一种智能化黑土坡耕地侵蚀自反馈系统及实施方法与流程

本发明涉及黑土坡侵蚀防治措施领域，具体为一种智能化黑土坡耕地侵蚀自反馈系统及实施方法。

背景技术：

黑土坡作为我国东北地区主要的耕地之一，其在农业、畜牧业以及其他产业发展过程中发挥着举足轻重的作用。全面认识黑土坡耕地的侵蚀破坏过程，可为我国东北地区农业种植区水土流失提供可靠保障，可为黑土坡地区的工程构筑物稳定性分析提供重要的基础数据，对于黑土坡地区的经济发展发挥着重要作用。现有技术中主要通过电解质示踪法等技术方法对坡面的流速等进行测试，通过现场设置稳流槽结合流量计等方法对含沙水流量进行测试分析。对于东北地区的黑土坡耕地，在季节性冻融循环作用下的冻结深度无法获得准确的测试结果，而已有学者指出黑土坡的冻结作用对于其侵蚀过程也有影响，其会加剧黑土坡的侵蚀过程，因此设置合适的装置及方法对黑土坡不同地段的冻结深度进行测定显得尤为重要。

黑土坡的表面在雨水及灌溉水的作用下会产生不同的侵蚀效果，通常雨水对黑土坡的作用可以根据降雨的强度不同形成不同直径的溅蚀坑，在持续降雨作用下，溅蚀坑直径不断扩大进而对耕地产生影响，形成较为严重的水土流失现象。灌溉水往往会随着坡度自上而下流动，流动过程中带走黑土壤中的部分颗粒，引起剩余的土壤结构性丧失后形成水土流失现象。对此，确定降雨强度与溅蚀坑直径的变化规律至关重要，通过表面水流中含沙量及所含沙土粒径的变化推断剩余黑土壤中流失的成分也显得尤为重要。

此外，目前对于黑土坡耕地中形成的侵蚀沟的体积缺乏系统测试，对于地表径流以及降雨等作用下水在黑土坡耕地中的入渗情况等均缺乏测试分析。而地表水在黑土坡中的入渗情况能够间接反映黑土坡的水土流失情况，同时能够对黑土坡的持水特性进行反映。黑土坡耕地中形成的侵蚀沟的体积能够反映出侵蚀作用持续的时间以及地表水流的流量等。因此，采用适当的装置及技术方法对黑土坡耕地中的侵蚀沟体积以及地表水在黑土坡中的渗透性进行研究对于认识黑土坡耕地的侵蚀过程至关重要。

目前对于黑土坡耕地整个侵蚀过程尚未形成自动化的监测反馈系统，目前的研究主要针对地表径流、地面入渗、电解质示踪法等对侵蚀的某一个过程或者某一个阶段进行分析，不同侵蚀阶段尚未有效连接，缺乏一定的系统性，而侵蚀作用是一个系统地，涉及多因素的地质作用过程，因此，需要结合地质特征和现代先进的技术方法对黑土坡耕地的侵蚀过程建立系统的监测体系，并且能够基于检测系统形成自反馈体系，将监测-反馈-预警-防治等过程进行有机结合，能够在后期的农业、畜牧业以及工业发展中，采取预防性保护措施，进而防止黑土坡耕地侵蚀范围扩大，引起严重的水土流失现象，对农田及工程构筑物造成威胁。现有技术的不足有：1.现有技术中提供的方法未对存在冻融作用的黑土坡耕地区域进行不同区段冻结深度及冻结范围进行准确测试；2.现有技术中仅对黑土坡的侵蚀量进行了测试分析，未对地表径流引起的水土流失内在机制进行分析，即未分析流失土壤中所含颗粒的粒组成分，进而无法判断剩余土壤结构失稳而引起进一步水土流失的内在机制；3.现有技术中缺乏技术手段对黑土坡耕地中的侵蚀沟进行实时监测与测量，亦缺乏技术手段对地表水在黑土坡耕地中的入渗情况进行监测，致使侵蚀机理中存在一定不确定性。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供了一种智能化黑土坡耕地侵蚀自反馈系统，其特征在于：在黑土坡耕地面9上通过固定地锚12安装有太阳能电池板1、现场气象站15以及安装有智能化集成器4和现场图像监控系统11的智能化集成箱2，在黑土坡耕地面9上设置有间隔相同的若干温度传感器5、水质检测器10和地面含水量监测传感器13，同时通过固定支架19安装有激光扫描器6和地表径流量监测传感器14，检测所得所有信号通过无线传输天线3传输至室内处理站18内的室内计算处理终端17内处理，并通过其内的黑土坡侵蚀等级报警指示灯16对处理信息报警。

所述激光扫描器6内设置有激光扫描器控制系统8，激光扫描器控制系统8用于控制安装于激光扫描器6上的激光调节器21和中枢控制系统22，激光扫描器6将检测结果通过无线传输天线3传输至计算处理终端17内。

所述中枢控制系统22与地表径流量监测传感器14相连接，通过安装于地表径流量监测传感器14上的激光点阵发射探头20采集信息并传输至中枢控制系统22内处理，所述激光调节器21根据中枢控制系统22处理后的信息指令，调整安装于激光扫描器6上的激光探头7。

所述水质检测器10设置有进水口23和出水口24，并在水质检测器内依次安装有化学成分监测传感器25、粒组成分传感器26和地表径流量传感器27，化学成分监测传感器25、粒组成分传感器26和地表径流量传感器27通过导管均与进水口23和出水口24相互连通，化学成分监测传感器25、粒组成分传感器26和地表径流量传感器27将检测信息传输至数据采集控制系统28，数据采集控制系统28将检测结果通过无线传输天线3传输至计算处理终端17内。

所述地面含水量监测传感器13通过固定支架19固定于黑土坡耕地面9上，地面含水量监测传感器13上设置转动控制器29，用于调整地面含水量监测传感器13位置，所述地面含水量监测传感器13包含数据采集识别系统30和数据采集窗口31。

本发明的另一目的是提供一种基于智能化黑土坡耕地侵蚀自反馈系统的实施方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1、各类传感器安装：根据工程勘察，采用机械和人工结合方式将各类传感器按照特定距离铺设；

s2、传感器检测与调试：通过专门的检测设备对各类传感器检测，检测后进行传感器调试；

s3、传感器与各类智能化集成器通讯：利用无线传输装置将各个传感器及监测系统与智能化集成器进行通讯连接，保证数据能够正常、稳定传输；

s4、侵蚀-自反馈系统运行：将现场的所有传感器和智能化集成器均打开，并于室内计算处理终端通讯连接，通过室内计算处理终端实时观察黑土坡的侵蚀状况，获得黑土坡耕地的侵蚀等级；

s5、侵蚀-自反馈系统维护：及时对出现故障的传感器要进行及时维护与维修，确保整个系统可以正常运行。

本发明的有益效果为：1)本发明通过在黑土坡耕地的不同区段设置温度传感器对黑土坡在冬季的冻结深度进行测定，根据地形地貌特征、水文地质条件和地质构造等特征进行传感器布设，获得某一区域黑土坡整体的冻结情况，同时根据传感器采集数据对春季融化范围进行测试，获得季节性冻融作用对于黑土坡耕地侵蚀过程的影响。

2)本发明通过激光扫描器结合不同含水量黑土坡耕地色差技术对黑土坡表面含水量情况进行实时监测，利用激光扫描器中的探头对地表径流量进行实时监测，在径流较为发育的位置放置粒组成分监测传感器，对流量、地表水中携带物质的粒组成分、地表水中化学组分等进行实时监测，通过无线数据发射装置将数据传输至分析站。

3)本发明通过三维激光扫描仪技术对黑土坡耕地中形成的侵蚀坑进行实时监测扫描记录，获得整个侵蚀坑以及侵蚀沟的动态发育过程数据，同时利用渗透监测盒对地表水产生的渗透性能进行监测分析，获得黑土坡耕地实时渗透系数等物理参数。

4)本发明通过智能集成系统将现场采集的黑土坡耕地中的侵蚀沟、侵蚀坑、和溅蚀坑基本参数以及渗透系数、冻结深度、黑土坡表层含水量等数据进行集成，集成后通过预先编程设置好的软件进行自动分析处理，判别整个黑土坡耕地侵蚀边界，确定黑土坡耕地所受侵蚀的具体范围，通过图件形式生成黑土坡耕地不同侵蚀程度下的梯度图，该图包含侵蚀边界以及不同位置处的侵蚀程度，基于不同侵蚀程度梯度图建立黑土坡耕地侵蚀评价体系，根据所得结果进行侵蚀程度评价，做出具体的防治措施，防止黑土坡耕地进一步遭受侵蚀破坏。同时，本发明可将获得的现场边界条件等数据传输至室内计算机终端，基于数值计算软件对目前状况下的黑土坡侵蚀发展进行预测分析，为相关部门采取措施提供技术支撑。

附图说明

图1是总体示意图；

图2是激光扫描器示意图；

图3是水质检测器示意图；

图4是地面含水量监测传感器示意图；

图中所示：太阳能电池板1、智能化集成箱2、无线传输天线3、智能化集成器4、温度传感器5、激光扫描器6、激光探头7、激光扫描器控制系统8、黑土坡耕地面9、水质检测器10、现场图像监控系统11、固定地锚12、地面含水量监测传感器13、地表径流量监测传感器14、现场气象站15、黑土坡侵蚀等级报警指示灯16、室内计算处理终端17、室内处理站18、固定支架19、激光点阵发射探头20、激光调节器21、中枢控制系统22、进水口23、出水口24、化学成分监测传感器25、粒组成分传感器26、地表径流量传感器27、数据采集控制系统28、转动控制器29、数据采集识别系统30、数据采集窗口31。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：

实施例1

如图1～4所示的一种智能化黑土坡耕地侵蚀自反馈系统，具体各部件主要功能及其工作原理如下：

太阳能电池板1的主要功能是为整个监测系统供电，同时为现场气象站供电。

智能化集成箱2的主要功能是保护智能化集成器，并且固定现场图像监测系统以及无线传输天线等，用于贮藏多余的线缆以及现场工作记录等。

无线传输天线3主要将智能化集成器处理后的数据以及现场采集的各类数据传输至室内计算处理终端。

智能化集成器4主要功能是将现场各个传感器采集的数据进行集合，基于集成后的数据进行综合分析判断，根据先前预设的操作软件以及程序进行智能化分析，得出黑土坡耕地侵蚀程度以及侵蚀范围的初步数据，后将该数据传输至室内处理终端供工作人员判别。同时智能化集成器能够根据采集的各个传感器的示数判断各个传感器的工作状态，如果传感器出现异常，可将该信息报送至室内终端，便于及时更换传感器。

温度传感器5主要监测季节性变化中黑土坡耕地不同位置处地温的变化情况，主要判断地层的冻结深度以及冻结范围，该传感器布设中考虑该区域内黑土坡耕地的地形地貌、地质构造以及水文地质条件等地质条件，由于不同岩性地层的比热系数存在差异性，故温度传感器布设考虑地质因素，可确保获得数据的可靠性和准确性。激光扫描器6的主要功能是对黑土坡表面形成的溅蚀坑、侵蚀坑以及侵蚀沟的尺寸和体积进行实时扫描，能够获得各类侵蚀现象的发展变化规律数据，进而可以反演整个侵蚀过程；同时通过传感器对地表的径流量进行监测分析，与粒组成分传感器的数据进行相互验证，提高数据的准确性。

激光探头7主要对各类侵蚀坑和侵蚀沟的尺寸及体积进行实时扫描记录

激光扫描器8控制系统的主要功能是控制激光探头以及地表径流监测传感器，控制激光探头以及传感器的方位和角度，并且提供旋转，确保激光探头和径流监测传感器能够全方位工作，根据需要提供合适频率的激光供地表径流监测传感器和激光探头工作需要；同时该控制系统能够实时监控传感器以及激光探头的工作状况，发现异常后能够及时将故障报送至智能化集成器。

水质检测器的主要功能是对地表径流量进行实时监控，同时分析地表径流中携带的粒组成分，部分探头兼具监测地表径流中化学组分的功能，其获得的地表径流量数据能够与地表径流监测传感器获得的数据进行相互比对，并将最终的径流量数据、粒组成分数据和化学组分数据通过无线传输装置传送至智能化集成器。现场图像监控系统11主要用于监控现场各类传感器的工作状况以及是否有人破坏各类监测设施，对现场的气象条件获得直观的认识。

固定地锚12主要用于固定整个智能化集成箱以及太阳能电池板和现场气象站，确保整个结构的稳定性和安全性。地面含水量监测传感器13的主要工作原理是根据黑土坡耕地表面颜色变化的校准数据实时监测地表的含水量变化情况，由于地表含水量变化会引起其颜色发生变化，即地表含水量不同对于可见光的反射情况会产生差异性，该传感器根据该原理对地表的含水量变化情况进行实时监测，能够得到黑土坡侵蚀破坏与含水量关系的定量化数据。

地表径流量监测传感器14的主要工作原理是基于激光点阵的形式，对水流的流量进行监测，当一定数量的激光点投射至地面后，如果径流量增加，其水平范围会不断扩大，占据的激光点数量增加，据此换算成地表径流量的数值，该传感器获得的地表径流量更多的反映水平向径流量的大小，而粒组成分传感器获得径流量大小更多的反映垂直向径流量的大小，二者结合获得的数据更加可靠。

现场气象站15的主要功能是对现场的风向、风速、光照、降雨量、温湿度等气象参数进行实时监测，气象参数与黑土坡耕地侵蚀程度之间存在一定的内在联系，这些参数的获取能够为分析黑土坡侵蚀过程提供技术参数。

黑土坡侵蚀等级报警指示灯16主要根据计算获得的侵蚀等级发出一定的预警警报，为工作人员采取对应的措施提供依据，本发明最终得到的黑土坡侵蚀等级都有对应的防治措施，工作人员可以根据报警指示灯的颜色直接采取对应的措施，简单方便，易于掌握，可在农户以及施工现场进行普及，适用范围较广。

室内计算处理终端17的主要功能是用于存储现场采集的各类数据，同时基于对应的软件对数据进行分析，同时室内根据现场采集的数据可对黑土坡耕地的侵蚀状况进行数值计算分析，为侵蚀沟以及各类侵蚀破坏的进一步发展提供预测，供后续采取措施提供参考。

室内处理站18主要用于保护室内计算终端及各类数据存储设备。上述各类传感器均通过无线传输装置与智能化集成器通讯连接，传感器电源通过充电电池提供，电池通过无线充电技术进行充电，确保了传感器的正常工作，同时无线充电技术节约了早期传感器大量布线的成本，也避免了因布线受到的限制。

固定支架19主要用于安装固定整个激光扫描器系统和整个地面含水量监测系统，保证上述系统在复杂环境下的安装稳定性。

激光点阵发射探头20主要用于测试地表径流过程中发生激光点阵使用。

激光调节器21主要根据中枢控制系统发出的指令，将合适波长的激光输送至激光探头用于测量使用。

中枢控制系统22该系统主要根据现场气象站采集的数据情况判断室外使用的最佳激光效果，通过判别将指令发送至激光调节器。

进水口23主要用于黑土坡水流进入监测系统内部。

出水口24将测试结束后的水通过该出口排出监测系统。

化学成分监测传感器25主要用于地表径流水中化学成分的测试，包括阴阳离子含量以及ph等化学成分和环境的测试。

粒组成分传感器26主要用于测试地表径流中不同粒径颗粒的含量，能够通过该数据获得黑土坡耕地中流失的主要物质成分。

地表径流量传感器27主要用于测试地表径流量的大小。

数据采集控制系统28主要用于各个传感器数据的采集汇总，并将数据发送至智能化集成器。

转动控制器29能够根据采集需要对监测系统进行任意角度旋转，实现全方位监测。

数据采集识别系统30该系统的主要功能是根据前期输入的地面颜色变化与含水量之间的定量化校准曲线，对现场采集的黑土坡耕地表面颜色变化进行识别，进而将色差反映为含水量数据，该部分数据将结合现场埋设的水分传感器等进行比对分析，保障结果的准确性。

数据采集窗口31主要用于黑土坡耕地表面颜色变化数据的采集，并将数据及时传输至数据采集识别系统。

本发明的主要实施方式如下：

1)传感器安装。首先在现场通过岩土工程勘察，结合农业和其他产业的行业规范，在黑土坡耕地上确定传感器的布设位置，然后通过机械结合人工的方法开挖传感器埋设坑，然后将传感器固定至预先选定的位置。

2)传感器检测与调试。传感器安装完成后，首先用专门的设备检测各个传感器是否可以正常工作，在此基础上对传感器进行调试，确保各个传感器以及监测系统均可以正常使用。

3)传感器与智能化集成器通讯。利用无线传输装置将各个传感器及监测系统与智能化集成器进行通讯连接，保证数据能够正常、稳定传输。

4)侵蚀-自反馈系统运行。将现场的所有传感器和智能化集成器均打开，并于室内计算处理终端通讯连接，通过室内计算处理终端实时观察黑土坡的侵蚀状况，获得黑土坡耕地的侵蚀等级，并可以采取对应的防治措施。

5)侵蚀-自反馈系统维护。系统使用一段时间后，要实时监测各个传感器的工作状态，对于出现故障的传感器要进行及时维护与维修，确保整个系统可以正常运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。