一种土壤表面粗糙度检测装置及方法
【专利说明】一种土壤表面粗糙度检测装置及方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于微波遥感研究和应用领域，具体涉及一种土壤表面粗糙度检测装置及 方法。 【【背景技术】】
[0002] 土壤水分的时空分布是水文、气象等领域研究的重要参数，土壤表面的粗糙度又 是表征土壤水文特性和影响土壤性质的一个重要参数。微波遥感因其全天时、全天候对地 观测以及较强的穿透能力成为土壤水分反演的重要手段。在微波遥感反演土壤水分的研究 中，土壤表面粗糙度是影响后向散射的重要因素，因此，需要准确测量土壤表面粗糙度，土 壤表面粗糙度在垂直于水平尺度上分别利用均方根高度和相关长度两个参数进行表征。
[0003] 野外实地测量土壤表面粗糙度参数的方法主要有针式剖面仪法、剖面板法和激光 剖面仪法。用剖面板法测量时，将剖面板插入地表，用数码相机拍下剖面板与地表的交界 线，将其数字化后在剖面上隔一定距离取离散点，通过这些离散数据，计算均方根高度和相 关长度。
[0004] 目前，土壤表面粗糙度大多使用剖面板法测量，剖面板类型众多，但是与本发明所 述的便携式土壤表面粗糙度测量装置相比，携带麻烦、采集速度慢、测量精度低、耗时耗力。 土壤表面粗糙度测量方法诸多，与本发明测量方法相比，本发明所采用的测量方法原理简 单、处理周期短、计算结果精度可靠。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种土壤表面粗糙度检测装置及方法，本 装置携带便利、操作简单、采集速度快、测量精度高，适用于野外实地土壤表面粗糙度测量。
[0006] 为了达到上述目的，一种土壤表面粗糙度检测装置，包括通过四个测量装置组成 的框型本体，框型本体底部的四个角上均设置有升降调位装置，升降调位装置的底部设置 有脚架，框型本体的顶部设置有若干水准气泡；
[0007] 所述测量装置包括支撑框架，支撑框架的背板为刻度面板，刻度面板与支撑框架 间设置有若干能够与地面接触的探针，所有探针长度相同。
[0008] 所述相邻的测量装置通过合页连接，并在连接处设置有测量板卡锁装置。
[0009] 所述若干水准气泡分别设置在四个框型本体的顶部中心。
[0010] 所述探针顶部设置有探针顶帽，底部具有探针针底。
[0011] 所述支撑框架的下部设置有用于控制探针收起与释放的卡片装置，以及用于控制 卡片装置的卡片卡锁装置。
[0012] 所述测量装置的顶部设置有一对把手。
[0013] -种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤一，将通过四个测量装置组成的框型本体置于表征土壤上；
[0015] 步骤二，通过升降调位装置调节各个脚架的高度，使测量装置顶部的所有水准气 泡中的气泡居中为止；
[0016] 步骤三，释放探针，使探针与表征土壤表面自然接触；
[0017] 步骤四，使用照相机对每个测量装置进行拍照，得到探针在刻度面板上的所指刻 度，获取表征土壤表面粗糙度的图片；
[0018] 步骤五，重复若干次步骤一至步骤四，得到表征土壤表面粗糙度的图片；
[0019] 步骤六，对获取的每一张表征土壤表面粗糙度的图片在ArcGI S10.3软件中获取表 征土壤表面粗糙度的点序列；
[0020] 步骤七，根据点序列与均方根高度和相关长度公式，即可得到表征土壤表面粗糙 度。
[0021] 所述步骤三中，打开卡片卡锁装置，卡片装置引导探针针底与表征土壤表面自然 接触。
[0022] 所述步骤六中，ArcGISlO. 3软件中获取表征土壤表面粗糙度的点序列的过程如 下：
[0023]第一步，在ESRI ArcCataloglO.3软件中加载表征土壤表面粗糙度的图片，对图片 进行坐标系的定义，然后在ESRI ArcMaplO.3中加载定义好坐标系的图片，设置显示单位为 厘米，进行几何校正，几何校正采用四个已知坐标，分别是:测量装置左下角（〇,〇)，测量装 置左上角(0,60)，测量装置右上角（100,60)，测量装置右下角（100,0);
[0024] 第二步，在ESRI ArcCataloglO.3软件中创建一个线要素，坐标系统跟第一步所述 的四个已知坐标一致，然后在ESRI ArcMaplO.3中加载线要素和几何校相同的图片，对图片 中的探针针帽进行矢量化，生成表征土壤表面起伏变化的曲线；
[0025]第三步，在ESRI ArcMap 10.3中，利用系统提供的"值提取至点"工具，对曲线进行 等间隔取样，间隔设置为lcm，即可获取表征土壤表面粗糙度的点序列。
[0026] 所述均方根高度通过以下算法得出：
[0027] 若一个表面位于x-y平面内，且该平面的中心位于原点处，平面上任意一点的坐标 为(x，y)，高度z(x，y)，在横向与纵向分别取Lx和Ly，则该表面的平均高度表示为：
[0028]
[0029]其二阶矩就是：
[0030]
[0031] 表面高度的标准离差s，由下式表示：
[0032]
[0033] 对于一维离散数据，表面高度的标准偏差s为：
[0034]
_ 1. N..
[0035] 其中，艺=7 ；N--取样数； ?、?-.1
[0036] 所述相关长度通过如下算法得出：
[0037] z(x)表示一维表面的剖视值，其归一化自相关函数如下：
[0038]
[0039] pV )度量的是X点和与它偏离的另一点X'的高度值zUhzU+x')之间的相似性， 对于离散数据，距离为V =( j_l) A X( j为自然数)的归一化自相关函数的表达式为：
[0040]
i为Μ的整数
[0041 ]当ρ(χ' ) = Ι/e时，间隔值V就等于表面相关长度1。
[0042]与现有技术相比，本发明的装置通过长度相同的探针与地面接触，从而在刻度面 板上显示度数，通过计算可得出被测土壤的表面粗糙度，本发明的装置携带便利、操作简 单、采集速度快、测量精度高，并适用于粗糙度较大的土壤便面测量。
[0043]进一步的，本发明具有卡片装置和卡片卡锁装置，能够收起或释放探针，对探针起 到保护作用，降低探针变形对测量精度的影响。
[0044] 本发明的方法对调平的测量装置四个测量面用照相机进行平视拍照，基于ESRI ArcGISlO. 3软件，对获取的图片进行几何校正、数字化和提取表征土壤表面的点阵列，然后 再利用提取的点数据根据粗糙度计算公式计算表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关 长度，为微波遥感的研究与应用提供基础和保障，本发明所采用的测量方法原理简单、处理 周期短、计算结果精度可靠。 【【附图说明】】
[0045] 图1为本发明土壤表面粗糙度检测装置的结构示意图；
[0046] 图2为本发明土壤表面粗糙度检测装置的俯视图；
[0047]图3为本发明土壤表面粗糙度检测装置的正视图；
[0048]图4为本发明本发明土壤表面粗糙度检测方法的流程图。 【【具体实施方式】】
[0049]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0050] 参见图1至图3,一种土壤表面粗糙度检测装置，包括通过四个测量装置组成的框 型本体，相邻的测量装置通过合页6连接，并在连接处设置有测量板卡锁装置2，框型本体底 部的四个角上均设置有升降调位装置4,升降调位装置4的底部设置有脚架3,框型本体的顶 部设置有若干水准气泡6,若干水准气泡5分别设置在四个框型本体的顶部中心，测量装置 的顶部设置有一对把手1;
[0051] 测量装置包括支撑框架9,支撑框架9的背板为刻度面板10,刻度面板10与支撑框 架9间设置有若干能够与地面接触的探针11，所有探针11长度相同，探针11顶部设置有探针 顶帽12,底部具有探针针底13,支撑框架9的下部设置有用于控制探针11收起与释放的卡片 装置7,以及用于控制卡片装置7的卡片卡锁装置8，
[0052]参见图4,一种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
[0053] ST1.选择具有代表性、典型性的区域。
[0054] ST2.将单个测量板合住卡锁装置打开，将两个测量板之间利用卡锁装置进行固 定，将整个装置尽可能平行放置于测量区域。