CN112161578A - 一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法，测量装置包括无线光测尺和数据处理箱；无线光测尺用于周期性动态获取测量数据，包括可拆卸连接的供电头、光测尺和锥尖；所述光测尺包括数据控制段、测量段和实芯段；所述测量段包括多个预设等距的隔层；所述数据处理箱通过控制器接收、发送并存储无线光测尺发出的测量数据；所述数据处理箱还包括数据处理与存储模块、电源模块、通讯模块；远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。本申请实现自动化原位土壤侵蚀监测，长期动态的精确可持续的监测使得在土壤侵蚀监测数据完善，为土壤侵蚀研究与分析、及土壤保持效益评价获取精确的基础数据。

Description

一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法

技术领域

本申请涉及土壤侵蚀动态监测领域，尤其涉及一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法。

背景技术

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程；会引发农业生产力衰退、广泛面源污染、生态系统脆弱等一系列可持续发展的生态环境问题。尤其是粗放农业发展模式导致形成广泛的以土壤侵蚀为代表的土壤退化问题。定量测定土壤侵蚀的数量、速率和分布范围能够服务于土壤侵蚀基本状况调查、侵蚀机理研究、侵蚀预报模型研发、水土保持经济与环境效益评价及相关政策法规的制定等诸多方面的需求。

土壤侵蚀测量旨在直接或间接地量化在不同时空尺度上由水、风、耕作等侵蚀营力导致的土层厚度变化。现有直接测量方法包括侵蚀针、侵蚀示踪剂法与三维激光扫描法等。作为直接测定土壤侵蚀量的简便方法，侵蚀针法，如图1所示的土壤剖面102，垂直于土壤表面，插入一根金属制成、质地坚硬的笔直侵蚀针101，通过深度测量尺103测定侵蚀针顶端与土壤表面测量垫圈之间的距离，来测量表层土壤流失或堆积后的表土壤层厚度的增加或减少；通过多次测量所获取的垂直距离之差，即是对应土壤层厚度的变化量。

然而，一般土壤侵蚀发生区域多为偏远地区的草场、林地、荒地，而依靠人工实现的侵蚀针法去开展持续、动态和长期的土壤侵蚀监测工作，需要耗费大量人力、物力、财力；导致土壤侵蚀在大范围监测方面，可操作性低，无法实现长期动态的精确监测。

发明内容

本申请提供了一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法，以解决现有土壤侵蚀测量在大范围监测方面，可操作性低，无法实现长期动态的精确监测的技术问题。

为了达到上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：

第一方面，提供一种原位土壤侵蚀无线测量装置，测量装置包括：

无线光测尺，包括可拆卸连接的供电头、光测尺和锥尖；所述光测尺包括数据控制段、测量段和实芯段；其中，所述数据控制段包括通讯单元和数据处理单元；所述测量段包括多个预设等距的隔层，相邻得隔层之间设有不透光隔板，所述隔层中具有微型光敏电阻电路，且所述微型光敏电阻电路对应的所述测量段的壳体一侧透明；

数据处理箱，通过控制器接收、发送并存储无线光测尺发出的测量数据；所述数据处理箱还包括数据处理模块、电源模块和通讯模块；

其中，所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接；所述控制器、所述数据处理模块、电源模块和所述通讯模块电连接。

进一步地，所述供电头中设有供电单元，所述供电单元包括柔性太阳能板、储能电池；所述柔性太阳能板设在所述供电头外侧，所述储能电池设在所述供电头内侧；所述供电单元与所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接。

进一步地，所述供电头中设有供电单元，所述供电单元包括常规电池；所述常规电池设在所述供电头内侧；所述供电单元与所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接。

进一步地，所述供电头的一端具有第一凹形螺纹孔；所述光测尺的一端具有第一凸形螺纹杆，另一端具有第二凹形螺纹孔；所述锥尖的一端具有第二凸形螺纹杆；

所述第一凹形螺纹孔和所述第一凸形螺纹杆可拆卸连接；所述第二凹形螺纹孔和所述第二凸形螺纹杆可拆卸连接。

进一步地，所述锥尖和所述实芯段均为实芯结构。

进一步地，测量段的壳体另一侧和所述测量段的壳体一侧均半圆柱形，且所述测量段的壳体另一侧不透明。

第二方面，提供一种原位土壤侵蚀无线测量方法，所述测量方法包括：

根据待监测区域的环境确定无线光测尺分布的预设位置；

通过对所述预设位置的预打孔，在所述预打孔布设所述无线光测尺；并布设数据处理箱；

根据所述监测数据的土壤侵蚀状况，设置无线光测尺的监测周期；

根据所述监测周期，周期性监测所述无线光测尺测量数据；

所述数据处理箱接收并存储所述测量数据；

远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。

进一步地，布设所述无线光测尺和数据处理箱后还包括：无线连接所述无线光测尺和所述数据处理箱。

本申请提供一种原位土壤侵蚀无线测量装置及方法，测量装置包括无线光测尺，包括可拆卸连接的供电头、光测尺和锥尖；所述光测尺包括数据控制段、测量段和实芯段；所述测量段包括多个预设等距的隔层，相邻得隔层之间设有不透光隔板，所述隔层中具有微型光敏电阻电路，且所述微型光敏电阻电路对应的所述测量段的壳体一侧透明；数据处理箱，通过控制器接收、发送并存储无线光测尺发出的测量数据；所述数据处理箱还包括数据处理与存储模块、电源模块、通讯模块。所述方法根据待监测区域的环境确定预设位置布设所述无线光测尺和数据处理箱；根据所述监测周期，周期性监测所述无线光测尺测量数据；所述数据处理箱接收并存储所述测量数据；远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。本申请实现自动化原位土壤侵蚀监测，长期动态的精确可持续的监测使得在土壤侵蚀监测数据完善，为土壤侵蚀研究与分析、及土壤保持效益评价获取精确的基础数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请现有技术侵蚀针法的测量方法示意图；

图2为本申请实施例原位土壤侵蚀无线测量装置在水土流失坡面的应用示意图；

图3为本申请实施例原位土壤侵蚀无线测量装置在风蚀草地的应用示意图；

图4为本申请实施例无线光测尺结构示意图；

图5为本申请实施例无线光测尺中供电头的结构示意图；

图6为本申请图5中A-A处剖面图；

图7为本申请实施例无线光测尺中光测尺的结构示意图；

图8为本申请图7中I处放大图；

图9为本申请图7中I处另一视角的放大图；

图10为本申请实施例无线光测尺中锥尖的结构示意图；

图11为本申请实施例原位土壤侵蚀无线测量装置的电路示意图；

图12为本申请实施例原位土壤侵蚀无线测量方法的流程图；

其中：101-侵蚀针；102-土壤剖面；103-深度测量尺；

200-无线光测尺；210-供电头；211-柔性太阳能板；212-第一凹形螺纹孔；213-储能电池；220-光测尺；221-数据控制段；222-测量段；223-实芯段；224-第一凸形螺纹杆；225-第二凹形螺纹孔；226-隔层；227-不透光隔板；228-微型光敏电阻电路；230-锥尖；231-第二凸形螺纹杆；

300-数据处理箱；

21-供电单元；22-通讯单元；23-数据处理单元；24-微型光敏电阻电路；

31-控制器；32-数据处理模块；33-通讯模块；34-电源模块。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本申请做进一步详细描述：

本申请实施例提供一种原位土壤侵蚀无线测量装置，用于土壤侵蚀动态监测领域，如图2所示为原位土壤侵蚀无线测量装置在水土流失坡面的应用示意图，如图3所示为原位土壤侵蚀无线测量装置在风蚀草地的应用示意图，所述测量装置包括无线光测尺200和数据处理箱300，且所述无线光测尺200和所述数据处理箱300无线连接。

无线光测尺200为针形或棒状结构；包括可拆卸连接的供电头210、光测尺220和锥尖230。

所述供电头210的一端具有第一凹形螺纹孔212；所述光测尺220的一端具有第一凸形螺纹杆224，另一端具有第二凹形螺纹孔225；所述锥尖230的一端具有第二凸形螺纹杆231；所述第一凹形螺纹孔212和所述第一凸形螺纹杆224可拆卸连接；供电头210通过螺纹连接方式与光测尺220连接为一体，能够独立为无线光测尺200提供工作电源。所述第二凹形螺纹孔225和所述第二凸形螺纹杆231可拆卸连接，锥尖230通过螺纹连接方式与光测尺220连接为一体，用于无线光测尺200在土壤中布设。

所述供电头210中设有供电单元21，如图5所示，所述供电单元21包括柔性太阳能板211、储能电池213；如图6所示，所述柔性太阳能板211设在所述供电头210外侧，所述储能电池213设在所述供电头210内侧；具有长期持续供电的特点，不用担心在长期使用过程中因缺电而导致无线光电池无法工作的风险。此外，所述供电单元21还可包括常规电池；所述常规电池设在所述供电头210内侧；可通过直接嵌入常规7号电池的方式进行供电，具有更换便捷的特点。两种供电模块具有各自的特点与应用范围，根据实际需要，可组合两种供电模式的供电头210与光测尺220的组合。

所述光测尺220的上端与供电头210通过螺纹连接，下端与锥尖230通过螺纹连接成整体。如图7所示，包括数据控制段211、测量段222和实芯段223。

其中，所述数据控制段211包括通讯单元22和数据处理单元23；所述数据控制段211内部具有用于集成通讯单元22和数据处理单元23的电路。其中，通讯单元22和数据处理单元23位于电路板上，用于对测量数据处理与存储，存储无线光测尺200的测量段222测量数据并临时存储数据；本实施例中采用蓝牙传输，将无线光测尺200的测量数据按照预设周期进行数据传输，并将其传输到数据管理箱中。

所述测量段222包括多个预设等距的隔层226，相邻得隔层226之间设有不透光隔板227，所述隔层226中具有微型光敏电阻电路24228，且所述微型光敏电阻电路24228对应的所述测量段222的壳体一侧透明；光测尺220能够实现利用出露地表的光敏电阻，感知和测量表土层厚度变化量；并通过光测尺220内置的通讯单元22和数据处理单元23，将测量数据传输给数据处理箱300。

光测尺220的测量段222内部贯穿有电路板且与供电头210供电单元21电连接，同时电路板将测量段222壳体内部空间分割为两个半圆柱形。在测量段222的壳体一侧，即含微型光敏电阻电路24228的一侧覆盖有透明玻璃；测量段222的壳体另一侧与光测尺220的整体材质保持一致性与整体性，且整体密闭。其中，如图11所示，所述供电单元21、微型光敏电阻电路24228、所述通讯单元22和所述数据处理单元23电连接。

光测尺220的测量段222由若干不透光隔板227形成等距离的隔层226，隔层226间距值为预设的固定值，在本实施例中隔层226间距值为2mm或4mm用于放置微型光敏电阻，对应的微型光敏电阻φ＝2mm或φ＝4mm。若干微型光敏电阻被规则地固定在电路板上。

当无线光测尺210垂直于地面埋设好，在发生土壤侵蚀事件前后，随着测量段222出露在空气中的隔层226数量发生变化，相应出露地表即空气中的微型光敏电阻接收到阳光，产生电流。然后通过记录暴露在空气隔层226中光敏电阻的电流有无，以确定出露地表的隔层226总数。

由于隔层226间距值为固定值a，因此，隔层226总数可转化为长度数值H。两次无线光测尺210的测量值之差，即可计算出表土层厚度变化量。具体计算公式如下：

式中，H表示从光测尺220顶端隔层226起算，至第i个隔层226下端的总厚度，单位mm；i表示从光测尺220顶端隔层226起算的第i个隔层226；a表示隔层226间距值，为固定值，设置为2或4，单位mm。

实芯段223在光测尺220的底部，其中，实芯段223与测量段222均为中空结构，但其内部由填充材料占据满空间。实芯段223的长度，根据无线光测尺200的规格可自由调节。

如图10所示，锥尖230为实芯结构，锥尖230用于在无线光测尺200的布设过程中，能劈开土体，并顺利进入土体中。

如图11所示，数据处理箱300，通过控制器31接收、发送并存储无线光测尺200发出的测量数据；所述数据处理箱300还包括数据处理模块32、电源模块34和通讯模块33；其中，所述控制器31、所述数据处理模块32、电源模块34和所述通讯模块33电连接。数据处理箱300是箱式结构，其外部除底面外，均覆盖一层太阳能电池板，有助于实现数据处理箱300无人照料自主供电和箱体的小型化，所述电源模块34还包括用于存储太阳能电池板的电能的内置的箱体储能设备。且所述无线光测尺200与所述数据处理箱300之间无线通讯。

所述通讯模块33包括蓝牙传输单元和GSM传输单元，在一些实施例中，所述GSM传输单元也可选为北斗(BeiDou，简称BD)卫星短报文数据传输单元。在偏远地区无GSM移动网络信号覆盖区域，可选择北斗(BeiDou，简称BD)卫星短报文数据传输模块以替代GSM模块进行数据传输。

数据处理箱300通过传输单元接收来自多个无线光测尺200的测量数据；再将这些数据长期存储在内置的数据处理模块32中。通过GSM网络通讯模块33，再将所有信号实时或定期的传送回远端设备。远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱300中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。

本申请提供一种原位土壤侵蚀无线测量装置，测量装置包括无线光测尺200，包括可拆卸连接的供电头210、光测尺220和锥尖230；所述光测尺220包括数据控制段211、测量段222和实芯段223；所述测量段222包括多个预设等距的隔层226，相邻得隔层226之间设有不透光隔板227，所述隔层226中具有微型光敏电阻电路24228，且所述微型光敏电阻电路24228对应的所述测量段222的壳体一侧透明；数据处理箱300，通过控制器31接收、发送并存储无线光测尺200发出的测量数据；所述数据处理箱300还包括数据处理与存储模块、电源模块34、通讯模块33。本申请实现自动化原位土壤侵蚀监测，长期动态的精确可持续的监测使得在土壤侵蚀监测数据完善，为土壤侵蚀研究与分析、及土壤保持效益评价获取精确的基础数据。

本申请实施例还提供一种原位土壤侵蚀无线测量方法，用于土壤侵蚀动态监测领域，参照图12所示，所述测量方法包括：

S1、根据待监测区域的环境确定无线光测尺200分布的预设位置；待监测区域的环境包括土壤侵蚀类型、地形地貌因素、植被覆盖因素、土壤类型因素等；如图2的水土流失坡面应该根据坡面土壤侵蚀的特点；如图3的风蚀草地上应该根据风蚀特点；以适应具体的风蚀监测地块。无线光测尺200分布还包括无线光测尺200的长度规格、数量、布设深度等信息。

S2、通过对所述预设位置的预打孔，在所述预打孔布设所述无线光测尺200；并布设数据处理箱300；无线连接所述无线光测尺200和所述数据处理箱300，在接通电源情况下，测试光测尺可正常工作，并确保获取测试数据。预打孔可通过专用布设器来设置，对已选定的若干无线光测尺200在特定深度进行埋设，以使测量段222位于相对理想位置，确保光测尺与土体充分结合。数据处理箱300的空间分布位置及高度等信息。因地制宜，在保障无线光测尺200和数据处理箱300位于蓝牙无线通讯模块33的有效连接距离内，将数据处理箱300可布设在建筑物的顶部；或在空旷坡地利用支架至于距离地面1-1.5米的高度处；或树林中，稳定存在的树木的树干上；以上无线数据箱的布设环境，需保证周围无遮挡物，光照充足，以使无线数据箱能够接受太阳能，产生足够电能来驱动无线数据箱的正常工作。

S3、根据所述监测数据的土壤侵蚀状况，设置无线光测尺200的监测周期；

S4、根据所述监测周期，周期性监测所述无线光测尺200测量数据；

S5、所述数据处理箱300接收并存储所述测量数据；

S6、远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱300中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录，通过周期性的无线光测尺210测量数据的收集，来实现对侵蚀土层厚度变化的动态记录。

本申请提供一种原位土壤侵蚀无线测量方法，所述方法根据待监测区域的环境确定预设位置布设所述无线光测尺200和数据处理箱300；根据所述监测周期，周期性监测所述无线光测尺200测量数据；所述数据处理箱300接收并存储所述测量数据；远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱300中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。本申请实现自动化原位土壤侵蚀监测，长期动态的精确可持续的监测使得在土壤侵蚀监测数据完善，为土壤侵蚀研究与分析、及土壤保持效益评价获取精确的基础数据。

以上内容仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请权利要求书的保护范围之内。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

Claims (8)

1.一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，测量装置包括：

无线光测尺，包括可拆卸连接的供电头、光测尺和锥尖；所述光测尺包括数据控制段、测量段和实芯段；其中，所述数据控制段包括通讯单元和数据处理单元；所述测量段包括多个预设等距的隔层，相邻得隔层之间设有不透光隔板，所述隔层中具有微型光敏电阻电路，且所述微型光敏电阻电路对应的所述测量段的壳体一侧透明；

数据处理箱，通过控制器接收、发送并存储无线光测尺发出的测量数据；所述数据处理箱还包括数据处理模块、电源模块和通讯模块；

其中，所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接；所述控制器、所述数据处理模块、电源模块和所述通讯模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，所述供电头中设有供电单元，所述供电单元包括柔性太阳能板、储能电池；所述柔性太阳能板设在所述供电头外侧，所述储能电池设在所述供电头内侧；所述供电单元与所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接。

3.根据权利要求1所述的一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，所述供电头中设有供电单元，所述供电单元包括常规电池；所述常规电池设在所述供电头内侧；所述供电单元与所述微型光敏电阻电路、所述通讯单元和所述数据处理单元电连接。

4.根据权利要求1所述的一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，所述供电头的一端具有第一凹形螺纹孔；所述光测尺的一端具有第一凸形螺纹杆，另一端具有第二凹形螺纹孔；所述锥尖的一端具有第二凸形螺纹杆；

所述第一凹形螺纹孔和所述第一凸形螺纹杆可拆卸连接；所述第二凹形螺纹孔和所述第二凸形螺纹杆可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，所述锥尖和所述实芯段均为实芯结构。

6.根据权利要求1所述的一种原位土壤侵蚀无线测量装置，其特征在于，测量段的壳体另一侧和所述测量段的壳体一侧均半圆柱形，且所述测量段的壳体另一侧不透明。

7.一种原位土壤侵蚀无线测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

根据待监测区域的环境确定无线光测尺分布的预设位置；

通过对所述预设位置的预打孔，在所述预打孔布设所述无线光测尺；并布设数据处理箱；

根据所述监测数据的土壤侵蚀状况，设置无线光测尺的监测周期；

根据所述监测周期，周期性监测所述无线光测尺测量数据；

所述数据处理箱接收并存储所述测量数据；

远端设备通过移动网络获取所述数据处理箱中周期性监测的测量数据，实现对待监测区域的动态记录。

8.根据权利要求7所述的一种原位土壤侵蚀无线测量方法，其特征在于，布设所述无线光测尺和数据处理箱后还包括：

无线连接所述无线光测尺和所述数据处理箱。

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