技术领域本发明涉及林区土壤检测领域，尤其涉及一种土壤紧实度及水分复合测量方法及装置。
背景技术：
土壤因具有肥力、能够生长绿色植物而成为农林业生产的基础，土壤中的紧实度及含水率直接影响植物的生长发育。土壤紧实度是土壤结构中的重要参数，由土壤抗剪力、压缩力和摩擦力等共同构成。洪涝、干旱等自然因素以及重型机械和其他耕作措施等人为因素都会使土壤紧实度发生变化，从而影响植物赖以生存的土壤环境中水肥气热的状况，进而会影响植株的生长和农作物的产量。土壤紧实度的大小可影响作物根系的生长，可以用于评价土壤耕性。过于紧实的土壤会阻止水分的入渗，影响植物根系生长，降低化肥的利用率，从而导致作物减产。土壤含水量对植物的生长发育及土壤紧实度都用重要影响，土壤含水量过多或者过少都会对植物的正常生长产生胁迫。然而，森林里面常年落叶积累和腐烂，加之森林中生态系统复杂多样，导致林区土壤组成复杂。现有技术在测量林区土壤紧实度的过程中，测量探针在插入土壤时经常由于非匀速插入导致测量的结果出现较大误差。美国农业工程师协会ASAE规定紧实度测量时探针插入的速度为0.03m/s，此时测得的压力可用于表征土壤紧实度。由于探针插入是个快速的过程，手持的土壤紧实度仪在实际使用中很难准确保证此速度，因而所测量的探针受到的向下的力有一部分用于产生加速度，所以基于此方法的测量会产生较大的误差。进一步地，之前对于土壤体积含水率的测量都没有考虑土壤紧实度的影响，然而实际上土壤的体积含水率和土壤的紧实程度有密切关系，土壤的紧实度增大会导致单位体积内的土壤密度增大，进而引起单位土体内水分的变化，因此，不考虑土壤紧实度而直接测量土壤的体积含水率实际上是存在较大误差的。
技术实现要素：
针对现有土壤紧实度仪由于在实际使用中很难准确保证探针插入的速度，因而导致产生较大的测量误差的缺陷以及现有土壤含水率测量过程中忽略土壤紧实度的影响而导致土壤体积含水率测量误差的缺陷，本发明提出如下技术方案：一种土壤紧实度及水分复合测量方法，包括：获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力；对所述加速度和所述压力进行去噪处理；基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果；获取所述探针插入所述待测土壤的水分；基于标准紧实度下的土壤体积含水率模型，根据所述紧实度测量结果将所述待测土壤的水分换算为标准情况下的体积含水率。可选地，所述获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力，包括：在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针的加速度进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针加速度变化的加速度离散数值；对所述探针受到的压力进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针压力变化的压力离散数值。可选地，所述对所述加速度和所述压力进行去噪处理，包括：采用限幅平均滤波法对所述加速度和所述压力进行去噪处理，以消除采样值偏差。可选地，所述基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果，包括：基于牛顿第二定律，根据经过去噪处理的所述加速度的数值以及预先测得的所述探针的质量确定用于产生所述加速度的力的数值；基于二力平衡法，根据经过去噪处理的所述压力的数值以及所述用于产生所述加速度的力的数值，将所述探针插入所述待测土壤的非匀速过程等效为匀速过程，通过离散积分算法确定所述待测土壤的有效紧实力，以将所述有效紧实力作为所述待测土壤的紧实度测量结果。可选地，所述获取所述探针插入待测土壤的水分，包括：基于驻波比法，采用100M的信号源及固定阻抗的同轴传输线，对双金属环电极测量获取的电压信号进行处理，得到所述待测土壤对应的含水率的模拟电压信号，以将所述模拟电压信号作为所述待测土壤的水分测量结果。可选地，所述基于标准紧实度下的土壤体积含水率模型，结合上述所测量得到的土壤紧实度将所述土壤水分换算为标准情况下的体积含水率，包括：对所述待测土壤的水分测量结果进行处理分析，得到所述待测土壤的体积含水率；将所述紧实度测量结果和所述水分测量结果代入土壤紧实度与体积含水率的关系模型，以得到标准土壤紧实度下的土壤体积含水率。一种土壤紧实度及水分复合测量装置，包括：加速度及压力获取单元，用于获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力；去噪单元，用于对所述加速度和所述压力进行去噪处理；紧实度测量单元，用于基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果；水分获取单元，用于获取所述探针插入所述待测土壤的水分；体积含水率测量单元，用于基于标准紧实度下的土壤体积含水率模型，根据所述紧实度测量结果将所述待测土壤的水分换算为标准情况下的体积含水率。可选地，所述加速度及压力获取单元，进一步用于：在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针的加速度进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针加速度变化的加速度离散数值；以及，在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针受到的压力进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针压力变化的压力离散数值。可选地，所述去噪单元，进一步用于：采用限幅平均滤波法对所述加速度和所述压力进行去噪处理，以消除采样值偏差。可选地，所述紧实度测量单元，进一步用于：基于牛顿第二定律，根据经过去噪处理的所述加速度的数值以及预先测得的所述探针的质量确定用于产生所述加速度的力的数值；基于二力平衡法，根据经过去噪处理的所述压力的数值以及所述用于产生所述加速度的力的数值，将所述探针插入所述待测土壤的非匀速过程等效为匀速过程，通过离散积分算法确定所述待测土壤的有效紧实力，以将所述有效紧实力作为所述待测土壤的紧实度测量结果。可选地，所述水分获取单元，进一步用于：基于驻波比法，采用100M的信号源及固定阻抗的同轴传输线，对双金属环电极测量获取的电压信号进行处理，得到所述待测土壤对应的含水率的模拟电压信号，以将所述模拟电压信号作为所述待测土壤的水分测量结果。可选地，所述体积含水率测量单元，进一步用于：对所述待测土壤的水分测量结果进行处理分析，得到所述待测土壤的体积含水率；以及，将所述紧实度测量结果和所述水分测量结果代入土壤紧实度与体积含水率的关系模型，以得到标准土壤紧实度下的土壤体积含水率。本发明提供的土壤紧实度及水分复合测量方法及装置，相较于现有技术的土壤紧实度及水分复合测量方法，对于土壤紧实度的测量更具普适性，能够避免由于探针的非匀速插入而产生的测量误差，可以更加精确的测量土壤紧实程度，通过土壤紧实度与体积含水率模型可以换算得到标准紧实度下的土壤体积含水率，可以避免由于土壤紧实程度不同造成的土壤体积含水率测量的误差，进而更加精确的测量土壤体积含水率，进而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法的流程示意图；图2为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法中进行去噪处理的流程示意图；图3为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法中进行等效匀速处理的流程示意图；图4为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量装置的结构示意图；图5为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量系统的结构示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：S1：获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力；S2：对所述加速度和所述压力进行去噪处理；S3：基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果；S4：获取所述探针插入所述待测土壤的水分；S5：基于标准紧实度下的土壤体积含水率模型，根据所述紧实度测量结果将所述待测土壤的水分换算为标准情况下的体积含水率。本实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法，相较于现有技术的土壤紧实度及水分复合测量方法，对于土壤紧实度的测量更具普适性，能够避免由于探针的非匀速插入而产生的测量误差，可以更加精确的测量土壤紧实程度，通过土壤紧实度与体积含水率模型可以换算得到标准紧实度下的土壤体积含水率，可以避免由于土壤紧实程度不同造成的土壤体积含水率测量的误差，进而更加精确的测量土壤体积含水率，进而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。作为本实施例的优选，步骤S1中获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力，可进一步包括：S11：在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针的加速度进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针加速度变化的加速度离散数值；S12：对所述探针受到的压力进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针压力变化的压力离散数值。作为本实施例的优选，步骤S2中对所述加速度和所述压力进行去噪处理，可进一步包括：采用限幅平均滤波法对所述加速度和所述压力进行去噪处理，以消除采样值偏差。具体地，图2示出了本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法中进行去噪处理的流程。如图2所示，采用限幅平均滤波法，把连续的N个采样值看成一个队列长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，确定两次采样允许的最大偏差值(设为A)，如果本次值与上次值之差小于等于A,则本次值有效，如果本次值与上次值之差大于A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值，并扔掉队首的一次采样数据，把队列中的N个数据进行算数平均运算，得到新的滤波结果N值得选取，采用限幅平均滤波法对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。关于离散信号去噪有以下几种方法：平均值滤波是典型的线性滤波方法，其着眼于本次采样周期。在一个采样周期中，对信号做m次采样，并对其取算数平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。平均值滤波对周期性干扰信号有良好的抑制作用，但会产生一定的延迟，该延迟与滤波需要采样的次数m成正比。m值取决于对平滑度和灵敏度的要求。m增大，平滑度增大，灵敏度减低。中值滤波是典型的非线性滤波方法，为滤除偶然的脉冲干扰，常采用中值滤波。中值滤波将信号的连续m次采样值进行排序，取其中间值作为本采样周期内的滤波输出。m越大滤波效果越好，但延迟增大。中值滤波对缓变过程的脉冲干扰有良好的滤波效果。维也纳滤波一种自适应的滤波器，其基本思想是以在一定约束条件下，信号输出与一期望输出的差的平方的最小为最优准则。维纳滤波适应面较广，无论平稳随机过程是连续的还是离散的，是标量的还是向量的，都可应用。但是不能用于噪声为非平稳的随机过程的情况，对于向量情况应用也不方便。因此，维纳滤波在实际问题中应用不多。小波去噪在时域和频域同时具有良好的局部化特性，信号的小波系数随尺度的增大而增大，噪声的小波变换系数随尺度的增大而减小。因此，可以设定一阈值，利用该阈值按照一定的规则对小波系数进行阈值调整。对阈值调整后的各级小波系数进行重构，得到消噪后的信号。由于噪声信号强度的随机性，以及小波分解过程中信号与噪声的传播特性不同，每一层小波分解系数所采用的阈值应该是随小波系数的变化而变化的。因此，阈值的选取是去噪效果好坏的关键。由于上述几种现有的采样去噪的方法都存在速度慢、受阈值选取影响较大等缺点，因此，结合土壤紧实度及水分复合测量的特性采用限幅平均滤波法。图3为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量方法中进行等效匀速处理的流程示意图；如图3所示，作为上述实施例的优选，步骤S3中基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果，可进一步包括：S31：基于牛顿第二定律，根据经过去噪处理的所述加速度的数值以及预先测得的所述探针的质量确定用于产生所述加速度的力的数值；S32：基于二力平衡法，根据经过去噪处理的所述压力的数值以及所述用于产生所述加速度的力的数值，将所述探针插入所述待测土壤的非匀速过程等效为匀速过程，通过离散积分算法确定所述待测土壤的有效紧实力，以将所述有效紧实力作为所述待测土壤的紧实度测量结果。具体地，基于二力平衡法，探针在插入过程中施加的向下的力F大于土壤对探针施加的反作用力Fn，进而产生的加速度a，向下的力F包括人施加在探针上的压力F1和探针的重力G，而力Fn则反映了土壤的紧实度，由二力平衡法可知力F1和G的合力F，一部分用于抵消反作用力Fn，另一部分用于产生加速度a，探针的质量为m，则产生加速度的力为Fa＝m*a，则Fn＝F1-Fa+G；由二力平衡法知，若探针做匀速直线运动进入土壤，探针在插入过程中受到向下的力Fx，则土壤对探针施加的反作用力N＝G+Fx，因为同一点的土壤紧实度不变，所以N＝Fn，则有Fx＝F1-Fa，因此可以通过测量施加在探针上的压力F和加速度a来计算得到力Fx，进而将探针插入土壤的过程等效为匀速过程。因为探针匀速插入土壤时的由于土壤紧实不同对探针所产生的大小不同的反作用力为N，N＝Fn，所以可以通过F1和a计算得到Fx，进而得到N(即Fn)，Fn的大小反应了土壤的紧实程度，通过对Fn离散积分处理得到土壤有效紧实力Fs，实现对土壤紧实度的测量及量化。本实施例的土壤紧实度测量方法，通过将探针插入土壤的非匀速过程等效为匀速过程，进而实现对土壤紧实度的测量，相较于现有技术方法，对于土壤紧实度的测量的普适性更高，可以有效避免由于林区土壤构成复杂而导致探针的非匀速插入而产生的测量误差，测量土壤紧实程度的精确度更高。通过土壤紧实度与体积含水率模型可以换算得到标准紧实度下的土壤体积含水率，可以避免由于土壤紧实程度不同造成的土壤体积含水率测量的误差，进而更加精确的测量土壤体积含水率。图4为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量装置的结构示意图；如图4所示，该装置包括加速度及压力获取单元10、去噪单元20、紧实度测量单元30、水分获取单元40以及体积含水率测量单元50；其中，加速度及压力获取单元10用于获取探针在插入待测土壤过程中的加速度和受到的压力；去噪单元20用于对所述加速度和所述压力进行去噪处理；紧实度测量单元30用于基于牛顿第二定律和二力平衡法，对经过去噪处理的所述加速度和所述压力进行分析，以根据所述分析的结果确定所述待测土壤的紧实度测量结果；水分获取单元40，用于获取所述探针插入所述待测土壤的水分；体积含水率测量单元50，用于基于标准紧实度下的土壤体积含水率模型，根据所述紧实度测量结果将所述待测土壤的水分换算为标准情况下的体积含水率。本实施例所述的土壤紧实度及水分复合测量装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。作为本实施例的优选，加速度及压力获取单元10还可以进一步用于：在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针的加速度进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针加速度变化的加速度离散数值；以及，在所述探针插入所述待测土壤的过程中，对所述探针受到的压力进行预设频率的间隔测量，以获取反映所述探针压力变化的压力离散数值。作为本实施例的优选，去噪单元20还可以进一步用于：采用限幅平均滤波法对所述加速度和所述压力进行去噪处理，以消除采样值偏差。作为本实施例的优选，紧实度测量单元30还可以进一步用于：基于牛顿第二定律，根据经过去噪处理的所述加速度的数值以及预先测得的所述探针的质量确定用于产生所述加速度的力的数值；基于二力平衡法，根据经过去噪处理的所述压力的数值以及所述用于产生所述加速度的力的数值，将所述探针插入所述待测土壤的非匀速过程等效为匀速过程，通过离散积分算法确定所述待测土壤的有效紧实力，以将所述有效紧实力作为所述待测土壤的紧实度测量结果。作为本实施例的优选，水分获取单元40，可进一步用于：基于驻波比法，采用100M的信号源及固定阻抗的同轴传输线，对双金属环电极测量获取的电压信号进行处理，得到所述待测土壤对应的含水率的模拟电压信号，以将所述模拟电压信号作为所述待测土壤的水分测量结果。作为本实施例的优选，体积含水率测量单元50还可以进一步用于：对所述待测土壤的水分测量结果进行处理分析，得到所述待测土壤的体积含水率；以及，将所述紧实度测量结果和所述水分测量结果代入土壤紧实度与体积含水率的关系模型，以得到标准土壤紧实度下的土壤体积含水率。本实施例所述的土壤紧实度及水分复合测量装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。需要说明的是，对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。图5为本发明一个实施例的土壤紧实度及水分复合测量系统的结构示意图。如图5所示，该系统包括：紧实度检测单元100，用于利用加速度模块110和压力模块120测量探针在插入土壤时的加速度信号和压力信号，以利用加速度和压力实现紧实度的检测；温度检测单元200，用于测量土壤的温度；水分检测单元300，用于对土壤的体积含水率进行测量；GPS定位单元400，用于定位所测量得到的土壤紧实度的位置信息和海拔信息；液晶显示模块500，用于对结合温度、水分、位置和紧实度所绘制的林区立体模型图进行图形显示，并对紧实度与温度、水分和位置之间的关系模型进行显示，用于对系统的操作命令进行显示；串口下载单元600，用于和上位机进行通信和相应的数据传输；体积含水率测量单元700，用于结合土壤紧实度和土壤水分值，通过土壤紧实度和土壤体积含水率模型，计算得到标准土壤紧实度下的土壤体积含水率；主控处理单元800，用于对获取的数据进行处理计算，并且控制数据的通信与显示。进一步地，该主控处理单元800还可以包括去噪单元810、计算单元820以及数据模型单元830(图中未示出)；其中，去噪单元810用于对所测量的加速度信号和压力信号进行去噪处理，去除噪声点的干扰。计算单元820用于基于去噪后的信号，使用牛顿第二定律和二力平衡法，综合加速度和压力将探针插入过程等效为匀速过程，进行离散积分计算得出土壤有效紧实力，实现对土壤紧实的测量。数据模型单元830用于结合温度、水分、位置和紧实度建立立体模型，并建立紧实度与温度、水分和位置之间的关系曲线模型。本发明实施例提供的一种林区土壤紧实度等效匀速测量方法及测量系统，主要通过将探针插入土壤的非匀速过程等效为匀速过程，进而实现对土壤紧实度的测量，依次为进行加速度和压力测量、进行温度测量、进行水分测量、GPS定位测量、进行去噪处理、基于牛顿第二定律和二力平衡法的等效匀速处理、离散积分求有效紧实力、标准情况下土壤体积含水率计算，立体模型和关系曲线的建立显示，从而相较于现有技术方法，对于土壤紧实度的测量具有普适性，可以有效避免由于林区土壤构成复杂而导致探针的非匀速插入而产生的测量误差，可以更加精确的测量土壤紧实程度；通过土壤紧实度与体积含水率模型可以换算得到标准紧实度下的土壤体积含水率，可以避免由于土壤紧实程度不同造成的土壤体积含水率测量的误差，进而更加精确的测量土壤体积含水率，进而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。