CN113125517B - 一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法，包括若干同心的环状电极排列，所述环状电极排列的圆周方向上设有若干径向电极排列，所述环状电极排列和径向电极排列通过多芯电缆线连接有并行电法采集器，所述并行电法采集器通过无线传输设备连接有电法控制及处理平台，本发明提供了一种可提高根灌效果的利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法。
Description
技术领域
本发明涉及水利灌溉技术领域，具体为一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法。
背景技术
随着极端天气现象不断的增多，城市园林、乡间古树以及珍稀丛林的观赏树、庭荫树、行道树依靠自身根系吸收周围土壤内的水难以有效保障健康生长的水分需要，因此采用合理的灌溉方式保持良好的土壤生态环境尤为重要。目前，主要的灌溉方式为喷灌、漫灌和渗灌等，其中喷灌避免了对土壤的直接打击、冲刷，基本上不产生深层渗漏和地表径流，有效节约水资源，但是设备价格和管理维护费用较高，不宜大规模使用；漫灌是一种粗放式灌溉工艺，造成水资源的过度浪费；渗灌技术是把高强度工程塑料组成的管网埋入地下，直接把植物所需的水、肥、药导入植物根系土层，促进植物根系发育，使植物得到正常生长，达到节水、高效的目的。根灌结合了地面滴灌与地下渗灌的优点，能够把水直接灌溉到一定深度土壤层，起到对植物根系层，进行直接灌溉的目的，可有效减少表层土壤水分蒸发损失，提高灌水效率和灌溉水的有效利用率，降低了常规渗灌技术存在的易堵塞、检修难的缺点。例如：专利CN 202143866 U设计了一种等效用的节水灌溉器械，可以把水分和养分直接输送到一定深度植物的根系层，缩短灌水时间，提高灌水效率，节省灌溉用水量，降低灌溉能源消耗。
根灌导管中水分对土壤作用为线源式或点源式的渗透类型，但是树根周围的岩土介质具有一定的差异，并且不同位置的树根发育、生长特征也不同，加之根灌作用于地下一定的深度，难以从输水量判断出土壤内部水分、养分的时空分布以及渗流规律，可能造成局部的水量过多，局部又存在干旱的状态，从而影响树木发育及生长。专利CN 103105609 B利用获得的探地雷达测量数据以提取一系列根的探测点信息，再根据根的生长原理设定相应规则，按照规则自动筛选和连接这些探测点，构建并还原成像出植物根系的三维图像；专利CN 106199596 B提供一种判别杨树坚固程度的装置，对存在风险的杨树提前采取措施，预防大风对杨树林带来的损害；专利CN 110595341 A提供一种基于电阻率法的获取树木边材宽度的方法；专利CN 105403577 B公开了一种果树根部液肥入渗测量系统采用定向天线阵列测量的是果树根部周围立体范围内的土壤湿度情况，对分析液肥注射后，液肥的渗透、根部的吸收情况非常直观。但上述专利并不涉及到树根内部结构的三维化，尤其无法监测到树根渗灌溶液的实时迁移特征，难以评价树木根灌的灌溉效果，不利于调整多根灌导管的灌溉输水量。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可提高根灌效果的利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法，解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置，包括若干同心的环状电极排列，所述环状电极排列的圆周方向上设有若干径向电极排列，所述环状电极排列和径向电极排列通过多芯电缆线连接有并行电法采集器，所述并行电法采集器通过无线传输设备连接有电法控制及处理平台。
进一步的，所述环状电极排列至少设有三个。
进一步的，所述环状电极排列包括若干均匀排列的电极组成。
进一步的，若干所述环状电极排列上的电极数量相同且为18个。
进一步的，所述电极为铜棒，所述铜棒长20cm，直径为0.5cm。
进一步的，所述径向电极排列包括至少8个电极，且相邻电极之间的距离相等。
进一步的，相邻所述电极之间的距离为0.2-1m。
一种利用三维电阻率监控树根渗灌的方法，包括如下，
(1)根据树根的分布范围、根灌孔的位置及深度、场地空间条件，确定环状电极系和径向电极系布设的位置及范围；
(2)环状电极系的布设：按照以距离树干的中心为半径确定环状电极排列的位置，每个环状电极排列按照等距离弧段确定电极的位置，在每个电极的位置安装铜棒；
(3)径向电极系的布设：按照以树干为起点，以一定的均匀角度布设若干个径向电极排列，每个径向电极排列按照一定的径向距离布置多个电极位置，在每个电极的位置上安装铜棒；
(4)把环状电极系、径向电极系的全部电极整体进行编号，把多芯电缆线上的电线一端与相同编号的电极相连接，所有的电线的另一端集成一束进而通过航空插头与并行电法采集器相连接，电法控制及处理平台对每个电极的实际坐标进行编码；
(5)启动并行电法采集器、电法控制及处理平台，利用电法控制及处理平台进行采集参数的设置，并通过无线传输设备实施对并行电法采集器工作与休眠状态的控制；
(6)在根灌孔注水之前，电法控制及处理平台通过无线传输设备向并行电法采集器下发地电场数据采集命令，并行电法采集器接收到指令即向任一电极注入稳恒电流场，其余电极进行地电数据体的采集，待一次供电采集完成后，再选择其中一个电极作为供电电极，其他电极再进行地电数据体的采集数据体，依次进行供电与采集，当所有电极都作为供电电极进行供电，即可把所有的地电数据体一次性上传到电法控制及处理平台；
(7)电法控制及处理平台对上传的供电电流进行分析，当局部电极电流低于10mA，检查铜棒与大地的接触情况，重新安装完成后，再一次进行地电数据体的测量和供电电流分析，当电流数据大于10mA时，电法控制及处理平台对采集到的供电电流及其对应的一次场电位进行解编，并处理得到温纳三级装置的数据体；
(8)根据每个电极的实际坐标以及温纳三级装置的数据体组成三维电阻率反演文件，在电法控制及处理平台采用最小二乘法进行三维反演处理，即可得到单次监测的树根周围的三维空间模型，模型以不同大小电阻率的立体图进行展示并作为背景图，其中监测数据处理的阻尼最小二乘法反演方程为(JTJ+λI)Δqk＝JTg，式中，J为雅克比偏导数矩阵；JT为J的转置矩阵；λ为阻尼因子；I为单位矩阵；q电阻率模型修改向量；k为迭代次数；g为实测电阻率与模拟电阻率的残差向量；
(9)在不同时刻进行现场数据的采集与处理，即可得到不同序列的电阻率的立体图，把不同时刻的电阻率与背景图进行比值处理，从而得到电阻率的相对变化图，当比值为1时，表明根灌注入的水未扩散到该区域；当比值小于1时，表明根灌注入的水已经扩散到该区域，通过电阻率的变化特征反映出水在树根周围的运移范围；
(10)根据三维电阻率变化成果指导根灌的时间以及根灌孔之间的协同灌溉，当探测区域内电阻率比值都小于1时，表明整个探测范围内都有水渗透，可以停止进行灌溉作业；当探测区域内局部存在比值为1时，可对该区域范围的根灌孔持续注水，其余根灌孔可以停止作业。
进一步的，对步骤(8)中的阻尼最小二乘法反演方程进行圆滑约束得到改进后的表达式为(JTJ+λF)Δqk＝JTg-λFqk-1,式中，F为二维平滑滤波矩阵；qk为模型的电阻率值取对数形成的向量。
进一步的，并行电法采集器的采样时间为1s，采样间隔为0.1s，供电波形为单正矩形脉冲。
(三)有益效果
本发明提供了一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法。具备以下有益效果：
1、本发明采用电阻率监测根灌水的扩散特征，具有无损、高效、经济的优势，在整个监测过程中对树木不产生损伤。
2、本发明现场布置方便，数据采集及处理快速，能够可视化的展现出树根周围岩土体的立体结构以及根灌的渗流形态。
3、本发明根据三维电阻率的比值变化，及时调整根灌的灌入量，更加科学性的指导根灌作业，对水资源的节约化利用具有重要意义。
4、本发明还提出根据电阻率变化值分布的均匀性，控制多个根灌孔的协同作业，从而保障树根周围土体灌溉效果的均衡。
5、本发明不仅可用于监测单次根灌的作业过程，也可把环状电极系和径向电极系固定在树木周围作为监测树木周围水分状态的手段，根据监测结果更加科学的调整根灌频次。
附图说明
图1为本发明环状电极系和径向电极系的平面布置图；
图2为本发明三维电阻率成像监控树木根灌的装置整体结构图。
图中：1―树干；2―环状电极排列；3―径向电极排列；4―根灌孔；5―铜棒；6―电线；7―多芯电缆线；8―并行电法采集器；9―无线传输设备；10―电法控制及处理平台。
具体实施方式
参照图1和图2对本发明一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置及方法的实施例作进一步说明。
一种利用三维电阻率监控树根渗灌的装置，包括若干同心的环状电极排列2，所述环状电极排列2的圆周方向上设有若干径向电极排列3，所述环状电极排列2和径向电极排列3通过多芯电缆线7连接有并行电法采集器8，所述并行电法采集器8通过无线传输设备9连接有电法控制及处理平台10。
监测时，首先根据树根的分布范围、根灌孔4的位置及深度、场地空间条件，确定环状电极系和径向电极系布设的位置及范围，环状电极系的布设按照以距离树干1的中心为半径确定环状电极排列2，每个环状电极排列2按照等距离弧段确定电极的位置，在每个电极的位置安装铜棒5，本实施例中的环状电极排列2设有三个，且由18个均匀排列的电极组成，然后进行径向电极系的布设，按照以树干1为起点，以与正北方向夹角45°、135°、225°、315°布设4个径向电极排列3，每个径向电极排列3按照一定的径向距离布置多个电极位置，相邻电极之间的距离为0.2-1m，电极的数量与探测的覆盖范围有关，本实施例中采用8个电极，然后在每个电极的位置上安装铜棒5；本实施例中的铜棒5长20cm，直径为0.5cm；布设完成环状电极系和径向电极系后，对全部电极整体进行编号，例如环状电极排列2依次由内环向外环的编号为：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ......N，环状电极上的起始电极为正北方向，电极编号依次按照顺时针方向依次增大：H1，H2，H3......H18，四个径向电极排列3可编号为：a，b，c，d，径向电极排列3上的电极自树干1向外依次编号排列：J1，J2，J3......JM，把环状电极系和径向电极系得到所有电极按照约定的序列给定每个电极单独的编号，编号记作：1，2，3，4，5......；然后把多芯电缆线7上的电线6一端与相同编号的电极相连接，所有的电线6的另一端集成一束进而通过航空插头与并行电法采集器8相连接；启动并行电法采集器8、电法控制及处理平台10，利用电法控制及处理平台10进行采集参数的设置，并通过无线传输设备9实施对并行电法采集器8工作与休眠状态的控制，在根灌孔4注水之前，电法控制及处理平台10通过无线传输设备9向并行电法采集器8下发地电场数据采集命令，并行电法采集器8接收到指令即向任一电极注入稳恒电流场，其余电极进行地电数据体的采集，本实施例中电法采集器的采样时间为1s，采样间隔为0.1s，供电波形为单正矩形脉冲；并行电法采集器8采集得到的数据包括供电电流、自然场电位、一次场电位以及二次场电位数据；电法控制及处理平台10解编的采集数据为供电电流及其对应的一次场电位，待一次供电采集完成后，再选择其中一个电极作为供电电极，其它电极再进行地电数据体的采集数据体，依次进行供电与采集，当所有电极都作为供电电极进行供电，即可把所有的地电数据体一次性上传到电法控制及处理平台10，电法控制及处理平台10对上传的供电电流进行分析，当局部电极电流低于10mA，检查铜棒5与大地的接触情况，重新安装完成后，再一次进行地电数据体的测量和供电电流分析，当电流数据大于10mA时，电法控制及处理平台10对采集到的供电电流及其对应的一次场电位进行解编，并处理得到温纳三级装置的数据体，本实施例中温纳三级装置数据体格式为：A，B，M，N，V/I，I其中，A为供电电极编号，B为无穷远电极编号，默认为10000，M为测量电极，N为测量电极，V/I为归一化的实测电阻率，I为供电电流数据，然后根据每个电极的实际坐标以及温纳三级装置的数据体组成三维电阻率反演文件，在电法控制及处理平台10采用最小二乘法进行三维反演处理，即可得到单次监测的树根周围的三维空间模型，模型以不同大小电阻率的立体图进行展示并作为背景图，其中监测数据处理的阻尼最小二乘法反演方程为(JTJ+λI)Δqk＝JTg，式中，J为雅克比偏导数矩阵；JT为J的转置矩阵；λ为阻尼因子；I为单位矩阵；q电阻率模型修改向量；k为迭代次数；g为实测电阻率与模拟电阻率的残差向量；然而，阻尼最小二乘法反演方程对海量数据的反演存在不稳定收敛问题，造成模型空间存在离散化的高、低阻突变现象，基于圆滑约束的最小二乘法通过限制模型参数修改量的变化，从而使模型空间趋向于平稳变化。改进后的表达式为：(JTJ+λF)Δqk＝JTg-λFqk-1式中，F为二维平滑滤波矩阵；qk为模型的电阻率值取对数形成的向量。
在不同时刻进行现场数据的采集与处理，即可得到不同序列的电阻率的立体图，把不同时刻的电阻率与背景图进行比值处理，从而得到电阻率的相对变化图，当比值为1时，表明根灌注入的水未扩散到该区域；当比值小于1时，表明根灌注入的水已经扩散到该区域，通过电阻率的变化特征反映出水在树根周围的运移范围，根据三维电阻率变化成果指导根灌的时间以及根灌孔4之间的协同灌溉，当探测区域内电阻率比值都小于1时，表明整个探测范围内都有水渗透，可以停止进行灌溉作业；当探测区域内局部存在比值为1时，可对该区域范围的根灌孔4持续注水，其余根灌孔4可以停止作业。
例1：
根灌孔4距离树干1中心的距离为1m，若环状电极系共有4个环状电极排列2，则环状电极排列2Ⅰ距离树干1的中心为0.5m，环状电极排列2Ⅱ距离树干1的中心为1.5m，环状电极排列2Ⅲ距离树干1的中心为2.0m，环状电极排列2Ⅳ距离树干1的中心为2.5m；若径向电极系中的4个径向电极排列3(a、b、c、d)都有16个电极，第一个电极距离树干1中心为0.5m且相邻电极间距0.5m。以树根中心为原点(0，0，0)，取正北方向为X正方向，取正东方向为Y正方向，取地面向上为Z正方向则所有电极的坐标如下表1；表2为1号电极作为供电电极的温纳三级装置数据体格式。
表1电极位置的空间坐标
/>
表2温纳三级装置数据体格式
/>
/>
/>
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种利用三维电阻率监控树根渗灌的方法，其特征在于：包括如下，
（1）根据树根的分布范围、根灌孔的位置及深度、场地空间条件，确定环状电极系和径向电极系布设的位置及范围，包括若干同心的环状电极排列，所述环状电极排列的圆周方向上设有若干径向电极排列；
（2）环状电极系的布设：按照以距离树干的中心为半径确定环状电极排列的位置，每个环状电极排列按照等距离弧段确定电极的位置，在每个电极的位置安装铜棒；
（3）径向电极系的布设：按照以树干为起点，以一定的均匀角度布设若干个径向电极排列，每个径向电极排列按照一定的径向距离布置多个电极位置，在每个电极的位置上安装铜棒；
（4）把环状电极系、径向电极系的全部电极整体进行编号，把多芯电缆线上的电线一端与相同编号的电极相连接，所有的电线的另一端集成一束进而通过航空插头与并行电法采集器相连接，电法控制及处理平台对每个电极的实际坐标进行编码；
（5）启动并行电法采集器、电法控制及处理平台，利用电法控制及处理平台进行采集参数的设置，并通过无线传输设备实施对并行电法采集器工作与休眠状态的控制；
（6）在根灌孔注水之前，电法控制及处理平台通过无线传输设备向并行电法采集器下发地电场数据采集命令，并行电法采集器接收到指令即向任一电极注入稳恒电流场，其余电极进行地电数据体的采集，待一次供电采集完成后，再选择其中一个电极作为供电电极，其他电极再进行地电数据体的采集数据体，依次进行供电与采集，当所有电极都作为供电电极进行供电，即可把所有的地电数据体一次性上传到电法控制及处理平台；
（7）电法控制及处理平台对上传的供电电流进行分析，当局部电极电流低于10mA，检查铜棒与大地的接触情况，重新安装完成后，再一次进行地电数据体的测量和供电电流分析，当电流数据大于10mA时，电法控制及处理平台对采集到的供电电流及其对应的一次场电位进行解编，并处理得到温纳三级装置的数据体；
（8）根据每个电极的实际坐标以及温纳三级装置的数据体组成三维电阻率反演文件，在电法控制及处理平台采用最小二乘法进行三维反演处理，即可得到单次监测的树根周围的三维空间模型，模型以不同大小电阻率的立体图进行展示并作为背景图，其中监测数据处理的阻尼最小二乘法反演方程为，式中，J为雅克比偏导数矩阵，J T 为J的转置矩阵，λ为阻尼因子，I为单位矩阵，q电阻率模型修改向量，k为迭代次数，g为实测电阻率与模拟电阻率的残差向量；
（9）在不同时刻进行现场数据的采集与处理，即可得到不同序列的电阻率的立体图，把不同时刻的电阻率与背景图进行比值处理，从而得到电阻率的相对变化图，当比值为1时，表明根灌注入的水未扩散到该区域；当比值小于1时，表明根灌注入的水已经扩散到该区域，通过电阻率的变化特征反映出水在树根周围的运移范围；
（10）根据三维电阻率变化成果指导根灌的时间以及根灌孔之间的协同灌溉，当探测区域内电阻率比值都小于1时，表明整个探测范围内都有水渗透，可以停止进行灌溉作业；当探测区域内局部存在比值为1时，可对该区域范围的根灌孔持续注水，其余根灌孔可以停止作业。
2.根据权利要求1所述的一种利用三维电阻率监控树根渗灌的方法，其特征在于：对步骤（8）中的阻尼最小二乘法反演方程进行圆滑约束得到改进后的表达式为,式中，F为二维平滑滤波矩阵，q k 为模型的电阻率值取对数形成的向量。
3.根据权利要求1所述的一种利用三维电阻率监控树根渗灌的方法，其特征在于：并行电法采集器的采样时间为1s，采样间隔为0.1s，供电波形为单正矩形脉冲。
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