RU2700930C1 - Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера - Google Patents
Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2700930C1 RU2700930C1 RU2018144217A RU2018144217A RU2700930C1 RU 2700930 C1 RU2700930 C1 RU 2700930C1 RU 2018144217 A RU2018144217 A RU 2018144217A RU 2018144217 A RU2018144217 A RU 2018144217A RU 2700930 C1 RU2700930 C1 RU 2700930C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- erosion
- accumulation
- volume
- area
- Prior art date
Links
- 0 C=C(CS)*N=C Chemical compound C=C(CS)*N=C 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/24—Earth materials
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера заключается в том, что устанавливают не менее трех опорных реперных точек с известными координатами для идентификации координат их размещения на местности и обеспечения повторности наблюдений либо определяют эти координаты топографо-геодезической съемкой с точностью ±1 мм; устанавливают сканирующее оборудование таким образом, чтобы лазерный сканер находился на самой нижней точке исследуемого подверженного эрозии участка; обрабатывают полученные сканы, а именно сделанные в разное время сканы размещают в единую систему координат, очищают сканы от нежелательных объектов, для каждого скана с помощью встроенных в используемую компьютерную программу алгоритмов строят цифровую трехмерную модель рельефа с шагом сетки, равным шагу сканирования, определяют объём V и толщину слоя i потери почвы от эрозии (i–) и аккумуляции (i+) смытого материала на всем выбранном участке путем вычитания разновременных цифровых моделей рельефа с помощью алгоритмов программы, поставляемой с используемым сканирующим оборудованием; выполняют вычисление показателей почвенной эрозии и аккумуляции на исследуемой территории, для чего рассчитывают слой эрозии почвы и аккумуляции почв на участке площадью S в миллиметрах по объему смыва почв V и объему аккумуляции почв V+ по экспериментально выведенным формулам i– = V–/S × 1000; i+ = V+/S × 1000; выполняют расчёт преобладающего эрозионного процесса Δi: Δi = (V+ – V–/S) × 1000; выполняют расчёт объема смыва аккумуляции почвы на единицу площади, получают интегрированный удельный показатель E: E = (V+ – V–/S) × 10000. Изобретение обеспечивает, в частности, повторяемость съемки, увеличение производительности работ и повышение точности полученных результатов. 1 з.п. ф-лы,1 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится преимущественно к области охраны почв, более точно - к области определения эрозионных потерь почвы при полевом обследовании земель с использованием наземного лазерного сканера, может найти применение в научных исследованиях и проектных разработках при районировании территории по степени антропогенного воздействия, в планировании и осуществлении природоохранной деятельности.
Актуальность проблемы по предотвращению эрозии почвы (ветровой и водной) обуславливается тем, что объем потери плодородных почв на единицу площади в среднем составляет от 15 до 25 т/га, из них более 70% приходится на водную эрозию по данным источника [http://gov.cap.ru/SiteMap.aspx?gov_id=4&id=848133].
Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.
Антропогенное воздействие - любой вид хозяйственной деятельности человека в его отношении к природе; представляет собой, как правило, источник большого числа различных антропических факторов [Кишинев: Главная Редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989].
Водная эрозия - часть процесса денудации, которая состоит из разрушения, перемещения и отложения частиц почвы и пород под действием дождя и текущей воды [Швебс Г.И. Формирование водной эрозии стока наносов и их оценка (на примере Украины и Молдавии). Издательство: Гидрометеоиздат, 1974].
Денудация - совокупность процессов сноса и переноса (водой, ветром, льдом, непосредственным действием силы тяжести) продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где происходит их накопление [https://ru.wikipedia.org/wiki/Денудация].
Склон – участок речной долины над поймой [Русловые процессы (русловедение): учебное пособие / Р.С. Чалов. — М. : ИНФРА-М, 2016. — 565 с.]. Фактически все земли сельскохозяйственного назначения представлены склонами. Склоны с крутизной более 2 градусов считаются эрозионноопасными.
Струйчатая эрозия - снос поверхностного материала, главным образом почвы, под действием стекающей воды в многочисленных маленьких канальцах глубиной от нескольких сантиметров до полуметра, возникающих во время сильных ливней или при таянии снега [Экологическая энциклопедия. В 6т. Т.6. С - Я / Гл. ред. В.И. Данилов-Данильян; Ред. коллегия К.С. Лосев. - М.: Энциклопедия, 2012. - 656 с.].
Микроручейковая эрозия – снос поверхностного материала, главным образом почвы, под действием стекающей воды в многочисленных маленьких канальцах глубиной от 0.2-0.3 сантиметров до 1-2 см, возникающий во время сильных ливней или при таянии снега [Ермолаев О.П. Пояса эрозии в природно-антропогенных ландшафтах речных бассейнов. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1992. 150 с].
Репер - знак, закрепляющий точку земной поверхности, высота которой относительно исходной уровенной определена путём нивелирования [Большая Советская Энциклопедия / ред. О.Ю. Шмидт. - М.: Советская Энциклопедия, 1992. - 921 c.].
На дату представления заявочных материалов в исследуемой области существует проблема количественной оценки эрозионных потерь почвы, которая решается различными способами, например:
- способом оценки эрозионных потерь методом шпилек [Егоров И.Е. Полевые методы изучения почвенной эрозии // Вестник Удмуртского университета. Серия «Биология. Науки о Земле». 2009. №1];
- способом радионуклидов [Голосов В.Н., Иванова Н.Н., Гусаров А.В., Шарифуллин А.Г. Оценка тренда деградации пахотных почв на основе изучения темпов формирования стратоземов с использованием 137сs в качестве хрономаркера // Почвоведение. - 2017. - № 10, - С. 1238–1252];
- методом стоковых площадок [Соболев С. С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба ц ними. – Изд-во Академии наук СССР, 1948. – Т. 1.].
Недостатком перечисленных способов является то, что они не являются эффективными в диапазоне от 1 до 10 мм.
Эрозионные процессы представляют собой большую опасность для сельского хозяйства, так как даже малый слой смытой почвы приводит к потерям плодородных свойств почвы. Например, при слое эрозии в 1 мм и при плотности почв 1.2 г/см3 потери плодородного слоя составят 1 тонну с гектара, перечисленные же методы не позволяют зафиксировать такие малые скорости смыва почв, вследствие чего не могут использоваться для более эффективного предотвращения указанных процессов.
Заявленное техническое решение направлено на решение указанной выше проблемы по повышению эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения за счёт применения заявленного способа.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлен способ определения координат контрольной точки объекта с применением наземного лазерного сканера по изобретению, описанному в патенте РФ №2540939. Сущностью является способ определения координат контрольной точки объекта с применением наземного лазерного сканера, при котором используют специальные геодезические марки, отличающийся тем, что определяют элемент конструкции объекта, который характеризует собой пересечение не менее трех физических плоскостей, устанавливают наземный лазерный сканер на станции, выполняют сканирование контролируемого элемента конструкции объекта при помощи наземного лазерного сканера с линейной дискретностью шага сканирования в пределах от 1 до 10 мм, в результате чего определяют координаты точек отражения лазерного луча от поверхности контролируемого элемента конструкции объекта, передают результаты сканирования (скан) в ПЭВМ, с помощью компьютерной программы регистрируют в ней скан и получают цифровую точечную трехмерную (3D) модель поверхности контролируемого элемента конструкции объекта, производят обработку данных результатов наземного лазерного сканирования, выполняют привязку скана к заданной системе координат, определяют параметры фильтрации для удаления из облака точек лазерных отражений не подлежащих измерению посторонних объектов, производят их фильтрацию в автоматическом режиме, в этой же программе моделируют трехмерную виртуальную марку, автоматически аппроксимируя векторный примитив «плоскость» в данные наземного лазерного сканирования для каждой из физических плоскостей, являющихся элементами конструкции объекта, виртуально находят точку их пересечения и определяют трехмерные координаты данной контрольной точки.
Более коротко - поставленная задача в известном техническом решении достигается за счет того, что в способе определения координат контрольной точки объекта с применением наземного лазерного сканера, согласно изобретению, предлагается основанный на использовании пересечения трех аппроксимированных в данные наземного лазерного сканирования геометрических примитивов «плоскость». Для этого при помощи НЛС выполняют сканирование заранее визуально определенного контролируемого элемента конструкции объекта с наличием физического пересечения трех плоскостей, с линейной дискретностью шага сканирования в пределах от 1 до 10 мм и средней квадратической погрешностью аппроксимации геометрических примитивов «плоскость» в соответствии с эксплуатационной документацией (ЭД). Далее на основе пересечения трех геометрических примитивов «плоскость» определяют трехмерные координаты точки геометрического центра образованной фигуры, после чего производят построение цифровой векторной трехмерной (3D) модели точки, в пространстве, далее называемой трехмерной виртуальной маркой.
Недостатком известного технического решения является неприменимость способа в сельском хозяйстве, так как на территориях не представлены поверхности, которые могут быть описаны примитивами типа «плоскость». Также недостатком известного технического решения является невозможность проведения повторных наблюдений, так как любой поверхности свойственно изменяться в результате выветривания и дефляции, а значит их нельзя использовать в качестве геодезических опорных точек, или же марок. Указанные недостатки ограничивает область применения известного технического решения по назначению.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлено устройство для профилирования поверхности почвы и определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях, описанное в изобретении по патенту РФ № 2543813. Сущностью является устройство для профилирования поверхности почвы на склоновых землях и определения направления стока атмосферных осадков в полевых условиях, характеризующееся тем, что содержит раму с регулируемыми по высоте опорами и установленным на ней уровнем, подвижную в вертикальной плоскости платформу, установленную на опорах рамы при помощи втулок и соединенного с рамой винтового механизма, состоящего из винта с рукояткой со счетчиком оборотов и угла поворота рукоятки, центральной гайки-упора, установленной на раме, нижней гайки, установленной жестко на подвижной платформе, в отверстиях которой на одинаковых расстояниях друг от друга в узлах двухмерной сетки размещены подвижные щупы-стержни, выполненные из диэлектрического материала, причем щупы-стержни со своими верхними концами закреплены на выполненных из электропроводящего материала упорах-кольцах, замыкающих электрическую цепь.
Недостатком известного технического решения является дискретность результата приводимых измерений (отсутствие непрерывности показателей). Указанный недостаток является следствием конструктивных особенностей известного устройства, выполняющего измерения скачкообразно (с шагом, равным расстоянию между точками соприкосновения щупов с почвой), при этом оказываются неучтенными неровности почвы между точками замеров. В итоге искажается модель поверхности исследуемого поля, а, следовательно, снижается достоверность результатов измерений, приводящая к ошибкам определения величины аккумуляции смытой почвы. Недостаток ограничивает область применения известного устройства по назначению.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлен способ определения потерь почвы методом использования стоковых площадок, описанный в источнике «Водная эрозия и борьба с ней» [Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 252 с.], сущностью которого является изучение состава почвенных растворов, внутрипочвенного и поверхностного стока, собираемых с определенного объема или площади за определенное время. Устройство стоковых площадок заключается в следующем: боковыми границами площадок служат микроводоразделы между ложбинами, находящимися на склоне. Верхняя граница совпадает с общим водоразделом склона. Водосборная площадь стоковой площадки определяется по топографическому плану крупного масштаба с горизонталями через 0,1 м и проверяется в естественных условиях после ливня. Нижней границей стоковой площадки служат стоконаправляющие стенки из толя или рубероида. Глубина заделки в почву 15—20 см; превышение над поверхностью — 15 см. Для придания им жесткости по всей длине с внешней стороны стенок забиваются колышки. Центральный угол стенок около 150°. Входная часть стокоприемника выполнена в виде лотка из листового алюминия. Передняя стенка лотка заглублена в почву на 20 см. По лотку поверхностный сток поступает к водомерному ящику из листового алюминия. Для отстаивания жидкости, поступающей с лотка в ящик, последний разделен двумя стенками-успокоителями на три части. Торцевая стенка водомерного ящика выполнена в виде трапецеидального водослива. В зависимости от цели исследования используют стоковые площадки различных размеров – малого или среднего или большого размеров.
Недостатком известного технического решения является то, что достоверность определения потерь существенно зависит от выбранного исследователем размера стоковых площадок. Вследствие отсутствия единообразия в технологии измерений невозможно сопоставление результатов определения потерь почвы, выполненных различными исследователями, в различных регионах, в различное время. Так, для площадок малого размера характерно искажение картины стока осадков, для больших же стоковых площадок учёт смыва почвы крайне затруднён из-за больших объёмов твердого стока. В целом, измерение потерь почвы по известному способу является весьма трудозатратным и дорогостоящим процессом, характеризуется низкой достоверностью результатов и низкой производительностью труда в процессе получения этих результатов. Из-за вышеназванных недостатков способ неприменим для полевого обследования земель, подверженных эрозии на обширной территории или для сравнительного анализа процессов, происходящих в различных регионах, с привязкой их (процессов) к местным природным условиям. Кроме того, недостатки затрудняют планирование природоохранной деятельности. Указанный недостаток ограничивает область применения известного устройства по назначению.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлен способ определения эрозионных потерь почвы с помощью фотограмметрии, описанный в статье «A photogrammetric technique for measuring soil erosion» (Измерение почвенной эрозии с помощью технологии фотограмметрии) [Welch R. A photogrammetric technique for measuring soil erosion // J. Soil Water Conserv. – 1984. – Т. 9. – №3. – С. 191-194]. Сущность известного способа заключается в использовании фотокамер с объективами различного фокусного расстояния для регистрации ситуации на исследуемом участке до и после смыва почвы.
Недостатком известного технического решения является необходимость выполнения весьма большого количества фотоснимков для получения полной информации (необходимый объём информации – полнота – определяется конкретной целью исследований) об изучаемом объекте, что приводит к трудоемкости процесса, а также зависимости результатов от условий освещения и оптических характеристик объектива. Это приводит к сложности реализации способа на обширных территориях и к погрешностям в измерениях в результате ошибок привязки снимков. Возможность использования способа связана с наличием вычислительной техники достаточной вычислительной мощности (ЭВМ) для обработки большого массива информации и количества снимков. Указанный недостаток ограничивает область применения известного технического решения по назначению.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлен способ оценки интенсивности эрозии с помощью шпилек, описанный в статье «О простейших способах учета смыва почв и определения их защебненности» [Балян Г.А., Раменский Л.Г. О простейших способах учета смыва почв и определения их защебненности // Почвоведение. 1954. № 2. – С. 75-81]. Способ основан на замере уровня почвенной поверхности с помощью закладывания по продольному профилю склона ряда реперов, по которым ведут замеры изменения уровня почвы.
Недостатками известного технического решения являются его контактность, нарушающая исходные условия движения потока, отсутствие гарантии сохранения реперов (наличие вероятности утраты реперов), невозможность проведения измерений известным способом на распахиваемых участках, малая точность и большие ошибки при экстраполяции данных на расположенные между реперами участки. Недостатки существенно ограничивают область применения известного способа.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, выбранный заявителем в качестве прототипа как совпадающим с заявленным техническим решением по назначению, является способ определения потерь почвы от водной эрозии, описанным в изобретении по патенту РФ № 2462692. Сущностью является фотофиксация смыва почвы и измерение площади профиля смытой части почвы, отличающейся тем, что фотофиксацию смытой части осуществляют с помощью шнура (ленты) с ограничителями в виде колышков, стержней и масштабной линейки, или с помощью масштабной линейки, а полученное отображение затем вводят на экран компьютера, где получают изображение смытой почвы, на основе которого с помощью компьютерной программы вычисляют объем потерь почвы от водной эрозии.
Недостатком прототипа является зависимость конечной оценки от множества факторов, например, времени суток, степени освещенности
При этом следует акцентировать внимание на том, что прототип не дает ответа на вопрос об эрозионных потерях почвы на всем протяжении склона по причине локального размещения шнура (ленты) и/или масштабной линейки. Кроме того, прототип учитывает эрозионные потери только в результате струйчатой эрозии, а, как известно [Ермолаев О.П. Пояса эрозии в природно-антропогенных ландшафтах речных бассейнов. Казань. Изд-во Казан. ун-та, 1992. - 150 с.], эрозия развивается не только по ручьям и микроручьям, но и имеет плоскостной, сплошной характер.
При этом следует акцентировать внимание на том, что известным по прототипу способом невозможно определить величину аккумуляции смытой почвы, в то время как заявленное техническое решение обеспечивает таковую возможность. С учётом вышеназванных особенностей и недостатков использование прототипа невозможно при организации повторных мониторинговых наблюдений на пахотных территориях, так как реализация способа не предусматривает установку статичных реперов, тогда как в заявленном техническом решении для обеспечения повторяемости наблюдений используются грунтовые стационарные реперы, устанавливаемые непосредственно перед реализацией заявленного способа.
Вышеизложенные недостатки приводят к получению некорректных результатов и не дают представления обо всём комплексе эрозионных процессов на склоне, что существенно ограничивает область применения прототипа.
Кроме того, недостатком прототипа является его низкая технологичность при использовании по назначению вследствие низкой скорости получения информации о рельефе. Например, для получения единоразовой информации о рельефе на 1 гектар территории необходима установка не менее 100 профилей, при этом установка и последующая обработка одного профиля занимает не менее 10 минут, что равняется 16 часам итогового затраченного времени на 100 профилей соответственно.
В то же время использование заявленного технического решения для аналогичной прототипу задачи на территории 1 гектар потребует всего 30 минут на установку грунтовых реперов и геодезических марок на них, 5 минут на установку сканера, 25 минут на сканирование территории, 1 час на последующую обработку с использованием ЭВМ полученных результатов сканирования. Таким образом, результирующим временным интервалом является 2 часа, что дает прирост скорости работ не менее чем в 8 раз относительно известного технического решения (прототипа).
Кроме того, использование прототипа не позволяет провести расчеты различных производных показателей, например – определение средних уклонов, кривизны, экспозиции участков пашни, что является принципиально важной задачей при анализе потенциальной эрозии почвы методами математического моделирования.
Основываясь на изложенном выше, можно сделать общий вывод, что прототип обладает низкой эффективностью при использовании по назначению по сравнению с заявленным техническим решением.
Целью предполагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, расширение перечня средств оценки интенсивности и динамики процессов эрозии почв, повышение точности и достоверности количественной оценки интенсивности и динамики почвенных потерь в результате водной эрозии, расширение области применения средств количественной оценки интенсивности почвенных потерь на пахотных землях и территориях подвергаемых почвенной эрозии.
Техническим результатом заявленного технического решения является:
1 - обеспечение повторяемости съемки;
2 - увеличение производительности работ;
3 - повышение точности полученных результатов;
4 - обеспечение применимости заявленного технического решения при любых условиях освещенности и времени суток;
5 - обеспечение количественной оценки не только эрозии почвы, но и ее аккумуляции;
6 - обеспечение возможности выявления типа размывающего действия на почву, конкретно - возможность идентификации вида эрозии, а именно: от действия ветра, действия дождя и действия талого снега по отдельности, либо в различной совокупности;
7 - определение средних уклонов участков;
8 - определение кривизны участков;
9 - определение экспозиции участков.
Сущностью заявленного технического решения является способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера, заключающийся в том, что устанавливают не менее трех, выполненных, например, из металлических стержней для идентификации координат их размещения на местности и обеспечения повторности наблюдений, опорных реперных точек с известными координатами, либо определяют эти координаты топографо-геодезической съемкой с точностью ± 1 мм; устанавливают сканирующее оборудование таким образом, чтобы лазерный сканер находился на самой нижней точке исследуемого подверженного эрозии участка, например – склона, при этом сканер устанавливают на штативе, высота которого обеспечивает максимальный охват интересующего участка на одном результате съёмки, при установке оборудования лазерный сканер выравнивают с помощью геодезического трегера по горизонтали и вертикали с точностью до 5 секунд; выполняют сканирование исследуемого участка с разрешением от 3 до 10 мм на 10 м; обрабатывают полученные сканы, а именно, сделанные в разное время сканы размещают в единую систему координат, очищают сканы от нежелательных объектов, например – растительности, для каждого скана с помощью встроенных в используемую компьютерную программу алгоритмов строят цифровую трехмерную модель рельефа с шагом сетки, равным шагу сканирования, определяют объём V и толщину слоя i потери почвы от эрозии (i–) и аккумуляции (i+) смытого материала на всем выбранном участке путем вычитания разновременных цифровых моделей рельефа с помощью алгоритмов программы, поставляемой с используемым сканирующим оборудованием; выполняют вычисление показателей почвенной эрозии и аккумуляции на исследуемой территории, для чего:
- рассчитывают слой эрозии почвы и аккумуляции почв на участке площадью S в миллиметрах по объему смыва почв V и объему аккумуляции почв V+ по экспериментально выведенным формулам:
i– = V–/S × 1000; i+ = V+/S × 1000;
- выполняют расчёт преобладающего эрозионного процесса Δi:
Δi = (V+ – V–/S) × 1000;
- выполняют расчёт объема смыва аккумуляции почвы на единицу площади, получают интегрированный удельный показатель E:
E = (V+ – V–/S) × 10000.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.
На Фиг. изображена схема установки сканирующего устройства относительно реперных точек и интересующего участка
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Для определения влияния типа размывающего действия по заявленному способу, его применение приурочивают к определенным временам года, а именно:
- весна (после таяния снегов) – для определения влияния талого стока;
- лето и осень (до формирования устойчивого снегового покрова) - для изучения влияния ливневых осадков;
- в зимний период съемки не проводятся.
При этом представляется возможность также определить воздействие указанных выше негативных факторов при их совокупном воздействии.
Для реализации заявленного технического решения требуется выполнение следующих предварительных условий:
- участок наблюдений должен характеризоваться наличием интенсивных эрозионных процессов, например, с хорошо выраженными морфологическими следами промоинной эрозии;
- участок наблюдений за почвенной эрозией должен характеризоваться наличием места для установки оборудования, обеспечивающего безопасность и стабильность его работы;
- на участке необходимо отсутствие мешающей лазерной съемке рельефа сплошного проективного покрытия луговой растительности (отсутствие задернованности). Для изучения влияния ливневых осадков подходит склон, на котором плохо закрепляется растительность. Для изучения интенсивности эрозионных процессов наблюдения на выбранном участке должны проводиться после каждого интенсивного размывающего воздействия, например – воздействия осадков, талых стоков.
Для реализации заявленного способа используют следующие материальные средства:
- наземный лазерный сканер, способный сканировать с разрешением не менее чем 10 мм на 10 м;
- геодезические призмы в количестве не менее 3 шт.;
- штатив для установки геодезических призм в количестве не менее 3 шт.;
- персональный компьютер для обработки результатов сканирования с использованием в совокупности с известными как таковыми программами в зависимости от вида используемого оборудования.
Заявленное техническое решение реализуется посредством выполнения приведенной далее последовательности действий, а именно:
1. Устанавливают не менее трех, выполненных, например, из металлических стержней для идентификации координат их размещения на местности и обеспечения повторности наблюдений, опорных реперных точек (марок) с известными координатами, либо определяют эти координаты топографо-геодезической съемкой с точностью ± 1 мм.
2. Устанавливают сканирующее оборудование таким образом, чтобы лазерный сканер находился на самой нижней точке исследуемого подверженного эрозии участка, например – склона. При этом сканер устанавливают на штативе, высота которого обеспечивает максимальный охват интересующего участка (территории, объекта) на одном результате съёмки (далее - скане). Сканирующее оборудование необходимо установить согласно чертежу, приведенному на Фиг. При установке оборудования лазерный сканер выравнивают с помощью геодезического трегера по горизонтали и вертикали с точностью до 5 секунд.
3. Выполняют собственно сканирование исследуемого участка с разрешением от 3 до 10 мм на 10 м.
4. Обрабатывают полученные сканы, а именно:
- сделанные в разное время сканы размещают в единую систему координат;
- очищают сканы от нежелательных объектов, например – растительности;
- для каждого скана с помощью встроенных в используемую компьютерную программу алгоритмов строят цифровую трехмерную модель рельефа с шагом сетки, равным шагу сканирования;
- определяют объём V и толщину слоя i потери почвы от эрозии (i–) и аккумуляции (i+) смытого материала на всем выбранном участке путем вычитания разновременных цифровых моделей рельефа с помощью алгоритмов программы, поставляемой с используемым сканирующим оборудованием;
5. Выполняют заключительный этап работ – вычисление показателей почвенной эрозии и аккумуляции на исследуемой территории по формулам (1), (2), (3) соответственно, далее выполняют расчёты в следующей последовательности:
- рассчитывают слой эрозии почвы и аккумуляции почв в миллиметрах (далее – мм) по экспериментально выявленным формулам:
i– = V–/S ⋅ 1000; i+ = V+/S ⋅ 1000 (1)
где i– – слой смыва почв, [мм]; i+ – слой аккумуляции почв, [мм];
V– – объем смыва почв, [м3]; V+ – объем аккумуляции почв, [м3];
S – площадь участка [м2].
- выполняют расчёт преобладающего эрозионного процесса по формуле (2)
Δi = (V+ – V–/S) ⋅ 1000, (2)
где Δi – преобладающий процесс (эрозия или аккумуляция почв), [мм].
- выполняют расчёт объема смыва аккумуляции почвы по формуле (3)
E = (V+ – V–/S) ⋅ 10000, (3)
где E – объем смыва-аккумуляции почвы на единицу площади, [м3/га].
В результате выполнения действий по описанной выше последовательности получают интегрированный удельный показатель E, позволяющий количественно оценить интенсивность и динамику как потерь почвы от водной эрозии, так и аккумуляцию смытого материала на исследуемой территории, при этом показатель Δi позволяет с миллиметровой точностью оценить интенсивность смыва и размыва почвы, повышая точность исследований по сравнению с известными аналогами и прототипом в десятки раз в условиях недостаточной освещенности и (или) высокой крутизны склона.
Одним из преимуществ заявленного способа по сравнению с прототипом является и более высокая скорость (до 100 раз без учета времени обработки результатов), то есть быстрота получения информации о рельефе исследуемого участка. Указанные результаты обеспечиваются в результате того, что заявленный способ реализуется за счёт использования заявленной совокупности признаков, приведенных в независимом пункте формулы изобретения с применением современных на дату представления заявочных материалов наземных лазерных сканеров, которые сканируют местность со скоростью до 106 точек в секунду, что в совокупности позволяет проводить оперативный мониторинг водной эрозии на пахотных землях, подверженных различным видам эрозии, с недостижимой для известных способов точностью.
Кроме указанных в заявленном техническом решении целей заявленный способ имеет существенные преимущества перед выявленными из исследованного уровня техники техническими решениями, а именно:
- является бесконтактным, что позволяет проводить измерения без присущих известным способам [1, ... , 6] нарушений целостности исследуемой поверхности;
- обеспечивает повышение безопасности проводимых измерительных работ вследствие того, что заявленный способ является полностью автоматизированным, следовательно, участие человека в непосредственной полевой съемке не требуется, в отличие от прототипа, в котором предполагается необходимость хождения оператора по сельхозугодьям с измерительной лентой;
- промежуточным продуктом от применения заявленного технического решения является цифровая модель рельефа, обеспечивающая выполнение расчетов различных производных цифровой модели рельефа, как то;
- определение средних уклонов,
- кривизны,
- экспозиции участков пашни, что не представляется возможным реализовать при использовании прототипа;
- полученные в результате реализации заявленного способа данные по объёмам эрозии и аккумуляции почв позволяют количественно оценить интенсивность процесса эрозии и аккумуляции почвы на всем протяжении склона.
Приведенный пример применения предполагаемого изобретения показывает его полезность для количественной оценки почвенных потерь, происходящих в результате водной эрозии. Применение заявленного способа количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера способствует выявлению такого опасного с точки зрения деградации почвенного покрова процесса, как эрозия почв на пашне в звене ручейковых и промоинных размывов, приводящего к потере гумусового слоя и плодородия, выводу земель из сельскохозяйственного оборота. Заявленного способ позволяет на основе полученных данных наиболее эффективным (оптимальным) образом спланировать комплекс почвовосстановительных, противоэрозионных мероприятий, способствующих охране окружающей среды, обеспечивающих стабильность ведения сельскохозяйственной и природоохранной деятельности. Ни один из известных способов и прототип не позволяют с удовлетворительной для практики точностью и достоверностью результатов оценить смыв почв на пахотных землях, обеспечиваемый промышленным применением заявляемого технического решения.
Так, микроручейковые формы эрозии почвы, несмотря на небольшие размеры, доминируют на поверхности распаханных склонов, занимая до 2/3 эрозионно-активных площадей. В то же время скорость смыва почвы, происходящего в каждом отдельно взятом событии эрозии, например – вследствие прошедшего ливня, очень мала. Причём в процессе каждого события стока ручьи меняют плановую структуру исследуемой поверхности. Наличие микроручейковых форм эрозии почвы весьма существенно затрудняет или делает практически невозможным достоверную оценку смыва почв с распаханных склонов при использовании известных аналогов и прототипа.
Применение же заявляемого способа количественной оценки позволяет на основе полученных данных оптимальным образом спланировать и проконтролировать процесс выполнения комплекса почвовосстановительных, противоэрозионных мероприятий, способствующих охране окружающей среды, обеспечивающих стабильность ведения сельскохозяйственной и природоохранной деятельности.
В результате указанного выше можно сделать общий вывод о том, что:
- заявителем достигнуты все поставленные цели, а именно – разработан способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера, позволивший устранить недостатки прототипа, расширить перечень средств оценки интенсивности и динамики процессов эрозии почв, повысить точность и достоверность количественной оценки интенсивности и динамики почвенных потерь в результате водной эрозии, расширить области применения средств количественной оценки интенсивности почвенных потерь на пахотных землях и территориях подвергаемых почвенной эрозии.
- заявителем достигнуты все заявленные технические результаты, а именно, разработанный способ позволяет:
1 - обеспечить повторяемость съемки, достигаемую за счет использования статичных реперов;
2 - увеличить производительность работ – быстрота получения информации о рельефе исследуемого участка выше до 100 раз по сравнению с прототипом;
3 – повысить точность полученных результатов – показатель Δi позволяет с миллиметровой точностью оценить интенсивность смыва и размыва почвы, повышая точность исследований по сравнению с известными аналогами и прототипом в десятки раз;
4 - обеспечить применимость заявленного технического решения при любых условиях освещенности и времени суток;
5 - обеспечить количественную оценка не только эрозии почвы (показатель i-), но и ее аккумуляции (показатель i+) позволяет количественно оценить интенсивность и динамику как потерь почвы от водной эрозии, так и аккумуляцию смытого материала на исследуемой территории;
6 - обеспечить возможность выявления типа размывающего действия на почву, конкретно - возможность идентификации вида эрозии, а именно: от действия дождя и действия талого снега по отдельности, либо в совокупности - за счет сканирования до и после размывающего события;
7 - определить средний уклонов участков - цифровая модель рельефа обеспечивает выполнение расчетов среднего уклона участков;
8 - определить кривизну участков - цифровая модель рельефа обеспечивает выполнение расчетов кривизны участков;
9 – определить экспозицию участков - цифровая модель рельефа обеспечивает определение экспозиции участков.
Предполагаемое изобретение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как не является очевидным для специалиста в анализируемой области техники.
Заявленное техническое решение можно реализовать в сельском хозяйстве, в деятельности проектных фирм и организаций, при государственном мониторинге окружающей среды, в природоохранной деятельности. Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.
Использованные источники
http://gov.cap.ru/SiteMap.aspx?gov_id=4&id=8481331. .
2. Кишинев: Главная Редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989.
3. Швебс Г.И. Формирование водной эрозии стока наносов и их оценка (на примере Украины и Молдавии). Издательство: Гидрометеоиздат, 1974.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Денудация4. .
5. Русловые процессы (русловедение): учебное пособие / Р.С. Чалов. — М. : ИНФРА-М, 2016. — 565 с.
6. Экологическая энциклопедия. В 6т. Т.6. С - Я / Гл. ред. В.И. Данилов-Данильян; Ред. коллегия К.С. Лосев. - М.: Энциклопедия, 2012. - 656 с..
7. Ермолаев О.П. Пояса эрозии в природно-антропогенных ландшафтах речных бассейнов. Казань. Изд-во Казан. ун-та, 1992. - 150 с.
8. Большая Советская Энциклопедия / ред. О.Ю. Шмидт. - М.: Советская Энциклопедия, 1992. - 921 c.
9. Егоров И.Е. Полевые методы изучения почвенной эрозии // Вестник Удмуртского университета. Серия «Биология. Науки о Земле». 2009. №1.
10. Голосов В.Н., Иванова Н.Н., Гусаров А.В., Шарифуллин А.Г. Оценка тренда деградации пахотных почв на основе изучения темпов формирования стратоземов с использованием 137сs в качестве хрономаркера // Почвоведение. - 2017. - № 10, - С. 1238–1252.
11. Соболев С. С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба ц ними. – Изд-во Академии наук СССР, 1948. – Т. 1.
12. Патент RU 2540939. МПК G01C3/00 (2006.01). Приоритет от 24.05.2013. Опубликовано 10.02.2015.
13. Патент RU 2543813. МПК G01N33/24 (2006.01), A01B13/16 (2006.01). Приоритет от 09.12.2013. Опубликовано 10.03.2015.
14. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 252 с.
15. Welch, R. A photogrammetric technique for measuring soil erosion / R. Welch, T.R. Jordan, S.A. Thomas // J. Soil Water Conserv. – 1984. – Т. 9. – №3. – С. 191-194.
16. Балян Г.А., Раменский Л.Г. О простейших способах учета смыва почв и определения их защебненности // Почвоведение. 1954. № 2. – С. 75-81.
17. Патент RU 2462692. МПК G01F 17/00 (2006.01), G01N33/24 (2006.01). Приоритет от 13.11.2010. Опубликовано 27.09.2012.
Claims (8)
1. Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера, заключающийся в том, что устанавливают не менее трех опорных реперных точек с известными координатами для идентификации координат их размещения на местности и обеспечения повторности наблюдений либо определяют эти координаты топографо-геодезической съемкой с точностью ±1 мм; устанавливают сканирующее оборудование таким образом, чтобы лазерный сканер находился на самой нижней точке исследуемого подверженного эрозии участка, при этом сканер устанавливают на штативе, высота которого обеспечивает максимальный охват интересующего участка на одном результате съёмки, при установке оборудования лазерный сканер выравнивают с помощью геодезического трегера по горизонтали и вертикали с точностью до 5 секунд; выполняют сканирование исследуемого участка с разрешением от 3 до 10 мм на 10 м; обрабатывают полученные сканы, а именно сделанные в разное время сканы размещают в единую систему координат, очищают сканы от нежелательных объектов, для каждого скана с помощью встроенных в используемую компьютерную программу алгоритмов строят цифровую трехмерную модель рельефа с шагом сетки, равным шагу сканирования, определяют объём V и толщину слоя i потери почвы от эрозии (i–) и аккумуляции (i+) смытого материала на всем выбранном участке путем вычитания разновременных цифровых моделей рельефа с помощью алгоритмов программы, поставляемой с используемым сканирующим оборудованием; выполняют вычисление показателей почвенной эрозии и аккумуляции на исследуемой территории, для чего
- рассчитывают слой эрозии почвы и аккумуляции почв на участке площадью S в миллиметрах по объему смыва почв V и объему аккумуляции почв V+ по экспериментально выведенным формулам
i– = V–/S × 1000; i+ = V+/S × 1000;
- выполняют расчёт преобладающего эрозионного процесса Δi
Δi = (V+ – V–/S) × 1000;
- выполняют расчёт объема смыва аккумуляции почвы на единицу площади, получают интегрированный удельный показатель E
E = (V+ – V–/S) × 10000.
2. Способ по п.1, в котором нежелательным объектом, от которого очищают сканы, является растительность.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018144217A RU2700930C1 (ru) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018144217A RU2700930C1 (ru) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2700930C1 true RU2700930C1 (ru) | 2019-09-24 |
Family
ID=68063382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018144217A RU2700930C1 (ru) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2700930C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110991921A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 河北农业大学 | 一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法 |
| CN115015094A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-09-06 | 黄河水利委员会黄河水利科学研究院 | 一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2006134103A (ru) * | 2006-09-25 | 2008-03-27 | Государственное научно-исследовательское учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиоративных земель (ГНИУ ВНИИМЗ) (RU) | Способ экспресс-определения нормы водной эрозии почв |
| RU2462692C2 (ru) * | 2010-11-13 | 2012-09-27 | Евгений Иванович Рябов | Способ определения потерь почвы от водной эрозии |
| RU2540939C2 (ru) * | 2013-05-24 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Способ определения координат контрольной точки объекта с применением наземного лазерного сканера |
-
2018
- 2018-12-13 RU RU2018144217A patent/RU2700930C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2006134103A (ru) * | 2006-09-25 | 2008-03-27 | Государственное научно-исследовательское учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиоративных земель (ГНИУ ВНИИМЗ) (RU) | Способ экспресс-определения нормы водной эрозии почв |
| RU2462692C2 (ru) * | 2010-11-13 | 2012-09-27 | Евгений Иванович Рябов | Способ определения потерь почвы от водной эрозии |
| RU2540939C2 (ru) * | 2013-05-24 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Способ определения координат контрольной точки объекта с применением наземного лазерного сканера |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Welch R. A photogrammetric technique for measuring soil erosion // J. Soil Water Conserv, 1984, Т.9, N3, c.191-194, abstract. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110991921A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-10 | 河北农业大学 | 一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法 |
| CN110991921B (zh) * | 2019-12-12 | 2024-02-20 | 河北农业大学 | 一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法 |
| CN115015094A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-09-06 | 黄河水利委员会黄河水利科学研究院 | 一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法 |
| CN115015094B (zh) * | 2022-05-30 | 2024-05-03 | 黄河水利委员会黄河水利科学研究院 | 一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cucchiaro et al. | Multi-temporal analysis of the role of check dams in a debris-flow channel: Linking structural and functional connectivity | |
| Kociuba et al. | Use of terrestrial laser scanning (TLS) for monitoring and modelling of geomorphic processes and phenomena at a small and medium spatial scale in Polar environment (Scott River—Spitsbergen) | |
| Hancock et al. | The measurement and modelling of rill erosion at angle of repose slopes in mine spoil | |
| Charlton et al. | Application of airborne LiDAR in river environments: the River Coquet, Northumberland, UK | |
| Aucelli et al. | Multi‐temporal digital photogrammetric analysis for quantitative assessment of soil erosion rates in the Landola catchment of the Upper Orcia Valley (Tuscany, Italy) | |
| Zhao et al. | Impacts of accuracy and resolution of conventional and LiDAR based DEMs on parameters used in hydrologic modeling | |
| Akgul et al. | Short term monitoring of forest road pavement degradation using terrestrial laser scanning | |
| Jiang et al. | The dynamic process of slope rill erosion analyzed with a digital close range photogrammetry observation system under laboratory conditions | |
| RU2700930C1 (ru) | Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера | |
| Dąbek et al. | Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning | |
| Fawzy et al. | Estimating a mathematical formula of soil erosion under the effect of rainfall simulation by digital close range photogrammetry technique | |
| Stenberg et al. | Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning | |
| Scott et al. | Evaluating survey instruments and methods in a steep channel | |
| Rodríguez et al. | Potential of mobile application based on structure from motion (SfM) photogrammetry to monitor slope fast erosion by runoff water | |
| Resop et al. | Terrestrial laser scanning for delineating in-stream boulders and quantifying habitat complexity measures | |
| He et al. | Quantifying spatial distribution of interrill and rill erosion in a loess at different slopes using structure from motion (SfM) photogrammetry | |
| Schmid et al. | A case study of terrestrial laser scanning in erosion research: calculation of roughness and volume balance at a logged forest site | |
| Bråtveit et al. | An efficient method to describe the geometry and the roughness of an existing unlined hydro power tunnel | |
| RU2462692C2 (ru) | Способ определения потерь почвы от водной эрозии | |
| Kociuba | Application of Terrestrial Laser Scanning in the assessment of the role of small debris flow in river sediment supply in the cold climate environment | |
| Lin et al. | The study on morphological evolution process of gully headcut erosion in granite red soil hilly area based on an in situ scouring experiment | |
| Prokop | Terrestrial laser scanning for snow depth observations: An update on technical developments and applications | |
| Melniks et al. | Method for shallow drainage ditch network generation using remote sensing data | |
| Sebastian et al. | Analysis of river bank erosion by combined airborne and long-range terrestrial laser scanning: Preliminary results on the vistula river | |
| Rodriguez | Rainfall estimates for urban drainage modelling: an investigation into resolution requirements and radar-rain gauge data merging at the required resolutions |