CN112526106A - 用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置及方法，地形测针装置主要包括测量框、GNSS测量仪、水平校正仪、若干侵蚀测针、侵蚀桩和通孔；GNSS测量仪和水平校正仪均固定设置于测量框的顶部；若干侵蚀测针穿设于测量框内壁顶端的通孔，可自由上下移动；侵蚀桩的一端和测量框外壁的顶端固定连接，其另一端插入坡面土壤内。本发明的地形测针装置可以根据实际测量坡面的宽度自由选择，各部件安装简单，操作便捷，可靠性强，可自动定位待测土壤的实时位置，测量精度高。本发明的用于坡面土壤侵蚀量快速测量方法的测量结果准确科学，实用性高，节省人力，克服人为测量带来的误差，便于在各种地形中进行推广。

Description

用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置及方法
技术领域
本发明属于土壤侵蚀量测量技术领域，具体涉及一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置及方法。
背景技术
土壤侵蚀量是指土壤侵蚀作用的数量结果。随着全球经济和生态环境的不断发展，土壤侵蚀已经成为全球重要的环境问题之一。严重的土壤侵蚀会造成水土流失、土壤肥力退化和生产力低下等。然而，传统的土壤侵蚀量测量方法包括钢纤法、填土法和径流小区法。先进的仪器测量法包括稀土元素示踪法和三维激光地形扫描技术等。现有技术虽然能粗略测量出土壤侵蚀的空间变化，但是其测量精度和测量过程的复杂度都有待改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决土壤侵蚀量准确测量的问题，提出了一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置及方法。
本发明的技术方案是：一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置包括测量框、GNSS测量仪、水平校正仪、若干侵蚀测针、侵蚀桩和通孔；
GNSS测量仪和水平校正仪均固定设置于测量框的顶部；若干侵蚀测针设于测量框内壁顶端的通孔，可上下移动；侵蚀桩的一端和测量框外壁的顶端固定连接，其另一端插入坡面土壤内；通孔均匀固定设置于测量框的棱边上；GNSS测量仪分别与若干所述侵蚀测针通信连接；GNSS测量仪和电脑终端通信连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的地形测针装置可以根据实际测量坡面的宽度自由选择，各部件安装简单，操作便捷，可靠性强。
(2)本发明的地形测针板工作时可自动定位待测土壤的实时位置，测量精度高。
进一步地，若干侵蚀测针的结构相同，均包括外套筒、内套筒、拉环、活动细杆和信号接收器；
内套筒活动穿设于外套筒内；活动细杆固定穿设于内套筒内；外套筒、内套筒和活动细杆的竖直中心线重合；拉环固定设置于外套筒的顶部，并穿设于通孔；GNSS测量仪通过信号接收器分别与若干所述侵蚀测针通信连接。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，侵蚀测针插入待测坡面土壤，内套筒自动推拉，便于读出外套筒读数。
进一步地，外套筒的外壁均匀固定设置有刻度线。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，外套筒的刻度线作为待测坡面土壤的侵蚀高程，便于后续步骤计算土壤侵蚀量。
进一步地，侵蚀桩包括第一锁止套筒、第二锁止套筒、第一锁止球和第二锁止球；
第一锁止套筒和第二锁止套筒上下对称；第一锁止套筒和第二锁止套筒均活动套设于侵蚀桩的顶部；第一锁止球和第二锁止球分别嵌设于第一锁止套筒和第二锁止套筒的底部。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，侵蚀桩可以进行高度调节，使整个地形测针板处于同一水平面，保证其测量高程精准。
基于以上系统，本发明还提出一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，包括以下步骤：
S1：将测量框竖直摆放于待测坡面土壤的坡面上，进行地形测针板的安装及校正；
S2：将安装后地形测针板的侵蚀桩插入待测坡面土壤内，进行地形测针板的高度调整；
S3：松开调整高度后测量框的拉环，使若干个侵蚀测针自然下落至待测坡面土壤表面；
S4：利用GNSS测量仪进行电子采样，读出外套筒外壁的数值，作为待测坡面土壤的侵蚀高程h；
S5：将地形测针板等间距的在待测坡面土壤的坡面上移动，重复步骤S1-S4，得到待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S6：在电脑终端，建立待测坡面土壤的三维轴系，并根据待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，计算待测坡面土壤的侵蚀量M。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的用于坡面土壤侵蚀量快速测量方法的测量结果准确科学，实用性高，节省人力。
(2)本发明的测量方法克服人为测量带来的误差，便于在各种地形中进行推广。
进一步地，步骤S1中，进行地形测针板安装及校正的方法为：利用GNSS测量仪确定待测坡面土壤的实时位置，利用水平校正仪对测量框进行水平校正，完成地形测针板的安装及校正。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对地形测针板进行水平校正可以保证整个测量的精准度，不会出现偏差。
进一步地，步骤S2中，进行地形测针板高度调整的方法为：打开锁止球调节侵蚀桩高度，直至若干个侵蚀测针的底端均未与待测坡面土壤接触，按下锁止球，固定锁止套筒，完成地形测针板的高度调整。
进一步地，步骤S6包括以下子步骤：
S61：在电脑终端，确定待测坡面土壤的三维轴系中的X轴、Y轴和Z轴；
S62：利用三维轴系，根据各个坡面的侵蚀高程hi，计算各个坡面的侵蚀宽度li，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S63：根据各个坡面的侵蚀宽度li和侵蚀高程hi，确定待测坡面土壤的侵蚀量M。
进一步地，步骤S61中，确定三维轴系中X轴、Y轴和Z轴的方法分别为：将若干个侵蚀测针的水平方向作为三维轴系的X轴；将侵蚀测针在各个坡面上进行测量时水平投影方向上的移动方向作为三维轴系的Y轴；将若干个侵蚀测针的垂直方向作为三维轴系的Z轴。
进一步地，步骤S62中，各个坡面的侵蚀宽度集合li的计算公式为：
li＝hicosθ,i＝1,2,...m
其中，hi表示各个坡面的侵蚀高程，θ表示待测坡面土壤的坡面倾斜度，m表示地形测针板的移动次数；
步骤S63中，待测坡面土壤的侵蚀量M的计算公式为：
Figure BDA0002800280640000041
其中，L表示地形测针板的移动间距，n表示侵蚀测针的个数，λ2表示待测坡面土壤上坡面的最高点高程值，λ1表示待测坡面土壤上坡面的最低点高程值，mj表示待测坡面土壤的土壤容量。
附图说明
图1为地形测针板的结构图；
图2为侵蚀测针的结构图；
图3为用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法的流程图；
图中，1、测量框；2、GNSS测量仪；3、水平校正仪；4、侵蚀测针；4-1、外套筒；4-2、内套筒；4-3、拉环；4-4、活动细杆；5、侵蚀桩；5-1、第一锁止套筒；5-2、第二锁止套筒；5-3、第一锁止球；5-4、第二锁止球；6、通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置，包括测量框1、GNSS测量仪2、水平校正仪3、若干侵蚀测针4、侵蚀桩5和通孔6；
GNSS测量仪2和水平校正仪3均固定设置于测量框1的顶部；若干侵蚀测针4穿设于测量框内壁顶端的通孔6，可上下移动；侵蚀桩5的一端和测量框1外壁的顶端固定连接，其另一端插入坡面土壤内；通孔6均匀固定设置于测量框1的棱边上；GNSS测量仪2分别与若干侵蚀测针4通信连接；GNSS测量仪2和电脑终端通信连接。
在本发明实施例中，如图2所示，若干侵蚀测针4的结构相同，均包括外套筒4-1、内套筒4-2、拉环4-3、活动细杆4-4和信号接收器；
内套筒4-2活动穿设于外套筒4-1内；活动细杆4-4固定穿设于内套筒4-2内；外套筒4-1、内套筒4-2和活动细杆4-4的竖直中心线重合；拉环4-3固定设置于外套筒4-1的顶部，并穿设于通孔6；GNSS测量仪2通过信号接收器分别与若干侵蚀测针4通信连接。
在本发明中，侵蚀测针插入待测坡面土壤，内套筒自动推拉，便于读出外套筒读数。
在本发明实施例中，如图2所示，外套筒4-1的外壁均匀固定设置有刻度线。
在本发明中，外套筒的刻度线作为待测坡面土壤的侵蚀高程，便于后续步骤计算土壤侵蚀量。
在本发明实施例中，如图1所示，侵蚀桩5包括第一锁止套筒5-1、第二锁止套筒5-2、第一锁止球5-3和第二锁止球5-4；
第一锁止套筒5-1和第二锁止套筒5-2上下对称；第一锁止套筒5-1和第二锁止套筒5-2均活动套设于侵蚀桩5的顶部；第一锁止球5-3和第二锁止球5-4分别嵌设于第一锁止套筒5-1和第二锁止套筒5-2的底部。
在本发明中，侵蚀桩可以进行高度调节，使整个地形测针板处于同一水平面，保证其测量高程精准。
基于以上系统，本发明还提出一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1：将测量框竖直摆放于待测坡面土壤的坡面上，进行地形测针板的安装及校正；
S2：将安装后地形测针板的侵蚀桩插入待测坡面土壤内，进行地形测针板的高度调整；
S3：松开调整高度后测量框的拉环，使若干个侵蚀测针自然下落至待测坡面土壤表面；
S4：利用GNSS测量仪进行电子采样，读出外套筒外壁的数值，作为待测坡面土壤的侵蚀高程h；
S5：将地形测针板等间距的在待测坡面土壤的坡面上移动，重复步骤S1-S4，得到待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S6：在电脑终端，建立待测坡面土壤的三维轴系，并根据待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，计算待测坡面土壤的侵蚀量M。
在本发明实施例中，如图3所示，步骤S1中，进行地形测针板安装及校正的方法为：利用GNSS测量仪确定待测坡面土壤的实时位置，利用水平校正仪对测量框进行水平校正，完成地形测针板的安装及校正。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2中，进行地形测针板高度调整的方法为：打开锁止球调节侵蚀桩高度，直至若干个侵蚀测针的底端均未与待测坡面土壤接触，按下锁止球，固定锁止套筒，完成地形测针板的高度调整。
在本发明实施例中，如图3所示，S6包括以下子步骤：
S61：在电脑终端，确定待测坡面土壤的三维轴系中的X轴、Y轴和Z轴；
S62：利用三维轴系，根据各个坡面的侵蚀高程hi，计算各个坡面的侵蚀宽度li，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S63：根据各个坡面的侵蚀宽度li和侵蚀高程hi，确定待测坡面土壤的侵蚀量M。
在本发明实施例中，如图3所示，S61中，确定三维轴系中X轴、Y轴和Z轴的方法分别为：将若干个侵蚀测针的水平方向作为三维轴系的X轴；将侵蚀测针在各个坡面上进行测量时水平投影方向上的移动方向作为三维轴系的Y轴；将若干个侵蚀测针的垂直方向作为三维轴系的Z轴。
在本发明实施例中，如图3所示，步骤S62中，各个坡面的侵蚀宽度集合li的计算公式为：
li＝hicosθ,i＝1,2,...m
其中，hi表示各个坡面的侵蚀高程，θ表示待测坡面土壤的坡面倾斜度，m表示地形测针板的移动次数；
步骤S63中，待测坡面土壤的侵蚀量M的计算公式为：
Figure BDA0002800280640000081
其中，L表示地形测针板的移动间距，n表示侵蚀测针的个数，λ2表示待测坡面土壤上坡面的最高点高程值，λ1表示待测坡面土壤上坡面的最低点高程值，mj表示待测坡面土壤的土壤容量。
本发明的工作原理及过程为：在使用本发明的地形测针板时，首先，将侵蚀桩5插入土壤内，打开第一锁止球5-3和第二锁止球5-4，通过调节第一锁止套筒5-1和第二锁止套筒5-2来调整侵蚀桩5的高度，从而使整个地形测针板固定在土壤内；然后，通过拉环4-3使侵蚀测针4自然下落至土壤表面，从而外套筒4-1和内套筒4-2之间发生自然推拉，读出外套筒4-1外壁的读数，得到待测坡面土壤的侵蚀高程；最后，建立待测坡面土壤的三维轴系，并根据待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi(i＝1,2,...,m)，计算待测坡面土壤的侵蚀量M。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的地形测针装置可以根据实际测量坡面的宽度自由选择，各部件安装简单，操作便捷，可靠性强。
(2)本发明的地形测针板工作时可自动定位待测土壤的实时位置，测量精度高。
(3)本发明的用于坡面土壤侵蚀量快速测量方法的测量结果准确科学，实用性高，节省人力。
(4)本发明的测量方法克服人为测量带来的误差，便于在各种地形中进行推广。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置，其特征在于，包括测量框(1)、GNSS测量仪(2)、水平校正仪(3)、若干侵蚀测针(4)、侵蚀桩(5)和通孔(6)；
所述GNSS测量仪(2)和水平校正仪(3)均固定设置于测量框(1)的顶部；若干所述侵蚀测针(4)穿设于测量框内壁顶端的通孔(6)，可上下移动；所述侵蚀桩(5)的一端和测量框(1)外壁的顶端固定连接，其另一端插入坡面土壤内；所述通孔(6)均匀固定设置于测量框(1)的棱边上；所述GNSS测量仪(2)分别与若干所述侵蚀测针(4)通信连接；所述GNSS测量仪(2)和电脑终端通信连接。
2.根据权利要求1所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置，其特征在于，若干所述侵蚀测针(4)的结构相同，均包括外套筒(4-1)、内套筒(4-2)、拉环(4-3)、活动细杆(4-4)和信号接收器；
所述内套筒(4-2)活动穿设于外套筒(4-1)内；所述活动细杆(4-4)固定穿设于内套筒(4-2)内；所述外套筒(4-1)、内套筒(4-2)和活动细杆(4-4)的竖直中心线重合；所述拉环(4-3)固定设置于外套筒(4-1)的顶部，并穿设于通孔(6)；所述GNSS测量仪(2)通过信号接收器分别与若干所述侵蚀测针(4)通信连接。
3.根据权利要求2所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置，其特征在于，所述外套筒(4-1)的外壁均匀固定设置有刻度线。
4.根据权利要求1所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的地形测针装置，其特征在于，所述侵蚀桩(5)包括第一锁止套筒(5-1)、第二锁止套筒(5-2)、第一锁止球(5-3)和第二锁止球(5-4)；
所述第一锁止套筒(5-1)和第二锁止套筒(5-2)上下对称；所述第一锁止套筒(5-1)和第二锁止套筒(5-2)均活动套设于侵蚀桩(5)的顶部；所述第一锁止球(5-3)和第二锁止球(5-4)分别嵌设于第一锁止套筒(5-1)和第二锁止套筒(5-2)的底部。
5.一种用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将测量框竖直摆放于待测坡面土壤的坡面上，进行地形测针板的安装及校正；
S2：将安装后地形测针板的侵蚀桩插入待测坡面土壤内，进行地形测针板的高度调整；
S3：松开调整高度后测量框的拉环，使若干个侵蚀测针自然下落至待测坡面土壤表面；
S4：利用GNSS测量仪进行电子采样，读出外套筒外壁的数值，作为待测坡面土壤的侵蚀高程h；
S5：将地形测针板等间距的在待测坡面土壤的坡面上移动，重复步骤S1-S4，得到待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S6：在电脑终端，建立待测坡面土壤的三维轴系，并根据待测坡面土壤中各个坡面的侵蚀高程hi，计算待测坡面土壤的侵蚀量M。
6.根据权利要求5所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，所述步骤S1中，进行地形测针板安装及校正的方法为：利用GNSS测量仪确定待测坡面土壤的实时位置，利用水平校正仪对测量框进行水平校正，完成地形测针板的安装及校正。
7.根据权利要求5所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行地形测针板高度调整的方法为：打开锁止球调节侵蚀桩高度，直至若干个侵蚀测针的底端均未与待测坡面土壤接触，按下锁止球，固定锁止套筒，完成地形测针板的高度调整。
8.根据权利要求5所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下子步骤：
S61：在电脑终端，确定待测坡面土壤的三维轴系中的X轴、Y轴和Z轴；
S62：利用三维轴系，根据各个坡面的侵蚀高程hi，计算各个坡面的侵蚀宽度li，其中，i＝1,2,...,m，m表示地形测针板的移动次数；
S63：根据各个坡面的侵蚀宽度li和侵蚀高程hi，确定待测坡面土壤的侵蚀量M。
9.根据权利要求8所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，所述步骤S61中，确定三维轴系中X轴、Y轴和Z轴的方法分别为：将若干个侵蚀测针的水平方向作为三维轴系的X轴；将侵蚀测针在各个坡面上进行测量时水平投影方向上的移动方向作为三维轴系的Y轴；将若干个侵蚀测针的垂直方向作为三维轴系的Z轴。
10.根据权利要求8所述的用于坡面土壤侵蚀量快速测量的方法，其特征在于，所述步骤S62中，各个坡面的侵蚀宽度集合li的计算公式为：
li＝hicosθ,i＝1,2,...m
其中，hi表示各个坡面的侵蚀高程，θ表示待测坡面土壤的坡面倾斜度，m表示地形测针板的移动次数；
所述步骤S63中，待测坡面土壤的侵蚀量M的计算公式为：
Figure FDA0002800280630000031
其中，L表示地形测针板的移动间距，n表示侵蚀测针的个数，λ2表示待测坡面土壤上坡面的最高点高程值，λ1表示待测坡面土壤上坡面的最低点高程值，mj表示待测坡面土壤的土壤容量。
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