CN107727152B - 野外自动土壤侵蚀监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种野外自动土壤侵蚀监测装置及监测方法,解决了现有土壤侵蚀监测装置可靠性差、功能单一、数据精度差等问题。技术方案包括支架,所述支架包括垂直设置的主支撑杆,位于主支撑杆顶部的设备平台,水平均匀安装在设备平台周部的4根副支撑杆,所述副支撑杆上设有至少一个探头垂直下向的超声波测距仪,所述设备平台上设有红外线雨量/雨强传感器、北斗数据传输模块、单片机，以及为上述设备供电的蓄电池；所述超声波测距仪、红外线雨量/雨强传感器和北斗数据传输模块均与单片机连接。本发明装置结构简单、使用寿命长、功能全面，本发明方法能有效剔除产流造成的不真实数据，野外土壤侵蚀监测准确性高的、可自动进行判断和计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种野外监测设备及及监测方法，具体的说是一种野外自动土壤侵蚀监测装置及监测方法。
背景技术
土壤侵蚀常表层土壤厚度的变化，在单个监测点位上表现为土壤的侵蚀和堆积现象，土壤厚度变化监测是水土保持监测的一项重要内容。
目前对于土壤厚度变化的测定方法可以分为传统方法和新方法，传统方法主要包括插钎法和径流小区观测法，插钎法是将插钎垂直插入土层中，读取露出土面长度变化以计算土壤厚度变化的方法，这种方法耗时耗力、测量误差较大；径流小区观测法是对土面围堰并收集随径流冲下的泥沙，再通过泥沙量除以围堰面积得出土面的平均侵蚀厚度的方法，这种方法适用面窄，人工观测误差大，精度较低，适宜于水土流失监测而不适宜于土壤侵蚀观测。新技术方法包括立体测距法、单点测距法、遥感解译法、光电测尺法、间接法等，新技术大多受限于成本高、操作复杂，因而难以推广。
如立体测距法、单点测距法可以统称为测距法，区别在于测距设备类型和测距点的数量，测距法测量精度高，但操作复杂、成本较高、后期处理难度大，且目前国内外测距法均未解决降雨时坡面径流造成的测量误差。
立体测距法主要是利用三维激光扫描和倾斜摄影测量技术，定期读取地形数据，根据地形变化量推算土壤侵蚀量，如专利(CN201010143941.2)对此种方法进行了简化和标准化改进，但仍具有成本高、操作复杂、需要后期专门处理等缺点。单点测距法类似于插钎的原理，采用单点测距，基于激光测距和超声波测距原理，获取典型点的土壤侵蚀厚度变化，进而推算监测面土壤侵蚀变化，如专利(CN201210063867.2)利用激光测距原理，对单点测距进行了改良，使用可转动激光测距仪获取多点土壤侵蚀变化情况，
遥感解译法是利用大尺度的影像并结合地面高程数据进行土壤侵蚀估算的方法，如专利(CN201511023717.9)对这种方法进行了限定和改进，但遥感解译法精度较低，适用于大尺度水土保持监测，对于高精度小区域的监测意义不大。光电测尺法是利用由光电池PV数量不少于1块的线型排列的光电池阵列组成测尺，直接读取土壤厚度变化值，如专利(CN200920191369.X)公开了一种用于土壤侵蚀观测的光电测尺，这种方法受限于供能情况、使用寿命、光电测尺读取精度及自动化问题，难以在野外环境恶劣条件下使用。间接法是利用测量土壤里其它与土壤侵蚀相关的数据，综合推算土壤侵蚀情况的方法，如专利(CN201620224908.5)则主要利用光电传感器、温度湿度传感器等获得与土壤侵蚀相关的温度、湿度等数据，进而转换成土壤侵蚀量，这种方法测量的不稳定性很大，且出现误差极难矫正，不适宜于大面积复杂环境布设。
综上，布设野外自动土壤侵蚀监测设备需具备以下几个条件：1、具备自我供能条件；2、成本较低；3、使用寿命长；4、监测精度高较高、5、功能全面。由于土壤侵蚀监测点常位于环境恶劣的野外，同时管理条件低，通讯环境差，目前国内外均未在土壤侵蚀监测上大规模布设无人值守自动监测设备。
另一方面，产流是降雨后覆盖在地表的水层，此时若采用测距仪测量时，其测到的数值，则是水层上面的数据，而非土壤表面的真实数据，因此当降雨后产流的产生会直接影响监测数据的真实可靠性，当监测设备用于野外土壤侵蚀监测时，产流对数据的准确性的影响一直是需要克服问题，其主要原因是(1)当地面出现降雨造成的产流后存在水位误差，监控设备无法进行自动判别，导致测得的数据不真实；(2)有降雨并不意味着一定会发生产流，降雨和产流并不存在必然关系，并且地质条件不同，产流发生的条件也不相同，因此无法通过简单判断降雨的有无来判断产流是否产生，进一步造成监测数据的不真实。目前为止还没有好的办法解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、具备自我供能、使用寿命长、精度高、功能全面的野外自动土壤侵蚀监测装置。
本发明的另一目的提供一种能有效剔除产流造成的不真实数据，野外土壤侵蚀监测准确性高的、可自动进行判断和计算的野外自动土壤侵蚀监测装置的监测方法。
技术方案包括支架,所述支架包括垂直设置的主支撑杆,位于主支撑杆顶部的设备平台,水平均匀安装在设备平台周部的4根副支撑杆,所述副支撑杆上设有至少一个探头垂直下向的超声波测距仪,所述设备平台上设有红外线雨量/雨强传感器、北斗数据传输模块、单片机，以及为上述设备供电的蓄电池；所述超声波测距仪、红外线雨量/雨强传感器和北斗数据传输模块均与单片机连接。
所述设备平台上还设有与单片机连接的倾斜/防盗报警模块、气温/湿度测量传感器和GPS/北斗定位模块。
所述设备平台上还设有为所述蓄电池充电的太阳能供电板。
所述主支撑杆的下段经锚固件埋入地面以下。
所述主支撑杆埋入地面以下的部分安装有地温/含水率测量传感器。
所述地温/含水率测量传感器上方设有保护罩。
所述设备平台上还设有气泡型水平仪。
针对背景技术中存在的问题，发明人设计了一种野外自动土壤侵蚀监测装置，将多个监测装传感器集成在一个支架上，利用单片机对采集的各项数据进行分析、储存，并通过无线传输方式传送给后台控制终端。超声波测距仪具有采购成本低、准确性高、不易损坏的特点，用来替代光电测尺来采集土壤高度数据，可以在一个支架上布置多个，以同步采集多点数据，增加数据分析的准确性；所述红外雨量/雨强传感器安装在设备平台上，用于监测雨量/雨强数据，结合时间可以分析得到降雨时长，并作用土壤是否处于降雨产流状态的判断条件之一；所述地温/含水率测量传感器安装在主支撑杆直入地面以下的部分，优选埋深为20±2cm，用于监测土壤含水率，可以作为土壤是否处于降雨产流状态的判断条件之一。所述倾斜/防盗报警模块用于监测支架是否处于垂直状态，否则发出报警信号给监控终端，气温/湿度测量传感器用于监测环境温度和湿度，GPS/北斗定位模块用于设备定位。由于上述各检测设备都集中在一个支架上，不仅易于组装生产、便于集中管理，且各项数据采集范围集中，使数据分析得到的结果更加真实可靠。
本发明野外自动土壤侵蚀监测装置的监测方法，包括以下步骤：
正常工作时，多个超声波测距仪实时监测垂直距离土壤高度数据a,b,c,……m、红外线雨量/雨强传感器实时监测瞬时雨强R，土壤含水率传感器实时监测土壤含水率C，上述数据均送入单片机分析保存后经北斗数据传输模块传无线发送给控制终端，由控制终端进行如下计算：
公式1：
其中，E为tn时刻的土壤侵蚀模数；tn表示某一时刻，an，bn，cn，……mn表示若干个超声波测距仪在tn时刻的读取值；tn-1表示在所述tn时刻的上一记录时刻,所述an-1，bn-1，cn-1，……mn-1表示所述若干个超声波测距仪在tn-1时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
当周围环境有降雨情况发生时，根据不同的土质条件对以下三个参数进行监测，以判断是否存在产流：
(1)粘土条件下：①瞬时雨强R≥30mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥30％；
(2)壤土条件下：①瞬时雨强R≥35mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥25％；
(3)砂土条件下：①瞬时雨强R≥40mm/h，②单次降雨历时tr≥40min，③土壤质量含水率C≥20％；
所述tr为单次降雨前后记录的两次瞬时雨强为0mm/h的间隔时长；
判断标准为：当上述三个条件中任一条件满足时，则判定为有产流发生，控制终端将此时读取的各项数据判定为误差值，不进行土壤侵蚀模数E的计算。
当所述三个条件同时不满足，则判定为无产流状态，此时控制终端进行如下计算：
公式2：
其中，E为tq时刻的土壤侵蚀模数；ti表示满足三个条件任意一个条件的临界时刻(产流前临界)；tq表示三个条件均不满足时的退水时刻(该次产流后完全退水)，ai，bi，ci，……mi表示若干个超声波测距仪在ti时刻的读取值；所述aq，bq，cq，……mq表示所述若干个超声波测距仪在tq时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
为了尽可能消除监测过程中产流造成的数据误差，发明人对不同地质条件、产流发生的条件进行了深入的研究，创造性的提出了对三个条件进行监测，分别是红外线雨量/雨强传感器监测的瞬时雨强R、地温/含水率测量传感器监测的土壤质量含水率C和单片机记录的单次降雨历时tr，申请人研究发现，这三个数据与产流的产生密切相关，通过对上述三个参数的分析，可以判断出是否存在产流。进一步的，由于地质条件不同，产流发生的情况也不相同，如粘土保水性好，含水率较高也不易发产流，但其短时吸水性不好，瞬时雨强R≥30mm/h就极易发生产流；而砂土则短时吸水性好，瞬时雨强R不到40mm/h通常不会发生产流，而其保水性不好，一旦土壤质量含水率C≥20％就易发生产流等等，因此，发明人进一步对装置所处不同的地质条件、产生产流的条件进行了深入的研究，并对判断标准进行了细分，针对粘土、壤土和砂土分别制定了不同的判定断标准。当满足三个条件中的任一条件时，则认为土壤存在产流发生的可能，这段时间内的数据则作为误差数据，不代入公式中用作计算土壤侵蚀模数。
进一步的，当三个条件均不满足时，则判定产流消失，该退水时刻记录的数据作为有效数据可作代入计算公式中，由于该有效数据与产流前的临界时刻记录的有效数据具有时间差，那么，控制终端需要将三个条件同时不满足时退水时刻ti减去满足三个条件任意一个条件前的临界时刻tq，而两个时刻之间传入的所有数据则作为误差剔除。
通过上述监测方法，可以很好的消除土壤产流对土壤侵蚀监测数据的影响，有效避免数据误差，提高监测的准确性、可靠性和真实性，所有分析、判断及计算均可在控制终端自动完成，彻底解决了现有野外自动土壤侵蚀监测存在的数据受产流影响，准确性不高的问题。
本发明装置设计结构简单、占地面积小、各项传感器技术成熟、水位误差判别高效、操作简便、能耗低、自动化程度高、准确性高、生产和维护成本低，使用寿命长，适宜于平面、坡面状态下的各类环境，实际使用时设备适宜于各种坡度和狭长地形，长时间使用也能保持优异的准确性，特别适用于野外土壤侵蚀自动监测。本发明方法简单、可靠、准确性高，操作性强，扩展能力强，自动化程度高、可升级优化空间大，具备较好的市场推广前景。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为设备平台的俯视图。
图3为实验1四种坡度下的数据对比图。
图4为实验2中本发明设备读数与光电测尺比较效果图。
其中，1-主支撑杆、2-设备平台、3-副支撑杆、4-超声波测距仪、5-红外线雨量/雨强传感器、6-气温/湿度测量传感器、7-北斗数据传输模块、8-单片机，9-蓄电池、10-倾斜/防盗报警模块、11-锚固件、12-GPS/北斗定位模块、13-太阳能供电板、14-地温/含水率测量传感器、15-保护罩、16-气泡型水平仪、17-控制终端、18-坡面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置作进一步解释说明：
本发明装置的支架包括垂直设置的主支撑杆1,位于主支撑杆顶部的设备平台2,水平均匀安装在设备平台周部的4根副支撑杆3,所述副支撑杆3设有至少一个探头垂直下向的超声波测距仪4,本实施例中在端部设置了一个，除此之外，根据需要还可以在每个副支撑杆4均匀加装多个；所述主支撑杆1的下段经锚固件11埋入地面以下，其地面以下的部分安装有地温/含水率测量传感器14，所述地温/含水率测量传感器14上方设有保护罩15，防止入渗水直接沿埋线包裹含地温/含水率测量传感器14而造成读数偏大。
所述设备平台2集成有多个传感器和设备，包括红外线雨量/雨强传感器5、气温/湿度测量传感器6、北斗数据传输模块7、单片机8、GPS/北斗定位模块12、倾斜/防盗报警模块10、以及为上述设备供电的蓄电池9、为所述蓄电池充电的太阳能供电板13和气泡型水平仪16；所述超声波测距仪4、红外线雨量/雨强传感器5、气温/湿度测量传感器6、GPS/北斗定位模块12、倾斜/防盗报警模块10、地温/含水率测量传感器14(可购自大连祺峰科技有限公司的SMTS-II-50土壤水分传感器)和北斗数据传输模块7均与单片机8连接。
所述红外线雨量/雨强传感器5用于监测周围环境的雨量及雨强，可购自北京河北稳控科技有限公司生产的IRS202型号的红外雨量传感器；
所述气温/湿度测量传感器6用于监测周围环境的气温和温度，可购自广州奥松电子有限公司生产的型号的AM2322传感器；
所述北斗数据传输模块7用于将来自单片机8的数据远程传输至控制终端，北斗数据传输模块7可购自福大北斗有限公司的FB3511北斗短报文终端；
GPS/北斗定位模块12用于对该设备进行定位，可购自武汉梦芯科技有限公司的MXT903型号；
倾斜/防盗报警模块10用于监测支架是否有倾斜或被盗，可购自东莞市百灵电子有限公司的BL-3827型号；
所述超声波测距仪4可购自深圳市导向机电公司的KS109型号。根据需要还可使用激光测距传感器全部或部分替代超声波测距仪4。
所述单片机8通过北斗数据传输模块7向控制终端17远程传输各种数据并进行通讯。
监测方法包括以下步骤：
正常工作时，多个超声波测距仪实时监测垂直距离土壤高度数据a,b,c,……m、红外线雨量/雨强传感器实时监测瞬时雨强R，土壤含水率传感器实时监测土壤含水率C，上述数据均送入单片机分析保存后经北斗数据传输模块传无线发送给控制终端，由控制终端进行如下计算：
公式1：
其中，E为tn时刻的土壤侵蚀模数；tn表示某一时刻，an，bn，cn，……mn表示若干个超声波测距仪在tn时刻的读取值；tn-1表示在所述tn时刻的上一记录时刻,所述an-1，bn-1，cn-1，……mn-1表示所述若干个超声波测距仪在tn-1时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
当周围环境有降雨情况发生时，根据不同的土质条件对以下三个参数进行监测，以判断是否存在产流：
(1)粘土条件下：①瞬时雨强R≥30mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥30％；
(2)壤土条件下：①瞬时雨强R≥35mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥25％；
(3)砂土条件下：①瞬时雨强R≥40mm/h，②单次降雨历时tr≥40min，③土壤质量含水率C≥20％；
所述tr为单次降雨前后记录的两次瞬时雨强为0mm/h的间隔时长；
判断标准为：当上述三个条件中任一条件满足时，则判定为有产流发生，控制终端将此时读取的各项数据判定为误差值，不进行土壤侵蚀模数E的计算。
当所述三个条件同时不满足，则判定为无产流状态，此时控制终端进行如下计算：
公式2：
其中，E为tq时刻的土壤侵蚀模数；ti表示满足三个条件任意一个条件的临界时刻(产流前临界)；tq表示三个条件均不满足时的退水时刻(该次产流后完全退水)，ai，bi，ci，……mi表示若干个超声波测距仪在ti时刻的读取值；所述aq，bq，cq，……mq表示所述若干个超声波测距仪在tq时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
实验1：
为了验证本发明设备监测的准确性，发明人进行了如下实验：
1.根据要求垂直布置好本发明监测设备，在监测设备下放置一个带刻尺围栏的平板车，将平板车分别调整至水平(0°)、10°、20°、30°，本发明设备读数，并用激光测距仪读取超声波测距头距平板车距离进行矫正；
2.维持平板车水平状态(0°)，在平板车上均匀装土，每次控制装填0.5cm，装完后抹平压实，并将平板车分别调整至水平(0°)、10°、20°、30°，采用本发明监测设备进行读数；
结果见图3：在0°、10°、20°、30°坡下，本发明监测设备监测的总标准偏差分别为0.19cm、0.21cm、0.15cm、0.27cm，其测量精度在0.3cm以内。
实验2：
1.为了验证本发明设备对平地(0°)积水和坡面薄层水流误差的剔除效果，发明人进行了如下补充实验：
2在维持平板车水平状态(0°)，在平板车上均匀装壤土，每次控制装填0.5cm土，在装土高3cm、6cm、9cm、12cm时，利用光电测尺和水位计分别补充0.5cm、1cm、0.5cm、1cm深的积水，待液位恒定后，进行检测读取。
本发明设备读数与光电测尺比较效果见图4，光电测尺读数总误差为6.8cm，平均误差为0.2cm，其中4次积水误差对总误差的贡献率高达49％，本发明设备读数总误差平方和为2.6cm，平均误差为0.09cm。本发明设备在剔除积水和薄层水流误差值后精度显著提高。
Claims (11)
1.一种野外自动土壤侵蚀监测装置,包括支架,其特征在于,所述支架包括垂直设置的主支撑杆,位于主支撑杆顶部的设备平台,水平均匀安装在设备平台周部的4根副支撑杆,所述副支撑杆上设有至少一个探头垂直下向的超声波测距仪,所述设备平台上设有红外线雨量/雨强传感器、北斗数据传输模块、单片机，以及为上述设备供电的蓄电池；所述超声波测距仪、红外线雨量/雨强传感器和北斗数据传输模块均与单片机连接；
正常工作时，多个超声波测距仪实时监测垂直距离土壤高度数据a,b,c,……m、红外线雨量/雨强传感器实时监测瞬时雨强R，土壤含水率传感器实时监测土壤含水率C，上述数据均送入单片机分析保存后经北斗数据传输模块传无线发送给控制终端，由控制终端进行如下计算：
公式1：
其中，E为tn时刻的土壤侵蚀模数；tn表示某一时刻，an，bn，cn，……mn表示若干个超声波测距仪在tn时刻的读取值；tn-1表示在所述tn时刻的上一记录时刻,所述an-1，bn-1，cn-1，……mn-1表示所述若干个超声波测距仪在tn-1时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
2.如权利要求1所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述设备平台上还设有与单片机连接的倾斜/防盗报警模块、气温/湿度测量传感器和GPS/北斗定位模块。
3.如权利要求1所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述设备平台上还设有为所述蓄电池充电的太阳能供电板。
4.如权利要求1-3任一项所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述主支撑杆的下段经锚固件埋入地面以下。
5.如权利要求4所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述主支撑杆埋入地面以下的部分安装有地温/含水率测量传感器。
6.如权利要求5所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述地温/含水率测量传感器的埋深为20±2cm。
7.如权利要求5或6所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述地温/含水率测量传感器上方设有保护罩。
8.如权利要求1-3任一项所述的野外自动土壤侵蚀监测装置，其特征在于，所述设备平台上还设有气泡型水平仪。
9.一种权利要求1-8任一项所述野外自动土壤侵蚀监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
正常工作时，多个超声波测距仪实时监测垂直距离土壤高度数据a,b,c,……m、红外线雨量/雨强传感器实时监测瞬时雨强R，土壤含水率传感器实时监测土壤含水率C，上述数据均送入单片机分析保存后经北斗数据传输模块传无线发送给控制终端，由控制终端进行如下计算：
公式1：
其中，E为tn时刻的土壤侵蚀模数；tn表示某一时刻，an，bn，cn，……mn表示若干个超声波测距仪在tn时刻的读取值；tn-1表示在所述tn时刻的上一记录时刻,所述an-1，bn-1，cn-1，……mn-1表示所述若干个超声波测距仪在tn-1时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
10.如权利要求9所述野外自动土壤侵蚀监测装置的监测方法，其特征在于，当周围环境有降雨情况发生时，根据不同的土质条件对以下三个参数进行监测，以判断是否存在产流：
(1)粘土条件下：①瞬时雨强R≥30mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥30％；
(2)壤土条件下：①瞬时雨强R≥35mm/h，②单次降雨历时tr≥30min，③土壤质量含水率C≥25％；
(3)砂土条件下：①瞬时雨强R≥40mm/h，②单次降雨历时tr≥40min，③土壤质量含水率C≥20％；
所述tr为单次降雨前后记录的两次瞬时雨强为0mm/h的间隔时长；
判断标准为：当上述三个条件中任一条件满足时，则判定为有产流发生，控制终端将此时读取的各项数据判定为误差值，不进行土壤侵蚀模数E的计算。
11.如权利要求10所述野外自动土壤侵蚀监测装置的监测方法，其特征在于，当所述三个条件同时不满足，则判定为无产流状态，控制终端进行如下计算：
公式2：
其中，E为tq时刻的土壤侵蚀模数；ti表示满足三个条件任意一个条件的临界时刻；tq表示三个条件均不满足时的退水时刻，ai，bi，ci，……mi表示若干个超声波测距仪在ti时刻的读取值；所述aq，bq，cq，……mq表示所述若干个超声波测距仪在tq时刻的读取值，ρ为土壤密度，L为副支撑杆的长度，分母上的m为超声波测距仪的数量。
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