WO2019195954A1 - 基于机械微调双主机的地貌观测装置 - Google Patents

基于机械微调双主机的地貌观测装置 Download PDF

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郭文召
张红武
高璐
赵兴阳
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Abstract

一种用于坡面地貌演变过程动态观测的装置，应用于水土保持研究装置技术领域。两个主机从不同方位发出平行、等高、且相互重叠的激光平面，投射到坡面地形上。图像采集装置以垂直于激光平面的角度拍摄投射了激光线的坡面地形，形成视频截图并被导入计算机形成三维立体图，进而计算出坡体体积、坡面坡度等参数。用于坡面地貌演变过程动态观测的装置：通过转动地貌仪主机中的机械微调装置的旋钮(15、20)，实现对激光线平面等间距、平行的精确调节；通过观测支架（9）上的固定螺栓和视屏盒（26）里的蜗杆手柄旋钮（15），控制用于图像采集的摄像机（11）的移动和转动。因此，提供了一种能方便地校准激光一字仪（13）间距和角度，且能准确地观测侵蚀坡面上包括局部深沟在内所有地貌的新型地貌仪。

Description

基于机械微调双主机的地貌观测装置 技术领域
本发明属于水土保持研究装置技术领域，涉及一种用于坡面地貌演变过程动态观测的装置。
 背景技术
由于土壤侵蚀现象的复杂性，研究中多寻求可靠的方法对侵蚀地貌进行观测分析以期获得其发生机理。综观国内外土壤侵蚀的观测方法，可以归纳为雨后调查法和雨中动态观测法两种。雨后调查法是通过调查降雨后的地貌特征，反推水土流失量的方法。如杨吉山等对陕西绥德桥沟小流域重力侵蚀的观测杨吉山，姚文艺，王玲玲. 黄土沟道重力侵蚀规律及机理研究[J]. 人民黄河，2014，36: 93-96。最近，激光扫描仪等非接触式测量方法的介入，使重力侵蚀现场高危地形的监测成为可能，如唐辉、陈展鹏等人的研究唐辉，李占斌，李鹏，汤珊珊，任宗萍，张军. 模拟降雨下坡面微地形量化及其与产流产沙的关系，农业工程学报，2015，31: 127-133；陈展鹏，雷廷武，晏清洪，胡恒，熊明彪，李振林. 汶川震区滑坡堆积体坡面侵蚀量测算方法，农业机械学报，2014，45: 195-200。但使用激光扫描仪观测时，局部深沟和深坑可能成为扫描死角，需要利用全站仪进行手工补测。由于雨后调查法比较容易实施，是目前水土保持行业中常用方法。但是，在当次降雨过程中或者前几次降雨后，下落的崩滑体中一部分已被水流冲走，或者从上游输入的部分土壤会沉积在崩落体中，从而造成观测误差。雨中动态观测法是指在土壤侵蚀事件发生过程中，通过连续观测侵蚀发生过程和侵蚀堆积体形态，综合判断土壤侵蚀的类型及其侵蚀量。这种方法能够监测土壤发生的过程，但实施难度很大，相关研究成果很少。本专利的第一发明人及其所在的团队，利用结构光技术，研制了侵蚀地貌的动态观测仪器——地貌仪。该团队自2009年至2013年间研制成功3代地貌仪样机、获6项授权国家发明专利，实现了降雨模拟试验中沟坡重力侵蚀过程的定量、动态观测，如张红武教授主持的国家自然科学基金重点项目5139003模型试验中溃坝冲刷量的观测以及本专利的第一发明人主持的国家自然科学基金项目51079016相关试验的重力侵蚀观测。
但是，上述地貌仪仍存在以下缺点：1在试验现场的地貌仪主机如果被移动以后，主机中激光一字仪的位置、角度可能变化，即地貌仪主机发出的等高、平行激光平面会发生较大误差。因此需要对主机中激光一字仪的位置和角度进行校准后，主机才能被重新定位、用于试验观测，而上述地貌仪的校准工作较繁琐、耗时，亟待改进。2在黄土沟坡重力侵蚀的降雨模拟试验过程中，会形成窄、深、凹入的切沟。单个地貌仪主机发出的激光平面无论从哪个角度进入切沟都有可能被断开，无法全面观测凹入的切沟地貌。针对以上问题，本申请将原有的地貌仪观测技术进行升级改进，提出双主机配合测量沟坡崩滑过程的动态观测方法，并重新设计了用于激光一字仪精确定位的机械微调装置和能够实现精确定位的图像采集装置。根据上述思想设计制作的地貌仪样机完成了国家自然科学基金51179021中的黄土沟坡重力侵蚀过程现场试验。试验结果证实：改进后的地貌仪操作更方便，且对沟坡侵蚀过程的观测范围更为全面、观测精度更高。本申请拟对这次地貌仪改进的核心技术申请专利保护。
 技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种能方便地校准激光一字仪间距和角度，且能准确地观测侵蚀坡面上包括局部深沟在内所有地貌的新型地貌仪。
 技术解决方案
本发明的技术方案如下：
一种基于机械微调双主机的地貌观测装置，包括双主机、图像采集装置和附属设施；
所述的双主机从不同方位发出平行、等距的激光条纹5，投射到沟坡地形4上，同时对沟坡地形侵蚀地貌演变过程进行动态观测，且双主机发出的激光平面重叠；双主机与图像采集装置配合获取沟坡地形等高线图，形成坡体三维模型，实现降雨中沟坡地形崩滑过程的动态观测；
所述的双主机主要由激光一字仪13、机械微调装置、供电线路14、主底板17、可拆卸的防雨罩12和螺丝16构成；双主机连接电源箱2，并通过金属底座3固定；激光一字仪13和机械微调装置置于可拆卸的防雨罩12内，可拆卸的防雨罩12通过螺丝16固定在主底板17；
所述的机械微调装置包括支撑杆、激光头调节旋钮20、蜗杆18、蜗杆手柄旋钮15和涡轮19；多个机械微调装置固定在主底板17上，每个激光一字仪13都对应固定的机械微调装置，激光一字仪13向周围被测沟坡地形4分别投射一组相互平行且等间距的水平激光条纹；机械微调装置等距、平行且通过主底板17固定地分布在双主机的机箱上，支撑杆间距即为激光等高面的间距；
所述的激光一字仪13固定在支撑杆上端，支撑杆下端固定在主底板17上，激光一字仪13通过其上的激光头调节旋钮20将激光平面调成水平；涡轮19穿过支撑杆并固定；带蜗杆手柄旋钮15的蜗杆18与涡轮19通过螺纹铰接；转动蜗杆手柄旋钮15，通过旋转涡轮19和蜗杆18的传动，使激光一字仪13以支撑杆为中心微幅转动，从而使所有的激光一字仪13的轴线与主底板17精确垂直；经激光头调节旋钮20和蜗杆手柄旋钮15的调节后，双主机发出的激光平面组投射到沟坡地形4上，将形成一组等距、平行的激光线；
两盖板垂直固定在主底板17上，分别位于机械微调装置两侧，为其提供安全空间；
所述的图像采集装置包括摄像机11、计算机6、支架9及用于固定摄像机的视频盒26；
所述的支架9为高度可调的四支腿支架，其通过螺栓固定在柱墩上；支架9的两横杆上设有多对支撑横杆固定孔24，用于固定支撑横杆8；支架9的支腿为两段嵌套结构，其上设有等距的连接孔7，通过螺栓23固定连接为一体；支腿固定在底座22上；所述的支撑横杆8垂直于支架9的横杆，一端悬于支架9外；所述的带卡槽21的滑轮10安装在支撑横杆8的下表面，滑轮10和视屏盒26相连接，视屏盒26沿着支撑横杆8的卡槽21前后移动；摄像机11安装于视频盒26中，摄像机11以垂直于激光平面的角度对投射平行激光条纹的沟坡地形4进行拍摄；摄像机11通过数据线与计算机6相连，将其采集的数据传递给计算机6；
所述的附属设施包括电源箱和供电线；电源箱中有变压器组和蓄电池，将220V外接电源转换为6~8V的弱电电源，为激光一字仪13供电；在无外接电源情况下，通过蓄电池为激光一字仪13供电。
松开支架9固定横杆的螺栓，使横杆及固定在横杆上的视屏盒26在水平方向上左右移动；松开横杆上的螺栓，推动视屏盒沿着横杆的卡槽21前后移动；松开柱墩上固定螺栓，推动视屏盒26在竖直方向上的上下移动；转动视屏盒26里的蜗杆手柄旋钮15，使摄像机11以支撑杆为中心微幅旋转，调整摄像机11的视线角度，使摄像机视线与双主机发出的激光平面垂直；
视频截图中激光等高线导入计算机的GIS系统后，被赋予高程值，形成三维立体图，进而计算出坡体体积和坡面坡度。坡体发生侵蚀前后的体积差，即为本次侵蚀事件的侵蚀量。
 有益效果
本发明的有益效果：
1.双地貌仪主机同时对坡面侵蚀的地貌演变过程进行动态观测，弥补了局部地形激光线被遮挡的问题，实现侵蚀过程无死角监测。
2.激光一字仪的发射角度及其在主板的固定位置通过转动微调装置中的竖直和水平微调旋钮来实现，其中任何一项平行或等间距的调节都不会影响另一项已经完成的调节，而且对主机中任何一个机械微调装置的调节，都不会影响其它已经完成了调节的激光一字仪所在主板的位置及该激光一字仪的激光发射角度。
3.设计的图像采集装置实现了摄像机在三维空间全方位平移和旋转的精确调节。依托上述技术设计制作的地貌仪已完成了100多场降雨的重力侵蚀过程试验观测，试验结果证实了该技术的可行性和可靠性。
 附图说明
图1是双主机工作原理示意图。
图2是地貌仪主机横截面图。
图3是用于激光一字仪的机械微调装置示意图。
图4是图像采集装置示意图。
图5是用于图像采集装置的微调装置示意图。
图中：1(a)第一主机；1(b)第二主机；2电源箱；3金属底座；4沟坡地形；5平行、等间距的激光条纹；6计算机；7等距的连接孔；8支撑横杆；9支架；10滑轮；11摄像机；12可拆卸的防雨罩；13激光一字仪；14供电线路；15蜗杆手柄旋钮；16螺丝；17主底板；18蜗杆；19旋转涡轮；20激光头调节旋钮；21卡槽；22 底座；23螺栓；24支撑横杆固定孔；25涡轮；26视屏盒。
 本发明的实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步阐述。
以神木县六道沟小流域重力侵蚀试验为例，说明一种基于机械微调双主机的地貌观测装置的具体实施步骤：
步骤1：地貌仪的机械微调阶段
带旋转涡轮19的支撑杆被固定在主底板17上，激光一字仪13通过螺栓固定在带涡轮的支撑杆的顶端，蜗杆18与旋转涡轮19通过螺纹铰接；转动被固定在侧板上的蜗杆手柄旋钮15，可使激光一字仪13以支撑杆为中心转动，实现激光一字仪13投射在待测平面上的激光线等距，其调节精度为1mm。旋转激光一字仪13前端的激光头微调旋钮20，可以实现激光线的360°旋转，旋转调节精度为1°平行调节。通过此机械微调装置可以实现激光线的相互平行调节和等间距调节的分离，两者之间互不干扰。当对激光一字仪13进行微调使它们发射的激光线相互平行且等距后，通过螺丝16把可拆卸的防雨罩12安装在主底板17上。双主机上的激光一字仪13具有可靠性高、稳定性强、抗干扰性强、使用寿命长等特点。红色激光一字仪13的直径仅仅16mm，预期的使用寿命可达10000-12000小时。
步骤2：双主机配合测量重力侵蚀过程的场地布置阶段
双主机分别安装在中心线左右对称的2个金属底座3上，并向周围被测地形分别投射一组相互平行且30 mm等间距的水平激光条纹5，这些激光条纹被垂直于激光平面的摄像机11记录。安装过程中使双主机左右对称且在同一个高程的水平面上，来保证双主机分别射出的等间距激光面，相交的部分重叠。电源箱2通过供电线路14给激光一字仪13供电。带有激光瞄准器的摄像机11被固定在图像采集装置的支架9上，且激光瞄准器的视线平行于摄像机11的视线。此方法能实时动态观测降雨模拟试验中沟坡地形4崩滑过程，此测量系统的沟坡4观测范围宽3~5 m，高1.5~2 m。
步骤3：图像采集装置安装
观测支架9通过底座22固定在柱墩上，其上方正中固定有支撑横杆8，支撑横杆8上有安装带有摄像机11的视屏盒26。带卡槽21的滑轮10安装在支撑横杆8的下表面，滑轮10和视屏盒26相连接，视屏盒26可沿着支撑横杆8的卡槽21前后移动。观测支架9上有多个等距的支撑横杆固定孔24，当调整支撑横杆8的固定螺栓，可以实现视屏盒26在水平方向上的左右移动。通过调整观测支架9在柱墩上螺栓23的高度，可以实现视屏盒26在竖直方向上的上下移动。转动视屏盒26里的蜗杆手柄旋钮15，可使摄像机11以涡轮25为中心旋转，旋转调节精度为1°，从而可以得到所需要的摄像机11与铅锤面的夹角。
步骤4：重力侵蚀实时动态观测阶段。
双地貌仪主机1a和1b向周围被测沟坡4投射一组相互平行且30mm等间距的水平激光条纹5，这些激光条纹被垂直于激光平面的摄像机11记录。沟坡面上的每根激光线即为地形等高线，摄像机11捕获的带有激光线的沟坡地形4则为等高线地形图。此双地貌仪主机能实时动态观测记录降雨模拟试验中沟坡地形重力侵蚀过程的动态变化。此动态变化可被图像采集系统中的计算机6记录储存。
步骤5：录像数据的处理方法。
根据摄像机11录制的降雨过程录像，可以判断历次重力侵蚀事件。将每次重力侵蚀事件崩滑前和崩滑后瞬间的录像截图，并框定出崩滑范围。再用R2V软件将截图中的等高线矢量化、并赋予实际高程，然后调入到ArcGIS软件中，形成立体的tin文件，就可获得坡体体积信息。重力侵蚀发生前、后瞬间坡体的体积差，就是该次重力侵蚀量。本次降雨中历次重力侵蚀量的和就是本次降雨的重力侵蚀总量。可以用以下公式分别计算上述的重力侵蚀量：
                             
Figure dest_path_image001
 
                                    
Figure 750942dest_path_image002
式中： i代表一场降雨中崩滑事件的序数， j代表某一地形的降雨序数； g i,j 为第 j场降雨中第 i次崩滑的重力侵蚀量， v 1 i,j 和 v 2 i,j 分别为对应的崩滑事件前后的局部沟坡地形的体积； G j 为一场降雨中重力侵蚀总量， N是一场降雨中崩滑总次数。

Claims (1)

  1. 一种基于机械微调双主机的地貌观测装置，其特征在于，所述的地貌观测装置包括双主机、图像采集装置和附属设施；
    所述的双主机从不同方位发出平行、等距的激光条纹(5)，投射到沟坡地形(4)上，同时对沟坡地形侵蚀地貌演变过程进行动态观测，且双主机发出的激光平面重叠；双主机与图像采集装置配合获取沟坡地形等高线图，形成坡体三维模型，实现降雨中沟坡地形崩滑过程的动态观测；
    所述的双主机主要由激光一字仪(13)、机械微调装置、供电线路(14)、主底板(17)、可拆卸的防雨罩(12)和螺丝(16)构成；双主机连接电源箱(2)，并通过金属底座(3)固定；激光一字仪(13)和机械微调装置置于可拆卸的防雨罩(12)内，可拆卸的防雨罩(12)通过螺丝(16)固定在主底板(17)；
    所述的机械微调装置包括支撑杆、激光头调节旋钮(20)、蜗杆(18)、蜗杆手柄旋钮(15)和涡轮(19)；多个机械微调装置固定在主底板(17)上，每个激光一字仪(13)都对应固定的机械微调装置，激光一字仪(13)向周围被测沟坡地形(4)分别投射一组相互平行且等间距的水平激光条纹；机械微调装置等距、平行且通过主底板(17)固定地分布在双主机的机箱上，支撑杆间距即为激光等高面的间距；
    所述的激光一字仪(13)固定在支撑杆上端，支撑杆下端固定在主底板(17)上，激光一字仪(13)通过其上的激光头调节旋钮(20)将激光平面调成水平；涡轮(19)穿过支撑杆并固定；带蜗杆手柄旋钮(15)的蜗杆(18)与涡轮(19)通过螺纹铰接；转动蜗杆手柄旋钮(15)，通过旋转涡轮(19)和蜗杆(18)的传动，使激光一字仪(13)以支撑杆为中心微幅转动，从而使所有的激光一字仪(13)的轴线与主底板(17)精确垂直；经激光头调节旋钮(20)和蜗杆手柄旋钮(15)的调节后，双主机发出的激光平面组投射到沟坡地形(4)上，将形成一组等距、平行的激光线；
    两盖板垂直固定在主底板(17)上，分别位于机械微调装置两侧，为其提供安全空间；
    所述的图像采集装置包括摄像机(11)、计算机(6)、支架(9)及用于固定摄像机的视频盒(26)；
    所述的支架(9)为高度可调的四支腿支架，其通过螺栓固定在柱墩上；支架(9)的两横杆上设有多对支撑横杆固定孔(24)，用于固定支撑横杆(8)；支架(9)的支腿为两段嵌套结构，其上设有等距的连接孔(7)，通过螺栓(23)固定连接为一体；支腿固定在底座(22)上；所述的支撑横杆(8)垂直于支架(9)的横杆，一端悬于支架(9)外；所述的带卡槽(21)的滑轮(10)安装在支撑横杆(8)的下表面，滑轮(10)和视屏盒(26)相连接，视屏盒(26)沿着支撑横杆(8)的卡槽(21)前后移动；摄像机(11)安装于视频盒(26)中，摄像机(11)以垂直于激光平面的角度对投射平行激光条纹的沟坡地形(4)进行拍摄；摄像机(11)通过数据线与计算机(6)相连，将其采集的数据传递给计算机(6)；
    所述的附属设施包括电源箱和供电线；电源箱中有变压器组和蓄电池，将220V外接电源转换为6~8V的弱电电源，为激光一字仪(13)供电；在无外接电源情况下，通过蓄电池为激光一字仪(13)供电。
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