CN107796331A - 基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置、土壤表面形态监测及数据分析方法 - Google Patents

基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置、土壤表面形态监测及数据分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，包括推扫式激光测距雷达、雷达搭载平台、数据处理中心；雷达搭载平台用于驱动推扫式激光测距雷达沿X轴和Y轴方向进行步进运动；推扫式激光测距雷达包括雷达主体和激光测距模块；数据处理中心用于控制雷达搭载平台的运动,控制驱动电机的运动,接收及处理推扫式激光测距雷达数据。并公开了基于该装置的土壤表面形态监测及数据分析方法。本发明所述装置和方法，能精细捕捉土壤表面的三维形态结构，同时可以避免外界光干扰，测量结果更加准确。同时，推扫式空间运动，能有效减少土表起伏或不规则裂隙等遮挡造成的土表信息缺失问题，相比于固定式扫描单元，能获取更完整的土表信息。

Description

基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置、土壤表面形态监 测及数据分析方法
技术领域
本发明涉及到一种激光雷达3D成像装置，具体涉及到基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，以及土壤表面形态监测及数据分析方法，属于土壤研究工具技术领域。
背景技术
土壤由湿变干过程中会因失水而收缩，表面会发生开裂、下陷；而在由干变湿过程中会膨胀，产生裂隙封闭和土面升高。土壤在干湿交替过程中产生的各种形变，对于农业生产、建筑工程等都会产生不良影响。农田土壤严重开裂和形变会损伤作物根系，使得根系的水肥吸收能力下降，影响作物产量；会促进土壤水分蒸发，引起干旱和土壤进一步开裂；还会影响土壤温度、氧化还原环境和气体循环过程等。建筑工程中土壤形变会破坏地表或地下工程设施。因此，需要高精度、准确、快速地表征土壤表面三维形态的技术方法。
对于土壤表面的形变和裂隙发育情况的测定，早期的方法包括填砂、注胶、浮力排容积等。这些方法往往仅能测得一定土壤的容积变化，并不能展现其表面的三维空间结构，且具有破坏性，不能实现研究对象的持续监测。后来，有人尝试利用激光定点测量土柱高度和直径的连续变化，实现了对土壤形变的无损测量。但该方法激光头位置不能移动，仍无法测得土壤的三维形态信息【1】。X射线分层扫描技术(CT技术)虽然可以实现对土体三维空间结构的重构，但其仪器昂贵，且必须要破坏性采样，且对样品尺寸有较严格限定【2】。近年来，有人用基于可见光成像技术对土壤的形变、开裂过程进行研究，但大多数研究只能获取土壤表面的二维形态，无法反映表面起伏和胀缩，且可见光成像易受阴影等因素影响，应用受到一定限制【3】。
基于激光测距的LiDAR(Light Detection And Ranging，即激光探测与测量)技术具有空间位置测量准确、受外界条件干扰小、数据量大等优点。LiDAR技术在土方体积测算【4】、滑坡监测【5】、高精度DEM建模【6】等方面都得到了应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置。
本发明采用的技术方案为：一种基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，包括推扫式激光测距雷达、雷达搭载平台、数据处理中心；
所述雷达搭载平台用于驱动推扫式激光测距雷达沿水平方向的X轴和Y轴方向进行步进运动；
所述推扫式激光测距雷达包括雷达主体和激光测距模块，所述雷达主体内设有驱动激光测距模块沿旋转轴旋转的驱动电机以及有线/无线数据传输模块，其中旋转轴为Z轴方向，有线/无线数据传输模块用于接受控制信号、发送推扫式激光测距雷达数据；
所述数据处理中心用于控制雷达搭载平台的运动、控制驱动电机的运动、接收及处理推扫式激光测距雷达数据。
优选的，所述雷达搭载平台包括支架主体、X轴行进装置、Y轴行进装置和控制模块；
所述支架主体包括四根支柱和四根横梁，所述横梁互相连接成方形框架，支柱用于支撑方形框架；
所述X轴行进装置包括X向左滑台，X向右滑台以及连接左滑台和右滑台的两根导轨，X向左滑台、X向右滑台分别设置于相对的横梁上并可沿横梁做X方向的同步步进运动；
所述Y轴行进装置包括分别设置于两根导轨上的Y向左滑台和Y向右滑台，可沿导轨做Y方向的同步步进运动，推扫式激光测距雷达搭载于Y轴行进装置上；
所述控制模块用于控制X轴行进装置、Y轴行进装置的运动。
优选的，所述激光测距模块的转速为300～900rpm，激光测距模块的距离测量误差小于0.5mm。
优选的，所述支柱为高度可调支柱，调节范围0.15～1.50m。
本发明还公开了基于上述土壤表面形态监测装置的土壤表面形态监测及数据分析方法，其步骤包括：
根据推扫式激光测距雷达的扫描半径，将土壤表面模拟网格化，以任何一角为原点，网格的其他交点为节点；
(1)根据推扫式激光测距雷达的扫描半径，将土壤表面模拟网格化，以任何一角为原点，网格的其他交点为节点；
(2)数据采集：推扫式激光测距雷达在雷达搭载平台限制的平面内从原点开始对待测土壤表面进行扫描，完成后移动至下一节点进行扫描，直至完成所有节点的扫描工作，数据传送给计算机进行处理，扫描次数、节点的位置、移动速度均预设好；
(3)土壤表面的形态识别：
a)数据预处理：包括数据去噪与漏洞填补、点云配准；
b)点云土壤表面重建：通过采集到的点云数据来恢复土壤表面的三维几何形态，建立数字表面模型DSM；
c)土壤表面胀缩性的评价：经过对土壤在湿润和经过干燥后两个时刻的DSM测量结果，土壤表面任一点因胀缩造成的垂向高度变化系数Δ可表征为，
Δ＝(Hwet-Hdry)/Hdry
Hwet和Hdry分别为土壤在湿润和经过干燥后时刻的高度；
d)土壤表面裂隙的识别和提取：采用基于多尺度和局部特征权值的特征线提取算法识别的土壤表面的裂隙边缘，确定土壤表面裂隙的空间分布【7】；
e)土壤表面裂隙特征评价：基于土壤的DSM，确定裂隙的基础指标，包括长度、宽度、深度；以及裂隙高阶指标，例如裂隙面积密度【8】。
优选的，点云土壤表面重建采用Delaunay三角化方法。
本发明所述装置和方法，与现有可见光成像测量技术相比，能精细捕捉土壤表面的三维形态结构，同时可以避免外界光干扰，测量结果更加准确。同时，扫描单元的推扫式空间运动，能有效减少土表起伏或不规则裂隙等遮挡造成的土表信息缺失问题，相比于固定式扫描单元，能获取更多土表信息，特别是可直接获取土壤表面胀缩性数据，以及对土壤表面裂隙进行表征和评价。与其它雷达成像装置相比，本装置通过XY向的步进装置，使单点式推扫式激光测距雷达能实现大范围的三维形态重建，弥补了单点推扫式激光测距雷达扫描范围较小的缺陷，成本极低。
附图说明
图1为基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置的结构示意图。
图2为推扫式激光测距雷达的结构示意图。
图3为土壤表面模拟网格化以及推扫式激光测距雷达行进示意图。
图4为置于直径20cm表面皿中的土壤图片。
图5为土壤放置62.5、64.5、74.5和110.5小时后重建的表面裂隙形态和分布情况图。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1
本基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，包括推扫式激光测距雷达1、雷达搭载平台2、数据处理中心(图上未显示)；
所述推扫式激光测距雷达包括雷达主体11和激光测距模块12，所述雷达主体内设有驱动激光测距模块沿旋转轴旋转的驱动电机111以及有线/无线数据传输模块112，其中旋转轴为Z轴方向，有线/无线数据传输模块用于接受控制信号、发送雷达数据；
所述数据处理中心用于控制雷达搭载平台的运动、控制驱动电机的运动、接收及处理推扫式激光测距雷达数据；
所述雷达搭载平台2包括支架主体21、X轴行进装置22、Y轴行进装置23和控制模块(图上未显示)；
所述支架主体21包括四根支柱211和四根横梁212，所述横梁互相连接成方形框架，支柱用于支撑方形框架；
所述X轴行进装置22包括X向左滑台221，X向右滑台222以及连接左滑台和右滑台的两根导轨223，X向左滑台221、X向右滑台222分别设置于相对的横梁212上并可沿横梁做X方向的同步步进运动；
所述Y轴行进装置23包括分别设置于两根导轨上的Y向左滑台231和Y向右滑台232，可沿导轨做Y方向的同步步进运动，推扫式激光测距雷达1搭载于Y轴行进装置上；
所述控制模块用于控制X轴行进装置、Y轴行进装置的运动。
本基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置中，推扫式激光测距雷达1可扫描测量垂直于旋转轴方向360度的目标物距离，扫描范围为框架下方约120°，激光测距模块转速可在300～900rpm之间调节，激光测距模块的距离测量误差小于0.5mm，雷达搭载平台2的运行空间为30*30cm，XY向的步长可设置在0.1mm-100mm，支柱可设置成高度可调支架，以适用不同需要。
实施例2
本基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测及数据分析方法，基于实施例1中的基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置实现，其步骤包括：
(1)水分饱和土壤置于直径20cm表面皿中，作为表面形态监测对象，根据推扫式激光测距雷达的扫描半径，将土壤表面模拟网格化，网格的大小为：网格对角线＝扫描半径*2，以任何一角为原点3，网格的其他交点为节点4；
(2)数据采集：推扫式激光测距雷达在雷达搭载平台限制的平面内从原点开始对待测土壤表面进行扫描，完成后移动至下一节点进行扫描，直至完成所有节点的扫描工作，数据传送给计算机进行处理，扫描次数、节点的位置、移动速度均预设好；
(3)土壤表面的形态识别：
a)数据预处理：包括数据去噪与漏洞填补、点云配准；
b)点云土壤表面重建：通过采集到的点云数据来回复土壤表面的几何形态，采用Delaunay三角化方法建立数字表面模型DSM；
c)土壤表面胀缩性的评价：土壤放置，待其自然风干，经过对土壤在湿润和经过干燥后两个时刻的DSM测量结果，土壤表面任一点因胀缩造成的高度变化系数Δ可表征为，
Δ＝(Hwet-Hdry)/Hdry
Hwet和Hdry分别为土壤在湿润和经过干燥后时刻的高度，其中湿润与经过干燥的两个时刻为相对时刻，即前一时刻比后一时刻土壤处于更湿润的状态即可；
d)土壤表面裂隙的的识别和提取，采用相邻和相近点间的空间位置差值及特征权值识别的裂隙边缘，确定土壤表面裂隙的空间分布；
e)土壤表面裂隙特征评价：基于土壤的DSM，确定裂隙的基础指标，包括长度、宽度、深度，以及裂隙面积密度等高阶指标。
图5为置于直径20cm表面皿中的饱和土壤在干燥实验开始后62.5、64.5、74.5和110.5小时后的表面裂隙的空间分布图。基于本监测装置和数据分析方法，测得土壤厚度由实验开始的初始厚度20mm缩减为18mm(均值)。图5-1至图5-4中，裂隙总长度从66.9cm增加至152.2cm(图5-4)，裂隙平均宽度由1.4mm变为2.6mm，裂隙平均深度由0.7cm变为完全开裂(1.8cm)；土壤裂隙面积密度分别为2.19％、2.96％、5.47％和8.01％。
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Claims (6)

1.一种基于推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，包括推扫式激光测距雷达、雷达搭载平台、数据处理中心；
所述雷达搭载平台用于驱动推扫式激光测距雷达沿水平方向的X轴和Y轴方向进行步进运动；
所述推扫式激光测距雷达包括雷达主体和激光测距模块，所述雷达主体内设有驱动激光测距模块沿旋转轴旋转的驱动电机以及有线/无线数据传输模块，其中旋转轴为Z轴方向，有线/无线数据传输模块用于接受控制信号、发送推扫式激光测距雷达数据；
所述数据处理中心用于控制雷达搭载平台的运动、控制驱动电机的运动、接收及处理推扫式激光测距雷达数据。
2.根据权利要求1所述的推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，其特征在于：所述雷达搭载平台包括支架主体、X轴行进装置、Y轴行进装置和控制模块；
所述支架主体包括四根支柱和四根横梁，所述横梁互相连接成方形框架，支柱用于支撑方形框架；
所述X轴行进装置包括X向左滑台，X向右滑台以及连接左滑台和右滑台的两根导轨，X向左滑台、X向右滑台分别设置于相对的横梁上并可沿横梁做X方向的同步步进运动；
所述Y轴行进装置包括分别设置于两根导轨上的Y向左滑台和Y向右滑台，可沿导轨做Y方向的同步步进运动，推扫式激光测距雷达搭载于Y轴行进装置上；
所述控制模块用于控制X轴行进装置、Y轴行进装置的运动。
3.根据权利要求2所述的推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，其特征在于：所述激光测距模块的转速为300～900rpm，激光测距模块的距离测量误差小于0.5mm。
4.根据权利要求2所述的推扫式LiDAR的土壤表面形态监测装置，其特征在于：所述支柱为高度可调支柱，调节范围0.15～1.50m。
5.基于权利要求1-4中任一项所述土壤表面形态监测装置的土壤表面形态监测及数据分析方法，其步骤包括：
(1)根据推扫式激光测距雷达的扫描半径，将土壤表面模拟网格化，以任何一角为原点，网格的其他交点为节点；
(2)数据采集：推扫式激光测距雷达在雷达搭载平台限制的平面内从原点开始对待测土壤表面进行扫描，完成后移动至下一节点进行扫描，直至完成所有节点的扫描工作，数据传送给计算机进行处理，扫描次数、节点的位置、移动速度均预设好；
(3)土壤表面的形态识别：
a)数据预处理：包括数据去噪与漏洞填补、点云配准；
b)点云土壤表面重建：通过采集到的点云数据来恢复土壤表面的三维几何形态，建立数字表面模型DSM；
c)土壤表面胀缩性的评价：经过对土壤在湿润和经过干燥后两个时刻的DSM测量结果，土壤表面任一点因胀缩造成的垂向高度变化系数Δ可表征为，
Δ＝(Hwet-Hdry)/Hdry
Hwet和Hdry分别为土壤在湿润和经过干燥后时刻的高度；
d)土壤表面裂隙的识别和提取：采用基于多尺度和局部特征权值的特征线提取算法识别的土壤表面的裂隙边缘，确定土壤表面裂隙的空间分布；
e)土壤表面裂隙特征评价：基于土壤的DSM，确定裂隙的基础指标，包括长度、宽度、深度；以及裂隙高阶指标。
6.根据权利要求5所述的土壤表面形态监测方法，其特征在于：点云土壤表面重建采用Delaunay三角化方法。
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