一种风沙区风蚀量自动监测装置的制作方法

[0001]
本发明属于风力侵蚀监测技术领域，具体涉及一种风沙区风蚀量自动监测装置。


背景技术：

[0002]
土壤风蚀是风力对地表土壤颗粒或沙粒的吹蚀、搬运和堆积的过程。土壤风蚀引发的沙尘暴和土地生产力退化等环境问题是当前国际社会亟待解决的全球性难题之一，特别是在我国干旱、半干旱以及部分半湿润地区，由土壤风蚀所导致的土地退化问题严重影响着上述地区的农牧业可持续发展和社会经济稳定。
[0003]
土壤风蚀量是指一定时间内，被风力搬运和堆积的土壤质量的差值，是表征区域风蚀强度的重要指标。土壤风蚀量的测量是开展风蚀过程监测、风蚀模型验证与修订、风蚀强度与危害评估以及风蚀控制措施效果评价等工作的基础。
[0004]
目前，国内和国际上暂无统一标准的土壤风蚀量测量仪器和方法，现有的野外测量方法主要有三类：
①
粗略估算法，通过选取风蚀坑等地形地物标志，或在典型风蚀样地内布设测钎，观测风蚀景观的风蚀程度以及测钎的蚀积深度，粗略估算风蚀速率。此类方法较为简便，但测量精度极低，特别是在没有明显地形地物标志，风沙活动频繁且沙丘移动速度较快的流动沙地上，无法有效的应用此类方法。
②
模型估算法，通过在野外或风洞内布设集沙仪、粉尘释放量收集仪以及风蚀盘等装置，测量多点上的风蚀量数据，再通过经验模型估算区域风蚀量。此类方法的测量精度较高，但测量过程较为繁琐，需要布设大量观测点，而且需要长期的监测数据，根据不同区域的风沙运动规律和环境因素建立风蚀模型，且需要投入高额的人力物力。
③
天地多源监测法，通过应用遥感监测、无人机航测、三维激光扫描仪以及探地雷达等手段，对遥感影像解译和地物三维建模，从而估算风蚀量。此类方法操作难度极大，需要携带沉重的仪器设备和多个技术人员配合完成，且测量精度受影像分辨率和仪器敏感度的影响较大，测量结果对于大范围的风蚀量观测适用性较好。此外，还有元素示踪法和粒度对比法等方法，由于存在技术难度高、成本昂贵以及可推广性差等缺点，并不适合长期野外观测。
[0005]
综上，现有的土壤风蚀量的野外测量主要面临两个方面的问题：
①
测量精度与方法简易程度的问题，风蚀野外测量的精度直接关系到风蚀过程监测和风蚀模型验证与修订等后续工作的开展，由于风蚀区气候环境恶劣、不受人为控制因素多、时空变率大，测钎等简易测量工具无法获取准确的测量数据，而精度较高的仪器设备，因其沉重的缺点不利于携带和野外长期使用，同时仪器安装和操作方法复杂也不利于测量方法的推广。
②
长期监测与投入成本的问题，土壤风蚀量需要长期的监测序列和网络化的覆盖范围，而风蚀区大多偏远荒凉，人迹罕至，缺乏电力供应，因而高耗能的仪器设备不适宜于长期的监测，研发成本高的仪器设备不利于监测网络的布设。


技术实现要素：

[0006]
本发明为了解决上述技术问题提供一种风沙区风蚀量自动监测装置，安装简易，
操作和携带便捷，且不受油电能源供应限制，适用于野外风蚀量监测。
[0007]
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本风沙区风蚀量自动监测装置包括：包括插设在风沙地面上的两个竖直且间隔设置的支撑柱，两个所述支撑柱的上部之间滑动设有横向支撑板，所述横向支撑板的底面上固定设有用于检测地表风沙掩埋高度的电磁感应测距装置和数据采集装置，所述横向支撑板的顶面上固定设有太阳能供电装置和风速风向监测装置，所述电磁感应测距装置和所述风速风向监测装置分别与所述太阳能供电装置电连接，所述风速风向监测装置与数据采集装置通过数据线连接。
[0008]
有益效果：支撑柱对整个装置起到支撑作用；电磁感应测距装置检测地表风沙掩埋高度；数据采集装置对风速风向监测装置的数据进行统计；太阳能供电装置提供电源支持；安装简易，操作和携带便捷，且不受油电能源供应限制，适用于野外风蚀量监测。
[0009]
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0010]
进一步，两个所述支撑柱的上部沿所述支撑柱的长度方向上均设有滑槽，所述横向支撑板的两端转动设有滑动齿轮，所述滑动齿轮滑动设置在所述滑槽内，所述滑动齿轮上设有用于限制所述滑动齿轮的紧固件。
[0011]
采用上述进一步方案的有益效果是：可以快速调整横向支撑板距离风沙底面的距离，方便数据的及时监测。
[0012]
进一步，所述紧固件为紧固螺丝。
[0013]
采用上述进一步方案的有益效果是：结构简单，便于对横向支撑板固定在支撑柱上。
[0014]
进一步，所述支撑柱的下部设有沿所述支撑柱长度方向延伸的刻度线，所述支撑柱的底端为尖锥形。
[0015]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过支撑柱底端的刻度线可以直接读取地表风沙掩埋高度，用于验证激光测距装置所得出的数据；采用尖锥性末端，有益于快捷安装支撑柱，适应不同地表条件，同时也可用于快速与预埋入土壤中的固定基座快速连接。
[0016]
进一步，所述太阳能供电装置包括太阳能供电板、供电线和供电控制开关，所述太阳能供电板固定安装在所述横向支撑板上，所述太阳能供电板上设置有用于连接所述电磁感应测距装置和所述风速风向监测装置的所述供电线，所述供电线上设有所述供电控制开关。
[0017]
采用上述进一步方案的有益效果是：采用太阳能供电，易于拆卸、使用方便，适宜在气候恶劣的风沙区进行长期的风蚀量监测。
[0018]
进一步，所述电磁感应测距装置包括竖直设置的安装板、电磁铁、普通磁铁、连接电线、电磁感应卷轴、红外探头和激光测距探头，所述安装板的顶端固定连接所述横向支撑板的底部，所述电磁感应卷轴转动设置在所述安装板的一侧，所述电磁感应卷轴通过所述供电线连接所述太阳能供电板，所述安装板的底部设有所述红外探头和所述激光测距探头，所述激光测距探头上设有用于调整所述激光测距探头角度的调节件，所述电磁感应卷轴的竖直下方设有所述电磁铁，所述电磁感应卷轴和所述电磁铁通过所述连接电线连接，所述电磁铁的顶面涂有用于反射所述红外探头发射的光学信号触发所述激光测距探头测量的反光涂层，所述电磁铁设置在风沙表面，所述普通磁铁设置在风沙内。
[0019]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过改变电流控制电磁铁的磁场方向，使电
磁铁与普通磁铁间相互吸引，拉紧连接电线，使悬垂的电磁铁固定，不随风排动；使电磁铁与普通磁铁间相互排斥，将被风沙掩埋的电磁铁推出至地表；通过改变电流控制电磁铁的磁场方向和磁力大小，使电磁铁与普通磁铁间相互吸引，提升预埋在沙土中的普通磁铁的位置；避免了传统风蚀监测装置因风沙掩埋速度过快，造成的测量数据误差，并减少了因风沙掩埋仪器造成的额外人工管护。
[0020]
进一步，所述数据采集装置包括显示屏、开关键、功能键、方向键、复位键、usb接口和菜单键，所述显示屏固定安装在所述安装板上，所述显示屏上设有所述开关键、所述功能键、所述方向键、所述复位键、所述usb接口和所述菜单键，所述显示屏分别与所述开关键、所述功能键、所述方向键、所述复位键、所述usb接口和所述菜单键电连接，所述显示屏通过所述usb接口连接所述风速风向监测装置。
[0021]
采用上述进一步方案的有益效果是：设定风速和风向数据监测的时间间隔。
[0022]
进一步，所述风速风向监测装置包括风速传感器、风向传感器和数据连接线，所述风速传感器、所述风向传感器和所述数据连接线通过安装支架固定在所述横向支撑板上，所述风速传感器和风向传感器通过数据连接线与所述usb接口连接。
[0023]
采用上述进一步方案的有益效果是：过风速传感器和风向传感器的监测，可以获取当前监测区域一定时间风速风向的变化规律，结合所述电磁感应测距装置收集到的地表风沙掩埋高度数据，可利用数据分析软件中的线性函数功能生成一定时间周期内风速风向数据与地表风沙掩埋高度数据变化过程的函数关系。
[0024]
进一步，所述横向支撑板上设有多个安装孔。
[0025]
采用上述进一步方案的有益效果是：采用预留安装孔位，可以实现快速安装和拆卸，便于携带，有利于多点布设进行长期的监测序列和网络化的覆盖。
[0026]
进一步，所述支撑柱为金属材质。
[0027]
采用上述进一步方案的有益效果是：满足支撑整个装置的稳定性。
附图说明
[0028]
图1为本发明所述风沙区风蚀量自动监测装置的结构示意图；
[0029]
图2为本发明所述电磁感应测距装置的立体结构示意图；
[0030]
图3为本发明所述支柱的立体结构示意图；
[0031]
图4为本发明所述横向支架的立体结构示意图；
[0032]
图5为本发明所述滑动轮的立体结构示意图；
[0033]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0034]
1、支柱；11、滑槽；2、横向支撑板；21、滑动齿轮；22、紧固螺丝；23、安装孔；3、电磁感应测距装置；31、电磁铁；32、普通磁铁，33、连接电线，34、电磁感应卷轴，35、红外探头，36、激光测距探头；4、太阳能供电装置；41、太阳能供电板；42、供电线；43、供电控制开关；5、数据采集装置；51、显示屏；52、开关键；53、功能键，54、方向键，55、复位键，56、usb接口；57、菜单键；6风速风向监测装置、61、风速传感器；62、风向传感器；63、数据连接线。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。
[0036]
实施例
[0037]
如图1-5所示，本实施例提供一种风沙区风蚀量自动监测装置，包括：插设在风沙地面上的两个竖直且间隔设置的支撑柱1，两个所述支撑柱1的上部之间滑动设有横向支撑板2，所述横向支撑板2的底面上固定设有用于检测地表风沙掩埋高度的电磁感应测距装置3 和数据采集装置5，所述横向支撑板2的顶面上固定设有太阳能供电装置4和风速风向监测装置6，所述电磁感应测距装置3和所述风速风向监测装置6分别与所述太阳能供电装置4电连接，所述风速风向监测装置6与数据采集装置5通过数据线连接。
[0038]
本申请是关于风沙区风蚀量的监测装置，支撑柱1对整个装置起到支撑作用；电磁感应测距装置3检测地表风沙掩埋高度；数据采集装置5对风速风向监测装置6设定风速和风向数据监测的时间间隔；太阳能供电装置4提供电源支持；安装简易，操作和携带便捷，且不受油电能源供应限制，适用于野外风蚀量监测。
[0039]
优选地，本实施例中，两个所述支撑柱1的上部沿所述支撑柱 1的长度方向上均设有滑槽11，所述横向支撑板2的两端转动设有滑动齿轮21，所述滑动齿轮21滑动设置在所述滑槽11内，所述滑动齿轮21上设有用于限制所述滑动齿轮21的紧固件，固定横向支撑板2在支撑柱1的位置。
[0040]
优选地，本实施例中，所述紧固件为紧固螺丝22，结构简单，操作方便，固定效果好，便于组装和拆卸。
[0041]
优选地，本实施例中，所述支撑柱1的下部设有沿所述支撑柱1 长度方向延伸的刻度线，所述支撑柱1的底端为尖锥形，通过支撑柱 1底端的刻度线可以直接读取地表风沙掩埋高度，用于验证激光测距装置所得出的数据；采用尖锥性末端，有益于快捷安装支撑柱，适应不同地表条件，同时也可用于快速与预埋入土壤中的固定基座快速连接。
[0042]
优选地，本实施例中，所述太阳能供电装置4包括太阳能供电板 41、供电线42和供电控制开关43，所述太阳能供电板41固定安装在所述横向支撑板2上，所述太阳能供电板41上设置有用于连接所述电磁感应测距装置3和所述风速风向监测装置6的所述供电线42，所述供电线42上设有所述供电控制开关，采用太阳能供电，易于拆卸、使用方便，适宜在气候恶劣的风沙区进行长期的风蚀量监测。
[0043]
优选地，本实施例中，所述电磁感应测距装置3包括竖直设置的安装板、电磁铁31、普通磁铁32、连接电线33、电磁感应卷轴34、红外探头35和激光测距探头36，所述安装板的顶端固定连接所述横向支撑板2的底部，所述电磁感应卷轴34转动设置在所述安装板的一侧，所述电磁感应卷轴34通过所述供电线42连接所述太阳能供电板41，所述安装板的底部设有所述红外探头35和所述激光测距探头36，所述激光测距探头36上设有用于调整所述激光测距探头36 角度的调节件，具体调节件为万向球，万向球通过轴承转动连接在安装板上，激光测距探头36通过转动设置在安装板上的万向球调节角度，所述电磁感应卷轴34的竖直下方设有所述电磁铁31，所述电磁感应卷轴34和所述电磁铁31通过所述连接电线33连接，所述电磁铁31的顶面涂有用于反射所述红外探头35发射的光学信号触发所述激光测距探头36测量的反光涂层，所述电磁铁31设置在风沙表面，所述普通磁铁32设置在风沙内。通过改变电流控制电磁铁31的磁场方向，使电磁铁31与普通磁铁32间相互吸引，拉紧连接电线 33，使悬垂的电磁铁31固定，不随风排动；使电磁铁31与普通磁铁32间相互排斥，将被风
沙掩埋的电磁铁31推出至地表；通过改变电流控制电磁铁31的磁场方向和磁力大小，使电磁铁31与普通磁铁32间相互吸引，提升预埋在沙土中的普通磁铁32的位置；避免了传统风蚀监测装置因风沙掩埋速度过快，造成的测量数据误差，并减少了因风沙掩埋仪器造成的额外人工管护。
[0044]
优选地，本实施例中，所述数据采集装置5包括显示屏51、开关键52、功能键53、方向键54、复位键55、usb接口56和菜单键57，所述显示屏51固定安装在所述安装板上，所述显示屏51上设有所述开关键52、所述功能键53、所述方向键54、所述复位键 55、所述usb接口56和所述菜单键57，所述显示屏51分别与所述开关键52、所述功能键53、所述方向键54、所述复位键55、所述usb接口56和所述菜单键57电连接，所述显示屏51通过所述 usb接口56连接所述风速风向监测装置6。设定风速和风向数据监测的时间间隔。
[0045]
优选地，本实施例中，所述风速风向监测装置6包括风速传感器 61、风向传感器62和数据连接线63，所述风速传感器61、所述风向传感器62和所述数据连接线63通过安装支架固定在所述横向支撑板2上，所述风速传感器61和风向传感器62通过数据连接线与所述usb接口56连接。风速传感器61和风向传感器62的监测，可以获取当前监测区域一定时间风速风向的变化规律，结合所述电磁感应测距装置收集到的地表风沙掩埋高度数据，可利用数据分析软件中的线性函数功能生成一定时间周期内风速风向数据与地表风沙掩埋高度数据变化过程的函数关系。
[0046]
优选地，本实施例中，所述横向支撑板2上设有多个安装孔23，采用预留安装孔位，可以实现快速安装和拆卸，便于携带，有利于多点布设进行长期的监测序列和网络化的覆盖。
[0047]
优选地，本实施例中，所述支撑柱1为金属材质，满足支撑整个装置的稳定性。
[0048]
本发明还提供了一种利用所述装置自动监测风沙区土壤风蚀量的使用方法，包括以下步骤。
[0049]
s1：将所述风蚀量自动监测装置放置于监测样地内，将所述支柱 1安装在基座上，将横向支撑板2安装在支撑柱1上，将电磁感应测距装置3、太阳能供电装置4和风速风向测量装置6按预留的安装孔位22安装在横向支架2上；
[0050]
s2：将所述电磁感应测距装置3的普通磁铁32埋入待测样地后，恢复地表原状形态。调节电磁铁31高度，使电磁铁31反光面朝上，电磁铁31底面刚好与待测地表接触；
[0051]
s3：将所述电磁感应测距装置3的旋转调平旋钮37，将红外探头 35位置调节到与电磁铁42反光面垂直，激光测距探头36角度调节到与监测地表垂直；
[0052]
s4：将所述太阳能供电装置4的供电线42与数据采集装置5的 usb供电接口56连接，开启供电控制开关43，为电磁感应测距装置通电；
[0053]
s5：将所述数据采集装置5参数归零，设定风速风向监测装置6 的采样时间间隔为1分钟，设定激光测距探头36对地表高度监测数据连续测量三次；
[0054]
s6：当监测地表风沙将电磁铁31反光面完全掩埋时，红外探头 35无法接收反射的光学信号，启动激光测距探头测量36测量沙土高度数据并保存在数据采集器5中。同时向电磁感应轴34发送信号，控制电磁铁31的磁极翻转，使电磁铁31下端与磁铁32上端磁极相同，利用相排斥的磁力，将被掩埋的电磁铁31从土壤中推出，并收紧连接电线33；
[0055]
s7：当激光测距探头36测量沙土绝对高度数据超过电磁铁31 与磁铁32间磁力控
制距离时，向电磁感应轴34发送信号，控制电磁铁31磁极翻转，使电磁铁31下端与磁铁32上端磁极相反，利用相吸引的磁力，提升磁铁32在土壤中的位置；
[0056]
s8：重复步骤s2-s7，直到电磁感应轴34的连接电线33收缩到最短长度，监测地表沙土积累高度达到上限，一个采样周期结束；
[0057]
s9：根据所述风蚀量自动监测装置连续监测收集到的地表风沙掩埋高度和风速风向数据，可利用数据分析软件中的线性函数功能生成一定时间周期内风速风向数据与地表风沙掩埋高度数据变化过程的函数关系。
[0058]
s10：重复步骤s1-s8，开始下一监测样地的采样周期，可以得到监测区域的风力侵蚀产生的风蚀量。
[0059]
因此，本发明通过合理的设置，能适应复杂恶劣的风沙区野外环境，有效节省人力物力投入，并能精确测量土壤表面的风蚀厚度，通过计算可获取到风蚀量和风蚀模数。
[0060]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0061]
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0062]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0063]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0064]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。