专利名称：用于测量土壤溶质迁移的成像示踪系统及方法
技术领域：
本发明涉及图像示踪及成像技术领域，尤其涉及一种用于测量土壤溶质迁移的成像示踪系统及方法。
背景技术：
研究土壤非饱和带中水流及溶质运移是保持农业、自然资源(土壤和水等)和环 境可持续发展必须进行的重要课题。土壤水流和溶质迁移模拟方法与测量手段之间具有密 切的联系。现有的土壤水和溶质监测理论和方法更加偏重土壤含水率和溶质含量(浓度) 的观测，土壤含水率及浓度仅能够提供一个深度位置的值(或平均值)，其结果可能导致对 于溶质迁移特性的错误估计，错误的模型预测以及误导的风险评估方案，尽管可以通过在 不同深度、不同位置设置土壤含水率及浓度观测探头，详细的观测土壤水流和溶质迁移情 况，进行现场示踪试验等，然而这些方法需要很大的投入和花费大量时间，特别是在土壤介 质条件较为复杂的地区，并且这种测量方法对于浓度分布趋势性的把握程度也有所欠缺， 不能详尽的描述复杂情况下土壤水和污染物的迁移途径。传统的模型无论是物理基础还是 预测非均勻溶质迁移都面临诸多问题。相比测量土壤含水率和溶质浓度，通量和过程的测 定对于了解溶质运动迁移规律更为重要，例如许多污染环境都是处于流动水势梯度较小的 地方。由于土壤介质高度的空间变异性和不均勻性，非饱和条件下现场精确测定流动通量 和过程是相当困难、昂贵以及消耗时间的。在饱和条件下，通过发射脉冲热源，根据流动方向温度差值和流动通量之间关系 对饱和条件下的流动通量和孔隙流速进行了测定，在多种土壤条件下取得了较好的效果。 然而这种方法在非饱和条件下测量非均勻通量仍然存在许多问题，只有通过全局性的测量 方法才能够有效的把握非均勻流动特性，进而对污染溶质的迁移规律做出准确、合理的预 测。非均勻流动条件下，由于发生热源产生的温度场也会在很大程度上影响流动通量场，对 于预测结果也会产生明显的影响。同时，直接测量非饱和环境下的土壤水文参数也是非常 困难且代价昂贵的。由于土壤溶质迁移理论的复杂性，现在没有专门针对土壤溶质迁移成像的产品， 传统的溶质迁移测量方法采用土壤取样，蒸渗测量的方法无法从全局、实时获取溶质的渗 透过程；高密度电阻仪在工程中的应用仅限于电阻率的测量，无法建立溶质浓度-电阻率 模型，也无法通过成像分析渗透过程，因此有必要研究专门针对土壤溶质渗透的成像装置。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用于测量土壤溶质迁移的成 像示踪系统及方法，可应用与土壤、地下水特性的测量，以改变传统测量方法的局限性，更 高效、准确地获得土壤溶质的迁移特性和尺度特征。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案触摸屏、显示单元、电信号激发单元、多路控制单元、运算处理单元、测控单元、测量电极；显示单元通过LVDS/TTL数字显示接口与运算处理单元的单板计算机连接，触控 屏上的控制器通过USB接口与单板计算机的USB接口相连，触控屏安装在显示单元的显示 屏的正上方，并和显示屏重合，触控区域和显示区域尺寸相同；测控单元通过RS232串行通信接口与运算处理单元的单板计算机连接；测控单元 通过数字输出端口驱动多路控制单元，同时控制电信号激发单元接入多路控制单元；多路控制单元受测控单元的驱动控制，将电信号激发单元的驱动电流接入对应的 测量电极，同时将电压测量电极选通到测控单元的测量电路；测控单元同时对电信号激发 单元输出到电极的电信号进行采样，测量实际输出电流的大小。所述运算处理单元采用高性能单板计算机构成，包含存储器和固态电子盘，电子 盘安装操作系统和土壤溶质迁移成像示踪软件。所述显示单元由真彩高亮液晶屏构成，包括图像显示部分和操控界面。所述触摸屏与图形化操控界面对应，可直接通过触控笔、手指在触摸屏上点击，实 现对界面上的按钮、下拉框、窗口、组合框等进行操作。所述测控单元由32位MCU控制板、测量电路、控制电路组成，所述MCU为ATMEL AT91系列内置FLASH的32位微控制器，可编程控制器为8255，前置输入选用ICL7650斩波 稳零放大器，通过⑶4051模拟开关进行程控放大，模数转换芯片为AD574。所述测量电极中的电压测量电极经多路控制单元的继电器阵列接入测量电路的 前置输入级，输入级放大倍数由MCU模拟开关选题电阻网络实现放大倍数调剂，滤波电路 为低通滤波器。选定测量尺度和电极类型，按等间距布设电极，将电缆连接至装置电缆连接接口。设置电极极距、极数、测量方式、电极类型、激电时间，配置参数经通信系统发送至 测控单元，测控单元的MCU接收指令控制激电电路和多路控制器，将激电信号输出到对应 电极，多路控制器同时选通测量电极连接至测量电路，电信号经采样调理电路、宽范围增益 放大电路、高精度模数转换器转化为数字信号，经由MCU处理后回传给运算处理单元；运算处理单元根据配置参数将返回的测量值转换为电阻率并确定各值对应的空 间坐标；待一组数据全部获取后，根据测量值分布范围选择色彩模板，绘制图像。配置参数、 测量结果、色彩模板、图像数据都以文件形式存储；配备溶质标称浓度，在软件中设置电极极距、极数、测量方式、电极类型、激电时 间、溶质类型、标称浓度、测量周期；对渗透过程进行空间和时间层析测量，运算处理系统软件通过浓度_电阻率模型 实现渗透过程数字成像，图像以空间平面显示，按渗透时间更新；选取不同空间分布参考点，根据溶质参数和浓度_电阻率渗透模型对实时采集的 数据进行趋势预测或对历史数据进行离线预测用于模型的理论分析，预测结果绘制成趋势 曲线供用户参考。本发明具有以下优点和积极效果1)本发明适用于各种类型和浓度的溶质，可同时满足大尺度和小尺度渗透模型测 量，能反映溶质浓度和电阻率的对应关系，将溶质迁移过程用图像方式输出，形式直观，便于分析理解；2)提高了系统的可靠性，能满足长时间的溶质迁移成像示踪测量需求，用户界面 友好，并配备帮助文件，方便查阅，易于使用，维护方便，扩展接口丰富。
图1是本发明提供的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统的结构框图。图2是本发明中测控单元的组成结构框图。图3是本发明提供的用于土壤溶质迁移的成像示踪方法的流程图。
具体实施例方式下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明本发明的原理在于利用研究区各个方向观测的直流电场研究土壤介质电阻率分 布，在介质中发射一次电流，由于介质和介质中物质(溶质)含量的不均勻性使得电流的分 布发生变化，这一变化引起电位的改变，将观测到的电位转化为电阻率，相应的通过建立电 阻率与溶质含量之间的关系，对溶质非均勻迁移过程进行连续的观测和成像示踪。本发明提供的用于测量土壤溶质迁移的成像示踪系统，具体采用以下技术方案， 参见图1，本系统包括触摸屏101、显示单元102、电信号激发单元103、多路控制单元104、运 算处理单元105、测控单元106、测量电极107 ；显示单元102通过LVDS/TTL数字显示接口与运算处理单元105的单板计算机连 接，触控屏101上的控制器通过USB接口与单板计算机的USB接口相连；触控屏101安装 在显示单元102的显示屏的正上方，并和显示屏重合，尺寸相同；测控单元106通过RS232 串行通信接口与运算处理单元105的单板计算机连接；测控单元106通过数字输出端口驱 动多路控制单元104，同时控制电信号激发单元103接入多路控制单元104 ；多路控制单元 104受测控单元106的驱动控制，将电信号激发单元103的驱动电流接入对应的测量电极 107，同时将电压测量电极选通到测控单元106的测量电路；测控单元106同时对电信号激 发单元103输出到电极的电信号进行采样，测量实际输出电流的大小。运算处理单元，采用高性能单板计算机SBC构成，含存储器和固态电子盘，电子盘 安装操作系统和土壤溶质迁移成像示踪软件。显示单元，由真彩高亮液晶屏构成，通过LVDS/TTL数字显示接口与SBC连接，显示 程序界面，包括图像显示部分和操控界面。触摸屏，安装在液晶屏上，与图形化操控界面对应，可直接通过触控笔、手指在触 摸屏上点击，实现对界面上的按钮、下拉框、窗口、组合框等进行操作。测控单元，由32位M⑶控制板、测量电路、控制电路组成，通过串行通信接口与运 算处理系统相连，测控系统依运算处理系统指令控制信号激发系统产生激发信号，同时依 据程序流程控制多路控制系统选通相应的激电电极和测量电极，测量电路完成对应电极电 信号的一次测量，测控单元依据设定的工作模式输出数据指令给多路控制单元实现激电电 极和测量电极的自动切换，进而实现对土壤溶质迁移过程的连续测量；测控系统对信号进 行调理、放大、转换，以数据格式经串行通信接口回送给运算处理系统，运算处理系统运算 处理系统还可依据参数的空间和时间变化对迁移过程进行预测。
MCU为ATMEL AT91系列内置FLASH的32位微控制器，可编程控制器为8255，前置 输入选用ICL7650斩波稳零放大器，通过CD4051模拟开关进行程控放大；模数转换芯片为 AD574。测量电极中的电压测量电极经多路控制单元的继电器阵列接入测量电路的前置 输入级，输入级放大倍数由MCU模拟开关选题电阻网络实现放大倍数调剂，滤波电路为低 通滤波器，屡创高频噪声干扰，输出直流电压经VFC转换为频率信号，经隔离器输出，可起 到信号隔离保护作用；频率信号再经过FVC还原为模拟电压，经模数转换电路得到测量结 果输入MCU，MCU完成实际测量结果的转换计算。电信号激发单元的电池模组受程序控制输出大小可控的激电电流，输出大小由 供电电压选择继电器整列控制，在MCU控制下可输出100%，80%，50%，40%，30%，20%， 10%，5%的满量程电压。多路控制单元，由可编程并行10在MCU控制下通过驱动电路和继电器阵列实现电 极的高速切换，依程序逻辑选择激电电极和电压测量电极。测量电极，按60个配备，可按要求扩展，测量时可选取有效测量电极数，可满足2 米到120米尺度空间的测量要求；依据测量尺度可选择不锈钢电极(小尺度)和铜电极(大 尺度)。板载土壤溶质迁移成像示踪软件，识别触摸屏传送过来的操作，向测控单元发送 指令并接收回送数据，依据测量值和极间关系首先将数据转换为电阻率，然后确定测量值 的空间和时间对应关系，再依据溶质类型对应的电阻率——浓度模型，确定溶质的迁移过 程，并通过总体参数分布确定色彩模板，选择合适的尺度特性按空间和时间分布输出示踪 图像，反映溶质的迁移过程。软件通过微软.NET开发软件开发，包括程序界面和软件功能模块，程序界面实现 绘图和图形化界面的显示功能；软件功能模块实现数据模型的转换、通信、操控命令处理功 能。设备布设就绪后，开机自动启动示踪软件，在程序界面中通过触控屏输入电极数、测试 方法、溶质类型、浓度等配置参数并保存，完成初始设置后，进入背景场测试过程，程序依据 选定的测量方法和参数将控制指令通过RS232串行通信口发送给测控单元并接收回传数 据。本发明同时提供用于测量土壤溶质迁移的成像示踪方法，具体包括以下步骤步骤1 参考图1，2，实施例的土壤溶质迁移成像示踪装置用于土壤静态场(无溶 质渗透)测量。装置集成了图1的七大部分。在测量地点首先选定测量尺度和电极类型， 按等间距布设电极，将电缆连接至装置电缆连接接口。打开装置电源，启动土壤溶质迁移成 像示踪软件，通过触摸屏对操作界面进行操作，设置电极极距、极数、测量方式(激电电极 和测量电极关系)、电极类型、激电时间等项目；配置参数经通信系统发送至测控系统，测 控系统MCU接收指令控制激电电路和多路控制器，将激电信号输出到对应电极，多路控制 器同时选通测量电极连接至测量电路，电信号经采样调理电路、宽范围增益放大电路、高精 度模数转换器转化为数字信号，经由MCU处理后回传给运算处理单元；装置根据选定测量 方式，完成一组空间分布数值测量；运算处理单元根据配置参数将返回的测量值转换为电 阻率并确定各值对应的空间坐标；待一组数据全部获取后，根据测量值分布范围选择色彩 模板，绘制图像。配置参数、测量结果、色彩模板、图像数据都以文件形式存储。根据现场条件和测量需求，可对静态场数据重复测量一次，互为校验，确保测量精度。步骤2 参考图1，2，3，实施例的土壤溶质迁移成像示踪装置用于土壤溶质渗透过 程示踪成像。配备溶质标称浓度，在软件中设置电极极距、极数、测量方式、电极类型、激电 时间、溶质类型、标称浓度、测量周期等项目；可选设定测量终止时间；溶质开始渗透的同 时开启测量过程，依程序对渗透过程进行空间和时间层析测量，运算处理系统软件通过浓 度_电阻率模型实现渗透过程数字成像，图像以空间平面显示，按渗透时间更新；亦可动态 显示已测数据所表征图像的动态变化过程。测量过程可在测量终止时间停止或通过操控 系统手动停止。溶质特征、配置参数、测量结果、色彩模板、动态图像等数据都以文件形式存 储。步骤3 实施例的土壤溶质迁移成像示踪装置用于土壤溶质渗透过程趋势预测。 在溶质渗透过程中，软件选取不同空间分布参考点，根据溶质参数和浓度_电阻率渗透模 型对实时采集的数据进行趋势预测或对历史数据进行离线预测用于模型的理论分析。预测 结果绘制成趋势曲线供用户参考。
权利要求
一种用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于，包括触摸屏、显示单元、电信号激发单元、多路控制单元、运算处理单元、测控单元、测量电极；显示单元通过LVDS/TTL数字显示接口与运算处理单元的单板计算机连接，触控屏上的控制器通过USB接口与单板计算机的USB接口相连，触控屏安装在显示单元的显示屏的正上方，并和显示屏重合，触控区域和显示区域尺寸相同；测控单元通过RS232串行通信接口与运算处理单元的单板计算机连接；测控单元通过数字输出端口驱动多路控制单元，同时控制电信号激发单元接入多路控制单元；多路控制单元受测控单元的驱动控制，将电信号激发单元的驱动电流接入对应的测量电极，同时将电压测量电极选通到测控单元的测量电路；测控单元同时对电信号激发单元输出到电极的电信号进行采样，测量实际输出电流的大小。
2.根据权利要求1所述的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于所述运算处理单元采用高性能单板计算机构成，包含存储器和固态电子盘，电子盘安 装操作系统和土壤溶质迁移成像示踪软件。
3.根据权利要求1所述的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于 所述显示单元由真彩高亮液晶屏构成，包括图像显示部分和操控界面。
4.根据权利要求1所述的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于所述触摸屏与图形化操控界面对应，可直接通过触控笔、手指在触摸屏上点击，实现对 界面上的按钮、下拉框、窗口、组合框等进行操作。
5.根据权利要求1所述的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于所述测控单元由32位MCU控制板、测量电路、控制电路组成，所述MCU为ATMEL AT91 系列内置FLASH的32位微控制器，可编程控制器为8255，前置输入选用ICL7650斩波稳零 放大器，通过⑶4051模拟开关进行程控放大，模数转换芯片为AD574。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于土壤溶质迁移的成像示踪系统，其特征在于所述测量电极中的电压测量电极经多路控制单元的继电器阵列接入测量电路的前置 输入级，输入级放大倍数由MCU模拟开关选题电阻网络实现放大倍数调剂，滤波电路为低 通滤波器。
7.一种用于土壤溶质迁移的成像示踪方法，其特征在于，包括以下步骤选定测量尺度和电极类型，按等间距布设电极，将电缆连接至装置电缆连接接口 ； 设置电极极距、极数、测量方式、电极类型、激电时间，配置参数经通信系统发送至测控 单元，测控单元的MCU接收指令控制激电电路和多路控制器，将激电信号输出到对应电极， 多路控制器同时选通测量电极连接至测量电路，电信号经采样调理电路、宽范围增益放大 电路、高精度模数转换器转化为数字信号，经由MCU处理后回传给运算处理单元；运算处理单元根据配置参数将返回的测量值转换为电阻率并确定各值对应的空间坐 标；待一组数据全部获取后，根据测量值分布范围选择色彩模板，绘制图像。配置参数、测量 结果、色彩模板、图像数据都以文件形式存储；配备溶质标称浓度，在软件中设置电极极距、极数、测量方式、电极类型、激电时间、溶 质类型、标称浓度、测量周期；对渗透过程进行空间和时间层析测量，运算处理系统软件通过浓度-电阻率模型实现 渗透过程数字成像，图像以空间平面显示，按渗透时间更新；选取不同空间分布参考点，根据溶质参数和浓度-电阻率渗透模型对实时采集的数据 进行趋势预测或对历史数据进行离线预测用于模型的理论分析，预测结果绘制成趋势曲线 供 用户参考。
全文摘要
本发明涉及图像示踪及成像技术领域，尤其涉及一种用于测量土壤溶质迁移的成像示踪系统及方法。本发明包括触摸屏、显示单元、电信号激发单元、多路控制单元、运算处理单元、测控单元、测量电极，显示单元通过LVDS/TTL数字显示接口与运算处理单元的单板计算机连接，触控屏上的控制器通过USB接口与单板计算机的USB接口相连，测控单元通过RS232串行通信接口与运算处理单元的单板计算机连接；测控单元通过数字输出端口驱动多路控制单元，同时控制电信号激发单元接入多路控制单元。本发明适用于各种类型和浓度的溶质，可同时满足大尺度和小尺度渗透模型测量，能反映溶质浓度和电阻率的对应关系，提高了系统的可靠性，能满足长时间的溶质迁移成像示踪测量需求。
文档编号G01N27/04GK101852755SQ20101017917
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者李立, 王康 申请人:武汉大学