CN115824085A - 一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法包括如下步骤：将度量工具平行置于测量区域上方，且使度量工具的长度方向与测量区域的沙波纹的波纹脊线垂直；使可见光以指定的入射角度θ照射所述度量工具，以使所述度量工具的投影形成在测量区域的表面；采集俯视图像；于所述俯视图像中，测量Ln；计算获得Hna。本发明提供的测量方法只需简单设备即可实施，操作简单，测量精度高，尤其适于进行野外测量。

Description

一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法

技术领域

本发明涉及一种波纹廓线测量方法，特别涉及一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，属于地形测量技术领域。

背景技术

风成波纹系统在风成地貌中具有典型的代表性，对研究区域地貌演化、地表过程、环境变迁具有重要意义和科学研究价值，长期以来一直是广大地学工作者们关注的焦点。自然界典型风成波纹地貌的波长由小到大依次为：沙波纹(几厘米至十几厘米)、砾浪(几十厘米至几十米)、沙丘(几十至几百米)、巨型沙丘(几百至几千米)等。

风成波纹廓线，即垂直于脊线的波纹截面轮廓线，波纹廓线图为二维线状图，其横坐标轴是到测量初始点的距离，主要反应波长参数；纵坐标轴为波纹表面点距离基底面的高度，主要反应波高参数，单位均为毫米或厘米。波长、波高、波纹指数(波长/波高)、对称系数(迎风坡投影长度/背风坡投影长度)和坡度等参数，是波纹的典型特征参数，但获得这些参数均依赖于波纹廓线的测量，并需要从波纹廓线中分析和提取。因此，波纹廓线的精确测量是研究波纹形成、发育过程的关键。

各种技术已经被以往研究者们应用于沙波纹形状的测量和提取。具体包括：1)在波纹脊部之间拉线，测量距地表的距离来获取高度值；2)在脊部之间放置一块有机玻璃，并测量距离沙面的深度；3)使用乙二醇溶液浸润、固化沙波纹，并在实验室切出切面，开展详细分析，提取出波纹廓线的相关数据；4)使用野外浇筑在波纹表面的熟石膏磨具，来分析波纹的形态特征；5)使用近景摄影来获得风蚀波纹的形态照片；6)使用3D微地形扫描仪来进行高精度观测。

对于野外调查，上述方法，有的程序繁琐且费时费力，有的设备和租赁价格昂贵，并需要野外布设标定，及大量内业分析工作。事实上，尽管这些技术都可以获取到有用的信息，它们也考验着研究者们的耐心。因此，仅有少量的波纹形态可以被实际获取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，所述通过光影进行野外波纹廓线测量的方法包括如下步骤：

(1)将度量工具设置在待测量的沙波纹上方，使所述度量工具与所述沙波纹表面无直接接触，并使所述度量工具的长度方向垂直于所述沙波纹的波纹脊线，以及使所述度量工具的正面尺面平行于所述沙波纹的波纹基底面；

(2)以可见光沿垂直于度量工具长度方向的方向照射所述度量工具，使所述度量工具的阴影投射在所述沙波纹表面；

(3)获取所述度量工具及所述度量工具的阴影的俯视图像；

(4)测量所述俯视图像中度量工具上各刻度点位与相应刻度点位的阴影的距离，并依据所述可见光的入射角度及正切三角函数，计算获得所述度量工具上刻度点位与所述沙波纹表面的垂直距离，进而获得波纹廓线上各点的纵坐标，以及

依据各刻度位点与原点之间的距离，获得波纹廓线上各点的横坐标。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，只需简单设备即可实施，操作简单，测量精度高，尤其适于进行野外测量，且不受地形坡度的影响。

2)本发明实施例提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，仅需进行简单少量的计算，便可以得出波纹廓线图，进而减少了内业工作量，提高了测量效率。

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中记载的一些实施例，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为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法的装置示意图；

图2为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法的原理示意图；

图3为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法中标杆投影示意图；

图4为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法中波纹廓线图获取方法示意图；

图5为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法中最终波纹廓线图；

图6为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法中投影距离L_n的实测曲线；

图7为本发明一典型实施例中提供的一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法中，度量工具上的多个第一刻度点位与测量区域表面的多个垂直距离H_n

的拟合曲线；

图8为根据图6和图7中L_n、H_n绘制的沙波纹廓线。

附图标记说明：

1、光学元件；2、第一支架；3、度量工具；31、标杆；311、阴影面；32、第一罗盘；4、第二支架；5、照相机；6、第二罗盘；7、波谷线；8、波纹脊线；9、可见光；10、波纹廓线；11、波纹基底面。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种通过光影进行野外波纹廓线测量的方法，所述通过光影进行野外波纹廓线测量的方法，包括如下步骤：

1)将度量工具平行置于测量区域上方，且使度量工具的长度方向与测量区域的沙波纹的波纹脊线垂直；

2)使可见光以指定的入射角度θ照射所述度量工具，以使度量工具的投影形成在测量区域的表面；

3)采集度量工具及其投影的俯视图像；

4)于所述俯视图像中，测量所述度量工具上的多个第一刻度点位与所述投影内的多个第二刻度点位之间的多个距离L_n，其中，所述第二刻度点位为第一刻度点位的投影；

5)依据式(1)计算获得所述度量工具上的多个第一刻度点位与测量区域表面的多个垂直距离H_n，依据式(2)计算获得测量区域的沙波纹廓线上多个点位的纵坐标值H_na，

tanθ＝H_n/L_n 式(1)

H_na＝H_max-H_n 式(2)

以多个第一刻度点位对应的刻度值X_na作为测量区域的沙波纹廓线上多个点位的横坐标值，通过多个点位坐标(X_na，H_na)构建获得测量区域的沙波纹廓线；其中，H_max为多个垂直距离H_n中的最大值，n为正整数。

在一具体实施方式中，步骤(1)还包括：在所述度量工具的正面上设置第一罗盘，以及在所述波纹基底面上设置第二罗盘，并根据所述第一罗盘和第二罗盘所显示的方位角调整所述度量工具的位置，直至使所述度量工具的长度方向与所述沙波纹的波纹脊线垂直。

在一具体实施方式中，步骤(1)还包括：根据所述第二罗盘所显示的倾角调整所述度量工具的倾角，直至使所述第一罗盘所显示的倾角与所述第二罗盘所显示的倾角相同，从而使度量工具的尺面与波纹基底面平行。

步骤(1)还包括：利用第二支架将所述度量工具悬架在待测量的沙波纹上方。

在一具体实施方式中，步骤(1)具体包括，于所述度量工具上设置标杆，所述标杆的顶点至标杆与度量工具接触点的高度为h；

在一具体实施方式中，步骤(2)具体包括：所述可见光以垂直于度量工具长度方向的方向同时照射所述度量工具和标杆，并使所述度量工具的阴影投射在所述沙波纹表面，所述标杆的阴影投射在所述度量工具表面；

在一具体实施方式中，步骤(3)具体包括：采集所述度量工具及其投影、所述标杆及其投影的俯视图像；

在一具体实施方式中，步骤(4)具体包括：测量所述标杆的阴影的长度l，并依据(3)计算出所述可见光的入射角度θ，

tanθ＝h/l 式(3)。

在一具体实施方式中，步骤(2)具体还包括：一光学元件；调节所述光学元件的反射角度，使所述光学元件反射阳光以形成所述的可见光，并使所述可见光沿与所述度量工具长度方向垂直的方向照射所述度量工具。

在一具体实施方式中，步骤(3)具体包括：在所述度量工具上方设置照相机，并使所述照相机垂直俯拍所述度量工具及其投影以获得所述度量工具及其投影的俯视图像。

如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非说明的之外，本发明实施例中的各组成部件的材质可以是本领域技术人员已知的，各部件的尺寸参数等均可以根据具体情况进行调整，在此不做具体的限定。

实施例：

一种通过光影进行野外波纹廓线10测量的方法，所述通过光影进行野外波纹廓线10测量的方法包括如下步骤：

一种通过光影进行野外沙波纹廓线10测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将度量工具3平行置于测量区域上方，且使度量工具3的长度方向与测量区域的沙波纹的波纹脊线8垂直；

2)使可见光9以指定的入射角度θ照射所述度量工具3，以使度量工具3的投影形成在测量区域的表面；

3)采集度量工具3及其投影的俯视图像；

4)于所述俯视图像中，测量所述度量工具3上的多个第一刻度点位与所述投影内的多个第二刻度点位之间的多个距离L_n，其中，所述第二刻度点位为第一刻度点位的投影；

5)依据式(1)计算获得所述度量工具3上的多个第一刻度点位与测量区域表面的多个垂直距离H_n，依据式(2)计算获得测量区域的沙波纹廓线10上多个点位的纵坐标值H_na，

tanθ＝H_n/L_n 式(1)

H_na＝H_max-H_n 式(2)

以多个第一刻度点位对应的刻度值X_na作为测量区域的沙波纹廓线10上多个点位的横坐标值，通过多个点位坐标(X_na，H_na)构建获得测量区域的沙波纹廓线10；其中，H_max为多个垂直距离H_n中的最大值，n为正整数。

可理解的，测量时将度量工具3平行放置在待测量区域的上方，其中度量工具3可以为钢尺，将所述钢尺放置在待测量的沙波纹的上方。请参阅图1，所述沙波纹形成时其近似波纹状，在波纹表面最低位置的延长线称之为波谷线7。而波纹表面最高位置(波峰)的延长线，称之为波纹脊线8。使钢尺与波纹脊线8垂直放置，即钢尺的刻度连线能够与所述波纹脊线8垂直。当一可见光9以指定的入射角度照射所述度量工具3的时候，所述钢尺的投影能够投射在测量区域处。

获得钢尺以及投影的俯视图像，并在俯视图像中测得多个第一刻度点位与所述投影内的多个第二刻度点位之间的多个距离L_n，即获得所述钢尺上一刻度点位的投影长度，并做记录。可获得多个计量数据，从而保证后续绘制沙波纹廓线10时所需要的数据容量而更多，更进一步地使绘制的廓线更加平滑，使绘制的图形与实际沙波纹廓线10更加相似，提高计算获得的沙波纹廓线10的精准度。

具体的，入射角度θ一般优选为20-60°。一般野外地形测量时受限于当地的气候以及地形条件，测量工具的精度有限。下面我们对本发明的技术科学性和数据精确性做一分析，并用实地测量数据来进行验证。

请参阅图8，图8中所示的波纹廓线，其横坐标从度量工具3可直接读取，纵坐标(波纹高度H_na)通过太阳光的光线入射角度θ和投影距离L_n，以及式1和式2计算得出，所以最终波纹廓线的数据精度取决于θ和L_n界定的精确性。其中，θ由标杆的阴影长度l，通过式3计算得出；L_n的界定需要度量工具上的刻度点位产生明显、可识别的投影，然后在AutoCAD或CorelDraw软件中分析俯拍照片，利用度量工具3的刻度作为比例尺，直接解读出L_n值。

根据函数y＝tanx可知，当x处于(0°-90°)区间内时，角度x越大，y越大。请参阅图2，当所述可见光9照射钢尺时，钢尺与待测区域保持相对静止状态，θ越大，tanθ越大，而H_n不变时，根据tanθ＝H_n/L_n可知，获得的L_n越小，则L_n难以分辨。可理解的，钢尺在同一位置保持静止时改变此入射角度θ，当θ处于20-60°时，度量工具3上的第一刻度点位具有更加明显、可识别的投影距离L_n。如果角度θ太大，则投影距离L_n太短不易分辨及提取；如果角度θ太小，则投影距离L_n太长，导致标杆投影的末端，超出度量工具正面边沿(请参阅图2和图3)，从而无法获取标杆的投影距离L_n值，进而无法获取入射角度θ值，因此入射角度θ一般优选为20-60°，使图像中的投影获得最佳的识别度、提高θ和L_n的数据精准度。

应用该方法，我们在库姆塔格沙漠北缘的三垄沙地区开展了一个典型沙波纹廓线的测量。测量期间，度量工具3产生了清晰的投影，太阳光线的入射角度为40度，在优选角度范围之内，所述度量工具3上的多个第一刻度点位与测量区域表面的多个垂直距离H_n的最大值H_max为100mm。其中，投影距离L_na在95.5-119.2mm之间，垂直距离H_n在80.1-100mm之间，纵坐标(波纹高度H_na)在0-19.9mm之间，横坐标X_na在0-546mm之间。图6-8分别是投影距离L_na、H_n和最终的波纹廓线图，其中波纹廓线图的横坐标X_na分辨率为2mm，纵坐标(波纹高度H_na)数据精度为0.1mm，该图可准确反映沙波纹的波长、波高、波纹指数(波长/波高)、对称系数(迎风坡投影长度/背风坡投影长度)和坡度等形态特征，这些参数的准确提取为后续波纹发育过程研究提供了数据支撑。

请参阅图4，以多个第一刻度点位对应的刻度值X_na作为测量区域的沙波纹廓线10上多个点位的横坐标值，通过多个点位坐标(X_na，H_na)构建获得测量区域的沙波纹廓线10；其中，H_max为多个垂直距离H_n中的最大值。

具体的，在步骤(1)中，选取待测量波纹的样地，尽可能选用水平的样地。

具体的，步骤(1)还包括：利用第二支架4将所述度量工具3悬架在待测量的沙波纹上方。可理解的，可以在样地上固定设置第二支架44，所述度量工具3为一钢尺，将钢尺放置在第二支架44，第二支架44可以调节所支撑的钢尺的高度，可以使钢尺所在的平面与样地最低点之间预留有3-20cm的高度空间。这是为了让钢尺在不同大小波纹(沙波纹和砾浪)表面产生适宜长度的投影，从而方便软件的识别和解读。

优选的，保证钢尺所在的平面与样地之间距离为4cm。是为了让钢尺在沙波纹表面产生适宜长度的投影，因为沙波纹的波高一般为几毫米到2厘米之间。

优选的，保证钢尺所在的平面与样地的脊部无直接接触，同时第二支架44也与样地的脊部无直接接触。以避免破坏野外沙波纹。

更具体的，步骤(1)还包括：在所述度量工具3的正面上设置第一罗盘32，以及在所述波纹基底面11上设置第二罗盘6，并根据所述第一罗盘32和第二罗盘6所显示的方位角调整所述度量工具3的位置，直至使所述度量工具3的长度方向与所述沙波纹的波纹脊线8垂直。具体的，所述第一罗盘32、第二罗盘6可以为本领域常见的地质罗盘，地质罗盘中方位角和倾角测量功能为一体化的标配，属于最基本的功能。更具体的，手机上安装的“GPS工具箱APP”(免费开元软件)也可以实现这些功能，可直接用手机来测定两位置处的方位角和倾角，通过调整度量工具将两个位置处的方位角以及倾角调整至一致，在野外测量工作中更加便捷。

可理解的，在自然界中，一般沙波纹或砾浪发育的基底面多为坡面，例如沙丘的迎风坡或者背风坡。因此，沙波纹基底面11可理解为是和坡面平行的、和波谷最深点接触的平面。

具体的，步骤(1)还包括：根据所述第二罗盘6所显示的倾角调整所述度量工具3的倾角，直至使所述第一罗盘32所显示的倾角与所述第二罗盘6所显示的倾角相同，从而使度量工具3的尺面与波纹基底面11平行。可理解的，在钢尺表面固定设置第一罗盘32，在波纹基底面11设置第二罗盘6，所述第一罗盘32和第二罗盘6显示出方位角和倾角，通过二者显示的方位角和倾角来调整钢尺的方位和倾角，直至使所述第一罗盘32所显示的方位和倾角与所述第二罗盘6所显示的方位和倾角相同，从而使钢尺所在的放置平面与波纹基底面11平行，钢尺的刻度方向与样地的波纹脊线8垂直。

具体的，一种通过光影进行野外沙波纹廓线10测量方法还包括：

于所述度量工具3上设置标杆31，所述标杆31的顶点至标杆31与度量工具3接触点的高度为固定值h；

所述可见光9以垂直于度量工具3长度方向的方向同时照射所述度量工具3和标杆31，并使所述度量工具3的阴影投射在所述沙波纹表面，所述标杆31的阴影投射在所述度量工具3表面；

采集所述度量工具3及其投影、所述标杆31及其投影的俯视图像；

测量俯视图像中所述标杆31的阴影的长度1，并依据(3)计算出所述可见光9的入射角度θ，

tanθ＝h/l 式(3)。

可理解的，请参阅图1以及图2，可以在所述钢尺上设置一标杆31，其中所述标杆31的顶点与度钢尺接触点的高度为h。更具体的，可将所述标杆31垂直于所述钢尺放置，此时其自身长度即为h，从而方便测量，方便后续计算。使一所述可见光9以垂直于度量工具3长度方向的方向同时照射所述度量工具3和标杆31，并使所述度量工具3的阴影投射在所述沙波纹表面，所述标杆31的阴影投射在所述度量工具3表面；

请参阅图2，所述可见光9为平行光，使所述可见光9的入射角度与所述度量工具3的上表面呈锐角设置，并且使平行光同时照射度量工具3以及标杆31，所述度量工具3投影在所述测量区域的表面，所述标杆31在钢尺上形成所述标尺的阴影面311。可以在所述度量工具3上方设置照相机5，并使所述照相机5垂直俯拍所述度量工具3及其投影以获得所述度量工具3及其投影的俯视图像。在俯视图像中测量所述标杆31的投影距离1，根据式(3)：tanθ＝h/l，得出平行光与钢尺表面的夹角为θ，因照射于标杆31上的光与照射于钢尺上的光为平行光，因而计算测得的θ值，也是平行光照射钢尺的入射角度，以提高获得的数据θ值的准确度。在俯视图像中获得钢尺的投影距离L_n，从而快速计算得出H_n。

更具体的，步骤(2)具体还包括：一光学元件1；述光学元件1能够改变阳光的光路，调节所述光学元件1的反射角度，使所述光学元件1反射阳光以形成所述的可见光9，并使所述可见光9照射所述度量工具3。可以通过设置的光学元件1改变入射光路，以便于改变入射角度θ，从而获取更易识别的投影影像，得到更精确的波纹线廓线。

更进一步地，所述光学元件1可以为一反光镜。所述反光镜可以为普通的玻璃镜子。

更具体的，还包括一第一支架2，所述光学元件1设置在所述第一支架2上，可以通过所述第一支架2调整所述光学元件1的反射角度以及升降的高度。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过光影进行野外沙波纹廓线测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将度量工具(3)平行置于测量区域上方，且使度量工具(3)的长度方向与测量区域的沙波纹的波纹脊线(8)垂直；

2)使可见光(9)以指定的入射角度θ照射所述度量工具(3)，以使所述度量工具(3)的投影形成在测量区域的表面；

3)采集所述度量工具(3)及其投影的俯视图像；

4)于所述俯视图像中，测量所述度量工具(3)上的多个第一刻度点位与所述投影内的多个第二刻度点位之间的多个距离Ln，其中，所述第二刻度点位为第一刻度点位的投影；

5)依据式(1)计算获得所述度量工具(3)上的多个第一刻度点位与测量区域表面的多个垂直距离H_n，依据式(2)计算获得测量区域的沙波纹廓线上多个点位的纵坐标值H_na，

tanθ＝H_n/L_n 式(1)

H_na＝H_max-H_n 式(2)

以多个第一刻度点位对应的刻度值X_na作为测量区域的沙波纹廓线上多个点位的横坐标值，通过多个点位坐标(X_na，H_na)构建获得测量区域的沙波纹廓线；其中，H_max为多个垂直距离H_n中的最大值，n为正整数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)还包括：在所述度量工具(3)的正面上设置第一罗盘(32)，以及在所述波纹基底面(11)上设置第二罗盘(6)，并根据所述第一罗盘(32)和第二罗盘(6)所显示的方位角调整所述度量工具(3)的位置，直至所述度量工具(3)上的刻度点连线与所述沙波纹的波纹脊线(8)垂直。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：根据所述第二罗盘(6)所显示的倾角调整所述度量工具(3)的倾角，直至使所述第一罗盘(32)所显示的倾角与所述第二罗盘(6)所显示的倾角相同，从而使度量工具(3)的尺面与波纹基底面(11)平行。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：于所述度量工具(3)上设置标杆(31)，所述标杆(31)的顶点至标杆(31)与度量工具(3)接触点的距离为h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：所述可见光(9)以垂直于度量工具(3)的刻度点连线方向同时照射所述度量工具(3)和标杆(31)，并使所述度量工具(3)的阴影投射在所述沙波纹表面，所述标杆(31)的阴影投射在所述度量工具(3)表面。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述可见光(9)的入射角度与所述度量工具(3)的上表面呈锐角设置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：采集所述度量工具(3)及其投影、所述标杆(31)及其投影的俯视图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：测量所述标杆(31)的阴影的长度l，并依据(3)计算出所述可见光(9)的入射角度θ，

tanθ＝h/l 式(3)。

9.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体还包括：

一光学元件(1)；

所述光学元件(1)能够改变阳光的光路，调节所述光学元件(1)的反射角度，使所述光学元件(1)反射阳光以形成所述的可见光(9)，并使所述可见光(9)照射所述度量工具(3)。

10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：在所述度量工具(3)上方设置照相机(5)，并使所述照相机(5)垂直俯拍所述度量工具(3)及其投影以获得所述度量工具(3)及其投影的俯视图像。

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