄的步骤：启动联动器，使滴定器向土壤样品的上表面滴出一滴水体，同时启动照相机连续拍摄水体从滴定器中流出、形成水滴、水滴与土壤样品上表面接触、水滴在土壤上表面形成水珠，土壤样品上表面的水珠变形并维持变形后一段时间的形状的全过程，并在每一种图片上显示拍摄的时间，拍摄时间精确到0.01秒；在土壤样品上表面选择不同位置滴下水滴，进行多次上述拍摄过程，形成多个系列照片。拍摄照片的过程是十分重要的过程，必须十分小心进行，一般可以进行八到十次，即：滴八到十第液体，进行拍摄，得到八到十个系列的照片，以供选择。

选取系列照片的步骤：通过像素分析，比较每个系列照片中水滴在滴下过程的大小，选取滴下过程中水滴大小一致的系列照片。这一步骤是为了确保水滴的水量准确。当使用滴定管人工滴出水滴的时候，可以会出现由于用力大小不同，而产生水滴的水量大小不同，使水滴的大小不同，通过比较照片的水滴大小可以使水量十分均匀一致。如果使用电磁阀或蠕动泵滴水，则可以省去这一步骤。本步骤可以使用各种图像处理软件，通过像素分析，得到水滴边缘的倾斜数据，再通过这些数据，即可获得相应的图像对比。

分析照片的步骤：将选中水滴接触土壤表面0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0秒时的照片，采用计算机图像处理算法进行水滴边缘检测，分析以水珠与土壤接触点为切点的水滴外缘切线与土壤水平线的夹角θ ，如图6、7所示。

（1）对于只测定0.1秒时夹角的，简单测量法，可以将90°作为亲水、斥水的分界线，角度越小斥水性越强。如图6所示，角度越大斥水性越弱，如图7所示。

（2）对于测定多个时间点夹角的，计算夹角随时间的变化率，变化率为0为极强斥水性，变化率越大，斥水性越弱。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如系统的连接方式、各要素的形状、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统，其特征在于，包括：放置土壤样品的承样台，具有高速连续拍摄照片能力的照相机，所述照相机镜头对准对所述土壤样品上表面平面，并在照相机视野中设有数字化秒表，所述土壤样品和照相机镜头之间设有透镜组，所述土壤样品上方设有滴定器，所述的滴定器与照相机、数字化秒表之间设有联动器；所述的照相机与具有图片处理能力的电脑连接。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述的承样台为圆形平台，圆形平台的下部中心设有旋转轴。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述的透镜组中设有十字刻线，所述的透镜组带有能够调节高度和水平位移的调节架。

4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述的照相机带有能够升降的云台。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述的滴定器包括：可旋转的盘架，所述的盘架上设置多个具有存水和滴水能力的滴管。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离为2~3滴水滴的距离，所述水滴的水量为0.1~0.4毫升。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述的联动器包括：安装在滴定器出水口上的电磁阀，所述的电磁阀与三刀开关的一个刀臂连接，所述的三刀开关的另外两个刀臂分别与照相机的快门和数字化秒表的启动开关连接。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述的圆形平台、调节架、云台、盘架通过主支架连接，所述的圆形平台、调节架和云台上设置至少一个调节水平的水泡。

9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述的土壤样品是土壤取样环刀切出的土壤样本。

10.一种使用权利要求1所述系统进行土壤斥水性测量的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

取样的步骤：在被测试地区取土壤样品，将土壤样品防止在承样台上，将调整承样台连同土壤样品的水平状态，使土壤样品的上表面与水平面保持平行；

调整照相机的步骤：调整照相机的位置，使照相机中的画面与水平面垂直，将调整照相机，使照相机取景器中的中间一条水平刻线与土壤样品的上表面线重合；

调整透镜组的步骤：在照相机和土壤样品之间放入透镜组，调整透镜组的水平位置，将透镜组中的十字刻线的水平线与土壤样品的上表面重合，十字刻线的垂线与水平面保持垂直；调整照相机的焦距，使十字刻线和土壤样品上出现水滴的位置保持清晰；

准备滴定液体的步骤：在滴定器中准备洁净的水体和酒精；

拍摄的步骤：启动联动器，使滴定器向土壤样品的上表面滴出一滴水体，同时启动照相机连续拍摄水体从滴定器中流出、形成水滴、水滴与土壤样品上表面接触、水滴在土壤上表面形成水珠，土壤样品上表面的水珠变形并维持变形后一段时间的形状的全过程，并在每一种图片上显示拍摄的时间，拍摄时间精确到0.01秒；在土壤样品上表面选择不同位置滴下水滴，进行多次上述拍摄过程，形成多个系列照片；

选取系列照片的步骤：通过像素分析，比较每个系列照片中水滴在滴下过程的大小，选取滴下过程中水滴大小一致的系列照片；

分析照片的步骤：将选中水滴接触土壤表面0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0秒时的照片，采用计算机图像处理算法进行水滴边缘检测，分析以水珠与土壤接触点为切点的水滴外缘切线与土壤水平线的夹角；

对于只测定0.1秒时夹角的，将90°作为亲水、斥水的分界线，角度越小斥水性越强，角度越大斥水性越弱；

对于测定多个时间点夹角的，计算夹角随时间的变化率，变化率为0为极强斥水性，变化率越大，斥水性越弱。