CN117419955B - 一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法，土壤现场调查采样装置包括土壤采样模块和大屏模块，土壤采样模块用于深入土壤预定深度并进行土壤采样，大屏模块包括控制模块，用于控制土壤现场调查采样装置的操作；大屏模块包括电子围栏模块和定位模块，定位模块用于确定土壤现场调查采样装置的当前位置，电子围栏模块用于确定待采样地块的边界，并确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内。本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法，能够以土种为边界，考虑道路、河流、高程等因素，生成自适应电子围栏，自动判断采样位置是否属于待采样的电子围栏内，并具有定位、扫码、拍照等功能。

Description

一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法

技术领域

本发明涉及自然资源勘测技术，特别是涉及到一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法。

背景技术

土壤是地球上最重要的自然资源之一，对于农业、园艺、环境保护、生态系统平衡等方面都具有重要意义。然而，由于人类的活动，土壤面临着严重的污染、侵蚀、退化等问题，土壤调查采样作为土壤学研究和土壤保护的重要手段和方法，是开展土壤生态系统、土壤微生物群落和土壤动物群落等研究基础数据的重要获取来源，同时，土壤调查采样帮助了解土壤的物理性质、化学性质和生物学性质，发现土壤中可能存在的污染物、毒素或其他有害物质，判断土壤的质量，进而发现潜在的土壤问题，并及时采取对策以保护环境和人类健康。

目前我国土壤调查采样主要是依靠人工直接现场采样作业获取土壤，其结果能够确保精度，但其人力成本高，工作效率低，不足无法满足大批量高效的土壤普查采样需求。为了更好地采样，一些自动化的土壤采样装置被设计，例如以下技术方案：发明专利1（一种土壤采样装置和方法，CN111272467B）：本发明提供了一种土壤采样装置和方法，土壤采样装置包括支架、升降机构、升降架和采样机构；所述升降架通过所述升降机构可上下移动地设置在所述支架上；所述采样机构设置在所述升降架上，用于采集土壤样品。发明专利2（旱地表层土自动采样设备和方法，CN111638083B）：本发明属于土壤采样技术领域，解决了现有技术中土壤采样自动化程度低、采样不准确、劳动强度大的技术问题，提供了一种旱地表层土自动采样设备和方法。用于同一地块的多点土壤采样，该设备包括:工作台、采样器、存样区、封口装置、输送机构、行走机构和控制器，采样器设置在工作台的中心位置，封口装置、输送机构和存样区围绕采样器依次设置在工作台上,所述行走机构用于带动工作台移动至预定的采样位置。

但是，以上现有技术中存在的问题是：控制方式单一，操作效率也较低，传输信息量较少。同时在实际的土壤现场调查中，依据采样点坐标开展现场调查，会存在现场调查周围环境因素考虑不足，在一定程度上导致样点代表性不高，可达性不高等，增加工作量，减缓效率。

发明内容

为解决现有技术中土壤调查采样装置及方法存在的控制方式单一、缺乏采样区域的自动生成与采样区域内外的自动判别功能、操作效率较低，传输信息量较少、不利于样品溯源等技术问题，本发明提出了一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置及方法，能够以土种为边界，考虑道路、河流、高程等因素，生成自适应电子围栏，自动判断采样位置是否属于待采样的电子围栏内，保证采样的样品具有代表性，减少人为因素引入的误差，提高样点的可达性和采样效率，进而准确反映土壤真实情况。

为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，包括土壤采样模块和大屏模块，土壤采样模块用于深入土壤预定深度并进行土壤采样，大屏模块包括控制模块，用于控制土壤现场调查采样装置的操作；其中大屏模块包括电子围栏模块和定位模块，定位模块用于确定土壤现场调查采样装置的当前位置，电子围栏模块用于确定待采样地块的边界，并确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，控制模块根据电子围栏模块的确定结果启动土壤采样装置进行土壤采样。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，电子围栏模块包括信息获取单元和边界划定单元，其中，信息获取单元用于获取预存或输入的土地种类、道路、河流、高程数据信息；边界划定单元用于根据土地种类、道路、河流、高程数据信息，自动划定边界，生成采样点的自适应电子围栏。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，待采样地块边界包括依次序记录的多个土地边界点坐标，两个相邻土地边界点坐标连成一土地边界线，多个首尾相连形成封闭结构的土地边界线组成待采样地块边界；确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内包括：确定各个相邻土地边界线形成的界内角度，当全部界内角小于270度时，确定待采样地块为非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内；当全部界内角并非全小于270度时，确定待采样地块为奇异待采样地块；对于奇异待采样地块，将界内角大于270度的角点确定为奇异角点，分别将一奇异角点与其他一边界点相连形成新的土地边界线，按照新的土地边界线不相交的方式将奇异待采样地块切割为多个非奇异待采样地块，对于确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于任一非奇异待采样地块内。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于土地边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的土地边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，土壤采样模块包括采样单元、驱动单元、采样深度控制单元和采样位置标记单元，其中采样单元包括钻头和采样器，用于钻入土壤并采集土壤样品；驱动单元包括钻头驱动电机，用于为钻头提供动力让钻头钻入土壤，采样深度控制单元用于控制采样器在不同深度的土壤内采集土壤样品，采样位置标记单元用于向控制单元提供采样深度信息。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，大屏模块还包括数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块；数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块均连接至控制模块，其中，

数据输入模块用于接收操作人员输入的信息；

扫码模块用于读取土壤样品袋的二维码信息；

图像采集模块用于拍摄土壤现场调查采样装置以及土壤样品的图像或视频；

显示模块用于显示基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频；

存储模块用于存储基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频；

通信模块用于与远端服务器传输信息；

电源模块为其他大屏模块的组成模块及土壤采样模块提供电力。

本发明还包括一种基于电子围栏的土壤现场调查采样方法，该方法包括以下步骤：

A、确定土壤现场调查采样装置的当前位置，确定待采样地块的边界，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，是则启动土壤采样装置进行土壤采样；

B、拍摄土壤现场调查采样装置的现场图片或视频，读取土壤样品袋的二维码信息，拍摄土壤样品的图像或视频；

C、将采样装置的现场图片或视频、土壤样品袋的二维码信息、土壤样品的图像或视频传输至远端服务器。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，步骤A的确定待采样地块的边界包括：

获取预存的或接收输入的土地种类、道路、河流、高程数据信息；

根据土地种类、道路、河流、高程数据信息，划定对应于特定种类土地的待采样地块边界。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，步骤A的确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内包括：

待采样地块边界包括依次序记录的多个土地边界点坐标，两个相邻土地边界点坐标连成一土地边界线，多个首尾相连形成封闭结构的土地边界线组成待采样地块边界；

确定各个相邻土地边界线形成的界内角度，当全部界内角小于270度时，确定待采样地块为非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内；

当全部界内角并非全小于270度时，确定待采样地块为奇异待采样地块，对于奇异待采样地块，将界内角大于270度的角点确定为奇异角点，分别将一奇异角点与其他一边界点相连形成新的土地边界线，按照新的土地边界线不相交的方式将奇异待采样地块切割为多个非奇异待采样地块，对于确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于任一非奇异待采样地块内。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内。

本发明所具有的技术效果包括如下。

（1）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法，能够生成一种自适应特定土地种类的电子围栏，利用电子围栏包围待调查采样区域，待调查采样区域的边界能够根据不同的环境特征和用户需求进行自由调整，因此能够灵活地适应各种复杂的地理环境，适应于河流、道路、建筑等对于土地的隔离、割裂，形成灵活多变的待采样地块边界，因此提高了采样区域划界操作的可靠性和准确性，也保障了采样点的可达性。

（2）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法，能够进行测试以验证虚拟电子围栏的准确性。如果测试结果不符合预期，可对边界判定方法或者边界标记的坐标进行调整。

（3）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法中，根据灵活多变的待采样地块边界，提出了一种计算精确、可靠性高的确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块的方法，对于奇异形状的待采样地块进行有效切割和分离，并分别计算，具有良好的自适应性和算法的稳健性。

（4）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法中，获取、存储和传输基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频，向远端服务器提供了土壤样品的详细信息，有利于后期土壤样品的分析和溯源操作，也有利于远端服务器获取详细信息之后，根据实际情况调整采样策略，例如采样深度、采样区域范围、采样均匀度、采样范围粒度等信息。

附图说明

图1为根据本发明具体实施方式中一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的结构示意图。

图2为根据本发明具体实施方式中一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的原理示意图。

图3为根据本发明具体实施方式中一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解（例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等）。

图1为根据本发明具体实施方式中一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的结构示意图。如图所示，本发明具体实施方式中包括一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，包括土壤采样模块和大屏模块，土壤采样模块用于深入土壤预定深度并进行土壤采样，大屏模块包括控制模块，用于控制土壤现场调查采样装置的操作；其中大屏模块包括电子围栏模块和定位模块，定位模块用于确定土壤现场调查采样装置的当前位置，电子围栏模块用于确定待采样地块的边界，并确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，控制模块根据电子围栏模块的确定结果启动土壤采样装置进行土壤采样。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，电子围栏模块包括信息获取单元和边界划定单元，其中，信息获取单元用于获取预存或输入的土地种类、道路、河流、高程数据信息；边界划定单元用于根据土地种类、道路、河流、高程数据信息，划定对应于特定种类土地的待采样地块边界。

例如，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中首先定义土地种类集合：令 L = {l1, l2, ..., ln} 表示土地种类的集合，其中 li 代表第 i 种土地类型。然后，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置根据上述地理特征，制定虚拟电子围栏的边界，亦即特定种类土地li的待采样地块边界。其具体的方法包括固定边界线、遵循地形曲线、避开陡峭的山坡、跟随河流路径，考虑道路、河流、高程等因素到电子围栏的边界划定中。

另外，图2和图3为根据本发明具体实施方式中一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的原理示意图。如图所示，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，待采样地块边界包括依次序记录的多个土地边界点坐标，两个相邻土地边界点坐标连成一土地边界线，多个首尾相连形成封闭结构的土地边界线组成待采样地块边界；确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内包括：确定各个相邻土地边界线形成的界内角度，当全部界内角小于270度时，确定待采样地块为非奇异待采样地块，如图2所示即为非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内。

当全部界内角并非全小于270度时，确定待采样地块为奇异待采样地块；如图3所示即为非奇异待采样地块，对于奇异待采样地块，将界内角大于270度的角点确定为奇异角点，分别将一奇异角点与其他一边界点相连形成新的土地边界线，按照新的土地边界线不相交的方式将奇异待采样地块切割为多个非奇异待采样地块，对于确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于任一非奇异待采样地块内。

同样地，如图2和图3所示，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内。

本发明具体实施方式中，定义一个边界判定函数 B(l)：L → {0, 1}，使得 B(l)= 1 表示土地类型 l 在边界内，B(l) = 0 表示土地类型 l 在边界外。边界判定函数可使用条件表达式或者逻辑运算符来表示。

特别地，对于较为复杂的地形和地理特征，本发明具体实施方式中还设定边界过渡区域，使待采样区域的边界在某些区域上渐变或模糊。例如，在悬崖边缘或坡度陡峭的地方，可以缩小虚拟电子围栏的有效范围，以避免误报或错误触发。

判定土壤现场调查采样装置的当前位置是否在待采样区域边界内：对于给定的土地类型 l 和坐标点 (x, y)，使用边界判定函数 B(l) 判断该土地类型是否在边界内。即B(l) = 1，表示该土地类型在边界内，B(l) = 0，表示该土地类型在边界外。

例如图2和图3的待采样地块的多个土地边界点坐标为（x1，y1），（x2，y2）……（x9，y9）；这些土地边界点形成多个土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）] ……[（x8，y8），（x9，y9）]，以土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）]为例，任何一条土地边界线的解析表示法为：

(y-y2)/(y1-y2)=(x-x2)/(x1-x2)；

图2中的（x8，y8）和图3中的（x8，y8）构成明显区别，以至于图3中的（x8，y8）对应的界内角大于270度，产生了奇异角点。

本发明的确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内的原理是：以（x1，y1），（x2，y2）……（x9，y9）组成的整体依次连接方向为正向旋向，例如图2和图3的正向旋向均为顺时针方向。且土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）]的正向方向为（x1，y1）指向（x2，y2），依次类推。

以图2为例，在一个非奇异待采样地块内部的点（xj，yj）向全部土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）] ……[（x8，y8），（x9，y9）]作垂线，并获取垂足的坐标，如果垂足在土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）] ……[（x8，y8），（x9，y9）]中的一条或多条上，而不在该一条或多条土地边界线的延长线上，则选择该垂线为判别垂线，例如（xj，yj）具有5条判别垂线，分别与土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）]、[（x4，y4），（x5，y5）]、[（x5，y5），（x6，y6）]、[（x6，y6），（x7，y7）]和[（x7，y7），（8，y8）]相交。从图2可以看出，从土地边界线[（x1，y1），（x2，y2）]、[（x4，y4），（x5，y5）]、[（x5，y5），（x6，y6）]、[（x6，y6），（x7，y7）]和[（x7，y7），（x8，y8）]向各个判别垂线方向（判别垂线的方向为（xj，yj）指向垂足的方向）旋转的方向，均为逆时针方向。

而对于非奇异待采样地块外部的点（xi，yi），其只有一条判别垂线，与土地边界线[（x6，y6），（x7，y7）]相交，从图中可以看出，土地边界线[（x6，y6），（x7，y7）]向该判别垂线旋转方向为顺时针方向。

对于另一非奇异待采样地块外部的点（xk，yk），其也具有5条判别垂线，分别与土地边界线[（x2，y2），（x3，y3）]、[（x3，y3），（x4，y4）]、[（x4，y4），（x5，y5）]、[（x7，y7），（x8，y8）]和[（x8，y8），（x9，y8）]相交。其中，土地边界线[（x2，y2），（x3，y3）]、[（x3，y3），（x4，y4）]、[（x4，y4），（x5，y5）] 向各自对应的判别垂线旋转方向为逆时针方向，而土地边界线[（x7，y7），（x8，y8）]和[（x8，y8），（x9，y8）] 向对应的判别垂线旋转方向为顺时针方向。

因此对于图2这样的非奇异待采样地块而言，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内的方法包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内。因此本发明具体实施方式中提供了一种简单、有效且准确的判别待采样地块内外的方法。

但是对于图3这样的奇异待采样地块而言，以上方法会出现错误，因为即便是土壤现场调查采样装置的当前位置位于奇异待采样地块内的情况，也会发生土地边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向为顺时针的情况，此时会错误地将土壤现场调查采样装置的当前位置划分为待采样地块以外。

为了解决该问题，本发明具体实施方式中，对于奇异待采样地块，采用了分割的方式，在奇异角点（x8，y8）与另一边界点（x3，y3）之间相连，形成新的土地边界线，这样原先的奇异待采样地块被分割为上下两个非奇异待采样地块，对于这样上下两个非奇异待采样地块分别按照上述办法判断土壤现场调查采样装置的当前位置（xj，yi）是否为非奇异待采样地块内，当土壤现场调查采样装置的当前位置属于任一非奇异待采样地块内时，即确定其在原先的整体待采样地块之内。控制装置即可控制土壤采用模块进行土壤样品的采样操作。

例如图3中，通过（xj，yi）对应的3条判别垂线，以及3条土地边界线[（x4，y4），（x5，y5）]、[（x6，y6），（x7，y7）]、[（x7，y7），（x8，y8）]之间的旋转方向关系，即可判断（xj，yi）属于下部非奇异待采样地块内部。

以上具体实施方式中，另一边界点（x3，y3）可以按照预定规则选取，例如选择与奇异角点（x8，y8）距离最近的另一边界点，或者采用尝试方法，依次尝试其他边界点与奇异角点（x8，y8）形成连线，达到将奇异待采样地块分割为多个非奇异待采样地块即可。

当待采样地块包括多个奇异角点时，依次对多个奇异角点进行分割，形成多个新的土地边界线的基本原则是新的土地边界线不可相交，此处的不相交是指边界线内部不相交，而并不包括与新的土地边界线的延长线不相交。此时即可保障待采样地块的完整性和最终结果的可靠性。

另外，如图1所示，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，土壤采样模块包括采样单元、驱动单元、采样深度控制单元和采样位置标记单元，其中采样单元包括钻头和采样器，用于钻入土壤并采集土壤样品；驱动单元包括钻头驱动电机，用于为钻头提供动力让钻头钻入土壤，采样深度控制单元用于控制采样器在不同深度的土壤内采集土壤样品，采样位置标记单元用于向控制单元提供采样深度信息。

当采样人员依靠电子围栏技术确定合适的采样点后，可利用采样装置对土壤样品采集，包括采样单元，驱动单元，采样深度控制单元，以及采样位置标记单元。采样单元包括用于采集土壤样品一个锐利的钢钻头，用于钻入土壤并获取土壤样品。驱动单元用于驱动采样器进入土壤的模块，通常为一个电动的机械装置，例如钻头驱动电机，能够提供足够的力量让采样器轻松地进入土壤中。采样深度控制单元用于控制采样器进入土壤的深度的模块，通常是一个可调节的装置，能够根据需要控制采样的深度。采样位置标记单元用于标记采样位置的模块，通常是一个带有刻度的装置，能够记录每个采样位置的准确位置信息。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置中，大屏模块还包括数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块；数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块均连接至控制模块，其中，

数据输入模块用于接收操作人员输入的信息；

扫码模块用于读取土壤样品袋的二维码信息；

图像采集模块用于拍摄土壤现场调查采样装置以及土壤样品的图像或视频；

显示模块用于显示基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频；

存储模块用于存储基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频；

通信模块用于与远端服务器传输信息；

电源模块为其他大屏模块的组成模块及土壤采样模块提供电力。

与本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置相对应，本发明还包括一种基于电子围栏的土壤现场调查采样方法，该方法包括以下步骤：

A、确定土壤现场调查采样装置的当前位置，确定待采样地块的边界，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，是则启动土壤采样装置进行土壤采样；

B、拍摄土壤现场调查采样装置的现场图片或视频，读取土壤样品袋的二维码信息，拍摄土壤样品的图像或视频；

C、将采样装置的现场图片或视频、土壤样品袋的二维码信息、土壤样品的图像或视频传输至远端服务器。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，步骤A的确定待采样地块的边界包括：

获取预存的或接收输入的土地种类、道路、河流、高程数据信息；

根据土地种类、道路、河流、高程数据信息，划定对应于特定种类土地的待采样地块边界。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，步骤A的确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内包括：

待采样地块边界包括依次序记录的多个土地边界点坐标，两个相邻土地边界点坐标连成一土地边界线，多个首尾相连形成封闭结构的土地边界线组成待采样地块边界；

确定各个相邻土地边界线形成的界内角度，当全部界内角小于270度时，确定待采样地块为非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内；

当全部界内角并非全小于270度时，确定待采样地块为奇异待采样地块，对于奇异待采样地块，将界内角大于270度的角点确定为奇异角点，分别将一奇异角点与其他一边界点相连形成新的土地边界线，按照新的土地边界线不相交的方式将奇异待采样地块切割为多个非奇异待采样地块，对于确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于任一非奇异待采样地块内。

另外，本发明具体实施方式的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法中，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内。

本发明所具有的技术效果包括如下。

（1）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法，能够生成一种自适应特定土地种类的电子围栏，利用电子围栏包围待调查采样区域，待调查采样区域的边界能够根据不同的环境特征和用户需求进行自由调整，因此能够灵活地适应各种复杂的地理环境，适应于河流、道路、建筑等对于土地的隔离、割裂，形成灵活多变的待采样地块边界，因此提高了采样区域划界操作的可靠性和准确性，也保障了采样点的可达性。

（2）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法，能够进行测试以验证虚拟电子围栏的准确性。如果测试结果不符合预期，可对边界判定方法或者边界标记的坐标进行调整。

（3）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法中，根据灵活多变的待采样地块边界，提出了一种计算精确、可靠性高的确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块的方法，对于奇异形状的待采样地块进行有效切割和分离，并分别计算，具有良好的自适应性和算法的稳健性。

（4）本发明的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置和方法中，获取、存储和传输基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果、土壤样品的图像或视频，向远端服务器提供了土壤样品的详细信息，有利于后期土壤样品的分析和溯源操作，也有利于远端服务器获取详细信息之后，根据实际情况调整采样策略，例如采样深度、采样区域范围、采样均匀度、采样范围粒度等信息。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，包括土壤采样模块和大屏模块，土壤采样模块用于深入土壤预定深度并进行土壤采样，大屏模块包括控制模块，用于控制土壤现场调查采样装置的操作；其特征在于，大屏模块包括电子围栏模块和定位模块，定位模块用于确定土壤现场调查采样装置的当前位置，电子围栏模块用于确定待采样地块的边界，并确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，控制模块根据电子围栏模块的确定结果启动土壤采样装置进行土壤采样；

其中，待采样地块边界包括依次序记录的多个土地边界点坐标，两个相邻土地边界点坐标连成一土地边界线，多个首尾相连形成封闭结构的土地边界线组成待采样地块边界；确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内包括：确定各个相邻土地边界线形成的界内角度，当全部界内角小于270度时，确定待采样地块为非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内；当全部界内角并非全小于270度时，确定待采样地块为奇异待采样地块；对于奇异待采样地块，将界内角大于270度的角点确定为奇异角点，分别将一奇异角点与其他一边界点相连形成新的土地边界线，按照新的土地边界线不相交的方式将奇异待采样地块切割为多个非奇异待采样地块，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于任一非奇异待采样地块内；

确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于非奇异待采样地块内包括，以非奇异待采样地块的全部边界点的依次连接方向为正向旋向；各土地边界线的沿着正向旋向的延伸方向为正向方向，以土壤现场调查采样装置的当前位置向各土地边界线作垂线，对于垂足位于土地边界线内部的一个或多个垂线作为判别垂线，当全部与判别垂线相交的土地边界线的正向方向朝向判别垂线旋转的方向均与正向旋向相反时，确定土壤现场调查采样装置的当前位置为非奇异待采样地块内；判别垂线的方向为土壤现场调查采样装置的当前位置指向垂足的方向。

2.根据权利要求1中所述的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，其特征在于，电子围栏模块包括信息获取单元和边界划定单元，其中，信息获取单元用于获取预存或输入的土地种类、道路、河流和高程数据信息；边界划定单元用于根据土地种类、道路、河流和高程数据信息，划定对应于特定种类土地的待采样地块边界。

3.根据权利要求1中所述的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，其特征在于，土壤采样模块包括采样单元、驱动单元、采样深度控制单元和采样位置标记单元，其中采样单元包括钻头和采样器，用于钻入土壤并采集土壤样品；驱动单元包括钻头驱动电机，用于为钻头提供动力让钻头钻入土壤，采样深度控制单元用于控制采样器在预定深度的土壤内采集土壤样品，采样位置标记单元用于向控制单元提供采样深度信息。

4.根据权利要求1中所述的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，其特征在于，大屏模块还包括数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块；数据输入模块、扫码模块、图像采集模块、显示模块、存储模块、通信模块和电源模块均连接至控制模块，其中，

数据输入模块用于接收操作人员输入的信息；

扫码模块用于读取土壤样品袋的二维码信息；

图像采集模块用于拍摄土壤现场调查采样装置以及土壤样品的图像或视频；

显示模块用于显示基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果和土壤样品的图像或视频；

存储模块用于存储基于电子围栏的土壤现场调查采样装置的状态、土壤现场调查采样装置的当前位置、待采样地块的边界信息、扫码模块的扫码结果和土壤样品的图像或视频；

通信模块用于向远端服务器传输信息；

电源模块为其他大屏模块的组成模块及土壤采样模块提供电力。

5.一种基于电子围栏的土壤现场调查采样方法，利用根据权利要求1中所述的基于电子围栏的土壤现场调查采样装置，其特征在于，包括以下步骤：

A、确定土壤现场调查采样装置的当前位置，确定待采样地块的边界，确定土壤现场调查采样装置的当前位置是否属于待采样地块边界内，是则启动土壤采样装置进行土壤采样；

B、拍摄土壤现场调查采样装置的现场图片或视频，读取土壤样品袋的二维码信息，拍摄土壤样品的图像或视频；

C、将采样装置的现场图片或视频、土壤样品袋的二维码信息和土壤样品的图像或视频传输至远端服务器。

6.根据权利要求5中所述的基于电子围栏的土壤现场调查采样方法，其特征在于，步骤A中确定待采样地块的边界包括：

获取预存的或接收输入的土地种类、道路、河流和高程数据信息；

根据采样点坐标，考虑土地种类、道路、河流和高程数据信息，划定对应于特定种类土地的待采样地块边界。