CN107102116A - 一种室内重力侵蚀过程试验观测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种室内重力侵蚀过程试验观测系统及方法，所述系统包括：填土装置、人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统以及数字地形采集系统；所述填土装置、人工降雨系统以及数字地形采集系统配合搭建用于试验的特定形状的试验土体，所述土体的不同深度层中埋设有所述土壤水分传感器，所述试验土体外侧设置有沟道；所述数字地形采集系统、以及所述沟道水沙过程测控系统在人工降雨过程中，对试验土体进行监测分析试验土体的重力侵蚀。本发明实施例提供的室内重力侵蚀过程试验观测系统，可以全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，对重力侵蚀过程进行高精度观测，提升观测试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及土壤侵蚀研究技术领域，尤其涉及一种室内重力侵蚀过程试验观测系统及方法。
背景技术
重力侵蚀是一种重要的土壤侵蚀类型。在黄土高原地区，随着水土保持治理措施的推进，水力侵蚀正逐步得到遏制。然而重力侵蚀的研究和防控一直没有取得大的进展，其中最主要的因素是难以对重力侵蚀的发生发展机制开展有效研究。这主要受制于重力侵蚀过程难以观测、难以量化。
目前对黄土高原地区重力侵蚀过程观测主要通过如下两种方式：
方式一：通过前期勘察，人工确定重力侵蚀发生几率较大的位置，然后埋设土壤水分传感器监测土壤水分变化，埋设观测桩测量地形变化，如观测桩的位移、掩埋等，确定重力侵蚀发生的规模、形态等，同时在下游设径流、泥沙过程观测站，取得径流泥沙过程数据。
方式二：利用三维激光扫描仪或无人机进行重力侵蚀前后地形测量：先进行较大区域的测量，然后对发生重力侵蚀的部位进行变化后的测量，同时结合下游观测站获取水沙过程观测数据。
现有的重力侵蚀过程观测方法具有如下缺点：
第一、确定前期工作量大，测量过程速度慢、效率低，同时重力侵蚀发生位置、规模等的不确定性太大，难以实施有效观测，且难以观测和量化侵蚀过程，更难以有效区分次生重力侵蚀；
第二、精度低，难以实现定量研究；
第三、重力侵蚀发生的降雨、地形、土壤含水量、沟道水沙过程难以同步，使研究具有较大的不确定性。
发明内容
鉴于上述现有的重力侵蚀过程观测方案中存在的上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的室内重力侵蚀过程试验观测系统及方法。
为了解决上述问题，本发明公开了一种室内重力侵蚀过程试验观测系统，其中，所述系统包括：填土装置、人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统以及数字地形采集系统；所述土壤含水量监测系统包括多个土壤水分传感器以及采集各土壤水分传感器数据的数据采集器，数据采集器与控制电脑连接；所述填土装置、人工降雨系统以及数字地形采集系统配合搭建用于试验的特定形状的试验土体，所述土体的不同深度层中埋设有所述土壤水分传感器，所述试验土体外侧设置有沟道；所述数字地形采集系统包括相机阵列、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件；所述相机阵列排布在所述试验土体上方，用于在试验过程中拍摄所述试验土体的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，所述处理软件对所述相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到所述试验土体地形变化数据；所述人工降雨系统搭建在所述试验土体正上方且完全覆盖所述试验土体，用于在土堆搭建过程中、以及在重力侵蚀观测过程中提供降雨；所述沟道水沙过程测控系统用于配置试验过程中所需的含沙水流，对所述含沙水流进行调控以控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；对所述沟道上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测。
可选地，所述沟道水沙过程测控系统包括：水沙拌合水箱、潜污泵、变频控制系统、电磁流量计、三角堰测流系统以及水流量含沙量测量装置；所述水沙拌合水箱配置试验过程中所需的含沙水流；所述潜污泵、变频控制系统和所述电磁流量计对所述含沙水流进行调控，以控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；所述三角堰测流系统设置在所述沟道末端，所述三角堰测流系统对所述沟道出流的流量进行监测；所述水流量含沙量测量装置对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测。
可选地，土壤水分传感器分别埋设在所述试验土体的10cm深度处、20cm深度处、30cm深度处、70cm深度处、90cm深度处、120cm深度处、150cm深度处。
可选地，搭建试验土体时，所述填土装置在围挡中填土，围挡中土填充完毕后，通过所述人工降雨系统提供降雨，然后干燥通风使土壤含水量控制在预设含水量范围内；反复降雨、通风干燥预设次数搭建得到试验土体轮廓。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种室内重力侵蚀过程试验观测方法，包括：搭建人工降雨系统，以及数字地形采集系统，其中，所述数字地形采集系统包括相机阵列、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件；搭建试验所观测的试验土体，所述土体的不同深度层中埋设有所述土壤水分传感器，所述人工降雨系统搭建在所述试验土体上方，所述试验土体外侧设置有沟道；所述土壤水分传感器与数据采集器连接，数据采集器与控制电脑连接；搭建沟道水沙过程测控系统；在室内重力侵蚀过程试验观测开始时，开启所述人工降雨系统提供观测过程中所需的降雨，开启所述数据采集器采集各土壤水分传感器检测到的土壤含水量；开启数字地形采集系统，所述同步控制器控制所述相机阵列同步拍摄的地形图像；所述基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件对所拍摄的图像进行分析，得到所述试验土体地形变化数据；开启沟道水沙过程测控系统进行沟道水流供水冲刷，并对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测；利用所述地形变化数据、土壤含水量数据、沟道出流的流量数据以及所述取样点的水流含沙量数据进行试验土体重力侵蚀分析。
可选地，所述搭建试验所观测的试验土体的步骤，包括：获取野外待观测实体区域的第一DEM；按照预设比例尺将所述第一DEM数据进行转换，得到室内试验土体的第二DEM；根据野外待观测实体区域的面积、以及所述预设比例尺搭建围挡装置；依据预设容重等参数进行试验土体轮廓搭建，同时在指定位置埋设土壤水分传感器；利用数字地形采集系统获取所搭建试验土体轮廓的第三DEM；将所述第三DEM与所述第二DEM进行比较，若二者匹配则土体搭建完成；若二者不匹配，则对所述试验土体轮廓进行修整，直至修整后的试验土体的DEM与所述第二DEM匹配为止完成实验土体搭建。
可选地，所述沟道水沙过程测控系统包括：水沙拌合水箱、潜污泵、变频控制系统、电磁流量计、三角堰测流系统以及水流量含沙量测量装置；所述开启沟道水沙过程测控系统进行沟道水流供水冲刷，并对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测的步骤，包括：所述水沙拌合水箱配置试验过程中所需的含沙水流；所述潜污泵、变频控制系统和所述电磁流量计对所述含沙水流进行调控，控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；所述三角堰测流系统设置在所述沟道末端，所述三角堰测流系统对所述沟道出流的流量进行监测；所述水流量含沙量测量装置检测所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量。
可选地，土壤水分传感器分别埋设在所述试验土体的10cm深度处、20cm深度处、30cm深度处、70cm深度处、90cm深度处、120cm深度处、150cm深度处。
可选地，所述依据预设容重等参数进行试验土体轮廓搭建，同时在指定位置埋设土壤水分传感器的步骤包括：在围挡中添土同时埋设土壤水分传感器，围挡中土填充完毕后，通过所述人工降雨系统提供降雨，然后干燥通风使土壤含水量控制在预设含水量范围内；反复降雨、通风干燥预设次数搭建得到试验土体轮廓。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供的重力侵蚀过程观测方案，在室内搭建实验土堆模拟野外待观测实体地形，并搭建人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统来模拟重力侵蚀发生条件。并设置数字地形采集系统对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。由于各系统均是在室内搭建，因此，重力侵蚀发生位置、规模等的确定性均可控，能够对重力侵蚀过程进行有效观测，不仅突刺，试验中所设置的各系统可分别采集重力侵蚀相关的各种数据，因此，可以全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，对重力侵蚀过程进行高精度观测，提升观测试验效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种室内重力侵蚀过程试验观测系统的结构示意图；
图2是试验土体搭建相关系统的结构示意图；
图3是本发明实施例三的一种室内重力侵蚀过程试验观测方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例一的一种室内重力侵蚀过程试验观测系统的结构示意图。
本发明实施例的室内重力侵蚀过程试验观测系统包括：填土装置、人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统以及数字地形采集系统。其中，由于图1中已经搭建出了试验土体101，因此，在图中未示出填土装置。
在具体实现过程中，填土装置与人工降雨系统、数字地形采集系统相配合，搭建用于试验的特定形状试验土体；利用填土装置堆置特定容重的土壤；利用人工降雨系统模拟自然降雨通过控制土地干湿变化塑造土壤结构，利用数字地形采集系统检查和确定试验土体地形，通过设计试验土体DEM和堆置试验土体DEM检查形状是否满足设计要求。
土壤含水量监测系统包括：多个土壤水分传感器1021以及采集各土壤水分传感器数据的数据采集器(在图1中未示出)，数据采集器与控制电脑连接在图1中未示出控制电脑。
数字地形采集系统包括相机阵列1031、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件，其中，同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件设置在计算机1032中。
在搭建试验所观测的试验土体时，在土体的不同深度层中埋设有土壤水分传感器，试验土体外侧设置有沟道104。
土壤水分传感器用于对试验土体的土壤水分过程进行自动监测，数据采集器采集分别采集各土壤水分传感器检测到的土壤含水量。在整个室内重力侵蚀过程试验观测过程中，数据采集器按照第一预设时间间隔采集土壤水分传感器的数据。试验土体的面积可以为8m×12m。
相机阵列1031排布在试验土体上方，用于在试验过程中拍摄试验土体的地形图像，同步器控制相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。
其中，每个地形图像对应一个DEM，多个时间连续观测即可得到多个DEM，通过对连续观测得到的各DEM进行分析，即可得到地形变化数据。DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)其数据形式一般有三角网格数据或栅格数据，在本发明中以DEM数据形式为栅格数据为例进行说明，DEM所包含的各栅格数据由数字地形采集系统采集和生成。
具体地，由于重力侵蚀过程随机、偶发和突发的特点，本发明实施例中采用不间断观测的策略，在实验过程中对试验土体的地形采用相机阵列连续拍照，然后采用近景摄影测量技术对数据进行解译。具体地，对海量照片数据进行摄像数据判断的基础上，对特定时段进行精细解译，获取重力侵蚀过程中高精度地形连续变化数据。相机阵列对地形实现监测频率≥2景/秒，误差≤1mm，连续采集能力≥60min。
人工降雨系统105搭建在试验土体正上方且完全覆盖试验土体101，用于在土堆搭建过程中、以及在重力侵蚀观测过程中提供降雨。
人工降雨系统主要是为试验区模拟降雨条件，其降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
沟道水沙过程测控系统用于配置试验过程中所需的含沙水流，对含沙水流进行调控以控制经过试验土体外侧沟道的水流流量；对沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对沟道出流的流量进行监测。
具体地，在重力侵蚀区域上游、下游中预设的取样点，然后按照第三预设时间间隔取各取样点的水流含沙量。
通过本发明实施例中提供的室内重力侵蚀过程试验观测系统，不仅可以模拟出重力侵蚀过程，并且通过数字地形采集系统还可以拍摄到重力侵蚀过程中试验土体地形变化过程图像，并且全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，如土壤含水量数据、重力侵蚀区域上游下游取样点处的水流含沙量数据以及沟道的水流流量数据等。
本发明实施例提供的重力侵蚀过程观测系统，在室内搭建实验土堆模拟野外待观测实体地形，并搭建人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统来模拟重力侵蚀发生条件。并设置数字地形采集系统对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。由于各系统均是在室内搭建，因此，重力侵蚀发生位置、规模等的确定性均可控，能够对重力侵蚀过程进行有效观测，不仅突刺，试验中所设置的各系统可分别采集重力侵蚀相关的各种数据，因此，可以全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，对重力侵蚀过程进行高精度观测，提升观测试验效率。
实施例二
依然参照图1对本发明实施例二的室内重力侵蚀过程试验观测系统进行说明。
本发明实施例的室内重力侵蚀过程试验观测系统包括：填土装置、人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统以及数字地形采集系统。其中，由于图1中已经搭建出了试验土体101，因此，在图中未示出填土装置。水分检测系统包括：多个土壤水分传感器1021以及采集各土壤水分传感器数据的数据采集器。
数字地形采集系统包括相机阵列1031、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件，其中同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件设置在计算机1032中。
在进行室内重力侵蚀过程试验观测前，首先需要搭建试验土体。搭建试验土体时，需要借助填土装置(其中，填土装置在图2中未示出)、人工降雨系统、数字地形采集系统、围挡配合进行搭建，并且在试验土体中还需要设置多个土壤水分传感器。搭建试验土体的相关系统的结构示意图如图2所示。
具体地，如图2所述搭建试验土体的相关系统包括：人工降雨系统、相机阵列1031、围挡107、土壤水分传感器1021、包含同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件的计算机1032，最终搭建出试验土体101。
数字地形采集系统获取野外待观测实体区域的第一DEM；按照预设比例尺将第一DEM数据进行转换，得到室内试验土体的第二DEM。
填土装置向围挡中添土，具体地在添土时，可以每次添15cm厚土层，从围挡底部开始分层添土，同时按照设计深度分层埋设土壤水分传感器(传感器埋深位置10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、90cm、120cm、150cm)，埋设的传感器与数据采集器相连。利用人工降雨系统对土体进行降雨，30mm/h雨强持续降雨30min，然后保持干燥和通风，使土壤含水量回复到15～20％之间；如此反复5-6次，最终培育出于野外待观测区域土体结构相似的试验土体轮廓。
拆开围挡，按照第二DEM对试验土体轮廓的形状进行进一步整理使实验土体轮廓的DEM与第二DEM二者的差异在5％以内即完成实验土体的堆建。
试验土体外侧设置有沟道104。
土壤水分传感器用于对试验土体的土壤水分过程进行自动监测，数据采集器采集分别采集各土壤水分传感器检测到的土壤含水量。在整个室内重力侵蚀过程试验观测过程中，数据采集器按照第一预设时间间隔采集土壤水分传感器的数据。试验土体的面积可以为8m×12m。
相机阵列1031排布在试验土体上方，用于在试验过程中拍摄试验土体的地形图像，同步器控制相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，近景摄影测量系统对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。
具体地，由于重力侵蚀过程随机、偶发和突发的特点，本发明实施例中采用不间断观测的策略，在实验过程中对试验土体的地形采用相机阵列连续拍照，然后采用近景摄影测量技术对数据进行解译。具体地，对海量照片数据进行摄像数据判断的基础上，对特定时段进行精细解译，获取重力侵蚀过程中高精度地形连续变化数据。相机阵列对地形实现监测频率≥2景/秒，误差≤1mm，连续采集能力≥60min。
人工降雨系统105搭建在试验土体正上方且完全覆盖试验土体101，用于在土堆搭建过程中、以及在重力侵蚀观测过程中提供降雨。
人工降雨系统主要是为试验区模拟降雨条件，其降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
沟道水沙过程测控系统106包括：水沙拌合水箱1061、潜污泵1062、变频控制系统1063、电磁流量计1064、三角堰测流系统1065以及水流量含沙量测量装置1066以及电机1067。
水沙拌合水箱配置试验过程中所需的含沙水流；潜污泵、变频控制系统和所述电磁流量计对含沙水流进行调控，以控制经过试验土体外侧沟道的水流流量。三角堰测流系统设置在沟道末端，三角堰测流系统对沟道出流的流量进行监测；水流量含沙量测量装置对沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测。
具体地，在重力侵蚀区域上游、下游中预设的取样点，然后按照第三预设时间间隔取各取样点的水流含沙量，以及按照预设时间间隔通过三角堰测流系统对沟道出流的流量进行监测，得到不同时间点下的沟道出流的流量值。
其中，第三预设时间间隔可以设置为5min。
通过本发明实施例中提供的室内重力侵蚀过程试验观测系统，不仅可以模拟出重力侵蚀过程，并且通过数字地形获取与处理系统还可以拍摄到重力侵蚀过程中试验土体地形变化过程图像，并且全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，如土壤含水量数据、重力侵蚀区域上游下游取样点处的水流含沙量数据以及沟道的水流流量数据等。
本发明实施例提供的重力侵蚀过程观测系统，在室内搭建实验土堆模拟野外待观测实体地形，并搭建人工降雨系统、土壤汗水量监测系统、沟道水沙过程测控系统来模拟重力侵蚀发生条件。并设置数字地形采集系统对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。由于各系统均是在室内搭建，因此，重力侵蚀发生位置、规模等的确定性均可控，能够对重力侵蚀过程进行有效观测，不仅突刺，试验中所设置的各系统可分别采集重力侵蚀相关的各种数据，因此，可以全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，对重力侵蚀过程进行高精度观测，提升观测试验效率。
实施例三
参照图3，示出了本发明实施例三的室内重力侵蚀过程试验观测方法的步骤流程图。
本发明实施例的室内重力侵蚀过程试验观测方法具体包括以下步骤：
步骤201：搭建人工降雨系统，以及数字地形采集系统。
其中，数字地形采集系统包括相机阵列、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件。
相机阵列设置在试验土体上方，在试验过程中，同步器则控制相机阵列对试验土体进行高时间分辨率的地形连续采集。近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件用于对相机阵列连续采集的图像进行分析。
人工降雨系统用于在试验土体搭建过程中、以及重力侵蚀过程试验观测的过程中提供降雨。人工降雨系统的降雨强度10-200m/h可调，降雨均匀度大于0.8。
步骤202：搭建试验所观测的试验土体。
试验所观测的试验土体具有特定形状。
具体地，在围挡装置中添土同时埋设土壤水分传感器，并通过人工降雨系统提供降雨搭建出试验土体轮廓，所搭建的试验土体轮廓与野外待观测实体区域的每个土层容重和含水量相近；参照与野外待观测实体区域相匹配的DEM对试验土体轮廓进行修整得到试验土体，DEM与试验土体的DEM差异小于预设值。其中，预设值可以设置为5％。
试验土体的具体搭建包括以下子步骤：
子步骤1：获取野外待观测实体区域的第一DEM，构建野外待观测实体区域相匹配的第二DEM，根据野外高精度第一DEM，给定垂向和水平向的模型比例尺；确定室内搭建试验土体的轮廓；
子步骤2：依据预设容重等参数进行试验土体轮廓搭建，同时在指定位置埋设土壤水分传感器；
具体地，按照试验土体搭建轮廓，控制每层的容重和含水量，按照每次填15cm厚土层从底部开始进行分层填土；填土的同时按照设计深度分层埋设土壤水分传感器(传感器埋深位置10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、90cm、120cm、150cm)，埋设的传感器与数据采集器相连；
利用人工降雨装置对土体进行降雨，30mm/h雨强持续降雨30min，然后保持干燥和通风，使土壤含水量回复到15～20％之间；如此反复5-6次。该过程是利用干湿过程培育黄土结构；
子步骤3：利用数字地形采集系统获取所搭建试验土体轮廓的第三DEM；将第三DEM与第二DEM进行比较，若二者匹配则土体搭建完成；若二者不匹配，则对试验土体轮廓进行修整，直至修整后的试验土体的DEM与第二DEM匹配为止完成实验土体搭建。
拆开土体搭建轮廓即围挡装置，按照高精度第一DEM对土体的形状进行进一步修整；利用数字地形采集系统获取试验土体第三DEM，并与第二DEM进行对照，直至两者之间表面地形差异在5％以内，完成实验土体搭建。
在试验过程中，土壤水分传感器采集试验土体中不同土层的含水量，数据采集器则按照第一预设时间间隔采集土壤水分传感器的数据，数据采集器与控制电脑连接。
试验土体外侧设置有沟道。
步骤203：搭建沟道水沙过程测控系统。
相机阵列设置在试验土体上方，在试验过程中，同步器则控制相机阵列对试验土体进行高时间分辨率的地形连续采集。近景摄影测量系统用于对相机阵列连续采集的图像进行分析。
沟道水沙过程测控系统包括水沙拌合水箱、潜污泵、变频控制系统、电磁流量计、三角堰测流系统以及水流量含沙量测量装置。
水沙拌合水箱用于配置试验过程中所需的含沙水流；潜污泵、变频控制系统和电磁流量计用于对含沙水流进行调控，以控制经过试验土体外侧沟道的水流流量三角堰测流系统设置在沟道末端，用于对沟道出流的流量进行监测；水流量含沙量测量装置用于对试验土体中重力侵蚀区域上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测。
步骤204：在室内重力侵蚀过程试验观测开始时，开启人工降雨系统提供观测过程中所需的降雨，开启数据采集器采集各土壤水分传感器检测到的土壤含水量。
步骤205：开启数字地形采集系统。
数字地形采集系统开启后，同步控制器控制所述相机阵列同步拍摄的地形图像，基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件对所拍摄的图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。
由于重力侵蚀过程随机、偶发和突发的特点，本发明实施例中采用不间断观测的策略，在实验过程中对试验土体的地形采用相机阵列连续拍照，然后采用近景摄影测量技术对数据进行解译。具体地，对海量照片数据进行摄像数据判断的基础上，对特定时段进行精细解译，获取重力侵蚀过程中高精度地形连续变化数据。相机阵列对地形实现监测频率≥2景/秒，误差≤1mm，连续采集能力≥60min。
步骤206：开启沟道水沙过程测控系统进行沟道水流供水冲刷，并对沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对沟道出流的流量进行监测。
本发明实施例中，在重力侵蚀区的上游和下游分别设一处含沙量测定取样点，在试验过程中，每隔5min取一次水样测定水流含沙量。
需要说明的是，步骤204、步骤205、步骤206并无先后顺序之分，在室内重力侵蚀过程试验观测开始时三个步骤同步执行。
步骤207：利用地形变化数据、土壤含水量数据、沟道出流的流量数据以及取样点的水流含沙量数据进行试验土体重力侵蚀分析。
具体地，利用高精度高时间分辨率地形数据分析重力侵蚀过程中的地形变化数据：发生重力侵蚀部位前后的地形要素；重力侵蚀量；重力侵蚀物质的重新分配；分析重力侵蚀引起的次生过程等；分析重力侵蚀发生后的土壤固结过程及下一次降雨等因素的影响等。利用数据采集器采集到的土壤含水量数据分析土壤含水量变化过程，分析重力侵蚀发生时不同部位的土壤含水量。利用沟道水沙过程测控系统检测到的沟道流量和含沙量数据分析重力侵蚀对沟道水沙过程的影响过程。
本发明实施例提供的重力侵蚀过程观测方法，在室内搭建实验土堆模拟野外待观测实体地形，并搭建人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统来模拟重力侵蚀发生条件。并设置数字地形采集系统对相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到试验土体地形变化数据。由于各系统均是在室内搭建，因此，重力侵蚀发生位置、规模等的确定性均可控，能够对重力侵蚀过程进行有效观测，不仅突刺，试验中所设置的各系统可分别采集重力侵蚀相关的各种数据，因此，可以全面同步获取重力侵蚀各种影响数据，对重力侵蚀过程进行高精度观测，提升观测试验效率。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种室内重力侵蚀过程试验观测系统及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、电子系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的客户端设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (9)
1.一种室内重力侵蚀过程试验观测系统，其特征在于，所述系统包括：
填土装置、人工降雨系统、土壤含水量监测系统、沟道水沙过程测控系统以及数字地形采集系统；
所述土壤含水量监测系统包括多个土壤水分传感器以及采集各土壤水分传感器数据的数据采集器，数据采集器与控制电脑连接；
所述填土装置、人工降雨系统以及数字地形采集系统配合搭建用于试验的特定形状的试验土体，所述土体的不同深度层中埋设有所述土壤水分传感器，所述试验土体外侧设置有沟道；
所述数字地形采集系统包括相机阵列、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件；所述相机阵列排布在所述试验土体上方，用于在试验过程中拍摄所述试验土体的地形图像，所述同步器控制所述相机阵列中的各相机同步拍摄地形图像，所述处理软件对所述相机阵列拍摄的地形图像进行分析，得到所述试验土体地形变化数据；
所述人工降雨系统搭建在所述试验土体正上方且完全覆盖所述试验土体，用于在土堆搭建过程中、以及在重力侵蚀观测过程中提供降雨；
所述沟道水沙过程测控系统用于配置试验过程中所需的含沙水流，对所述含沙水流进行调控以控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沟道水沙过程测控系统包括：水沙拌合水箱、潜污泵、变频控制系统、电磁流量计、三角堰测流系统以及水流量含沙量测量装置；
所述水沙拌合水箱配置试验过程中所需的含沙水流；
所述潜污泵、变频控制系统和所述电磁流量计对所述含沙水流进行调控，以控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；
所述三角堰测流系统设置在所述沟道末端，所述三角堰测流系统对所述沟道出流的流量进行监测；
所述水流量含沙量测量装置对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，土壤水分传感器分别埋设在所述试验土体的10cm深度处、20cm深度处、30cm深度处、70cm深度处、90cm深度处、120cm深度处、150cm深度处。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
搭建试验土体时，所述填土装置在围挡中填土，围挡中土填充完毕后，通过所述人工降雨系统提供降雨，然后干燥通风使土壤含水量控制在预设含水量范围内；反复降雨、通风干燥预设次数搭建得到试验土体轮廓。
5.一种室内重力侵蚀过程试验观测方法，其特征在于，
搭建人工降雨系统，以及数字地形采集系统，其中，所述数字地形采集系统包括相机阵列、同步器以及基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件；
搭建试验所观测的试验土体，所述土体的不同深度层中埋设有所述土壤水分传感器，所述人工降雨系统搭建在所述试验土体上方，所述试验土体外侧设置有沟道；所述土壤水分传感器与数据采集器连接，数据采集器与控制电脑连接；
搭建沟道水沙过程测控系统；
在室内重力侵蚀过程试验观测开始时，开启所述人工降雨系统提供观测过程中所需的降雨，开启所述数据采集器采集各土壤水分传感器检测到的土壤含水量；
开启数字地形采集系统，所述同步控制器控制所述相机阵列同步拍摄的地形图像；所述基于近景摄影和倾斜摄影测量原理的处理软件对所拍摄的图像进行分析，得到所述试验土体地形变化数据；
开启沟道水沙过程测控系统进行沟道水流供水冲刷，并对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测；
利用所述地形变化数据、土壤含水量数据、沟道出流的流量数据以及所述取样点的水流含沙量数据进行试验土体重力侵蚀分析。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述搭建试验所观测的试验土体的步骤，包括：
获取野外待观测实体区域的第一DEM；
按照预设比例尺将所述第一DEM数据进行转换，得到室内试验土体的第二DEM；
根据野外待观测实体区域的面积、以及所述预设比例尺搭建围挡装置；
依据预设容重等参数进行试验土体轮廓搭建，同时在指定位置埋设土壤水分传感器；
利用数字地形采集系统获取所搭建试验土体轮廓的第三DEM；
将所述第三DEM与所述第二DEM进行比较，若二者匹配则土体搭建完成；若二者不匹配，则对所述试验土体轮廓进行修整，直至修整后的试验土体的DEM与所述第二DEM匹配为止完成实验土体搭建。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述沟道水沙过程测控系统包括：水沙拌合水箱、潜污泵、变频控制系统、电磁流量计、三角堰测流系统以及水流量含沙量测量装置；所述开启沟道水沙过程测控系统进行沟道水流供水冲刷，并对所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量进行监测，对所述沟道出流的流量进行监测的步骤，包括：
所述水沙拌合水箱配置试验过程中所需的含沙水流；
所述潜污泵、变频控制系统和所述电磁流量计对所述含沙水流进行调控，控制经过所述试验土体外侧沟道的水流流量；
所述三角堰测流系统设置在所述沟道末端，所述三角堰测流系统对所述沟道出流的流量进行监测；
所述水流量含沙量测量装置检测所述沟道的上游、下游中预设的取样点的水流含沙量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，土壤水分传感器分别埋设在所述试验土体的10cm深度处、20cm深度处、30cm深度处、70cm深度处、90cm深度处、120cm深度处、150cm深度处。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述依据预设容重等参数进行试验土体轮廓搭建，同时在指定位置埋设土壤水分传感器的步骤包括：
在围挡中添土同时埋设土壤水分传感器，围挡中土填充完毕后，通过所述人工降雨系统提供降雨，然后干燥通风使土壤含水量控制在预设含水量范围内；反复降雨、通风干燥预设次数搭建得到试验土体轮廓。
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