專利名稱：測量土壤風(fēng)蝕量的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力侵蝕監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域及自動監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量土壤風(fēng)蝕量的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在中國北方干旱、半干旱及半濕潤地區(qū)，土壤風(fēng)蝕成為土地退化的主要原因之一。 土壤風(fēng)蝕造成的土地退化已經(jīng)嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由于風(fēng)蝕將地表土壤顆粒進(jìn)行時空上的重新分布和分選，所以必然會對所作用到的土壤以及與土壤有關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動乃至社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深刻、深遠(yuǎn)的影響。風(fēng)蝕量(或稱風(fēng)蝕速率)是進(jìn)行分級分類和制定防風(fēng)蝕措施規(guī)劃的重要指標(biāo)和依據(jù)之一。由于缺乏合適的觀測儀器以及處理這一問題的科學(xué)哲學(xué)和邏輯學(xué)上的困難、一直沒有取得滿意的結(jié)果。目前對于中國北方土壤風(fēng)蝕量的估算主要有三種途徑第一種途徑是野外調(diào)查相關(guān)地形、地物標(biāo)志，如風(fēng)蝕土墩、風(fēng)蝕坑、建筑物基部風(fēng)鐘出露狀況等，估計或確定其年代后再估算風(fēng)蝕速率；或者在典型調(diào)查中選定采樣方塊采用插針法或地形測量法估算風(fēng)蝕速率。第二種途徑是利用儀器實(shí)地觀測地表風(fēng)沙流輸沙率，結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗計算風(fēng)蝕量。第三種途徑是在某些理論假設(shè)前提下通過取樣分析后用數(shù)學(xué)方法估算風(fēng)蝕強(qiáng)度。顯然，這些方法都還很不完善，所取得的結(jié)果相差十分懸殊，因而只能作為評估區(qū)域風(fēng)蝕相對強(qiáng)弱趨勢的一種參考，不能對風(fēng)蝕做精確的實(shí)驗分析與預(yù)報。應(yīng)用風(fēng)洞實(shí)驗測定的風(fēng)蝕強(qiáng)度，目前也只能是用定量數(shù)據(jù)定性地描述試驗樣品抗風(fēng)蝕的相對強(qiáng)弱。應(yīng)用系統(tǒng)仿真方法目前對于變量的選取、邊界條件的確定、內(nèi)部參數(shù)間的因果關(guān)系等都還不清楚，其結(jié)果與實(shí)際風(fēng)蝕量也相差很遠(yuǎn)。當(dāng)然，這些方法都是值得進(jìn)一步研究的，在解決土壤風(fēng)蝕問題過程中，都不失為有價值的研究途徑。尤其是對于上述第一種方法中，目前尚無測量設(shè)備可以通過土壤風(fēng)蝕微地表變化獲取土壤風(fēng)蝕量的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致風(fēng)蝕量理論計算值與實(shí)際值存在較大的誤差，成為風(fēng)蝕研究中的一個關(guān)鍵瓶頸問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)土壤風(fēng)蝕量的自動測量。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種測量土壤風(fēng)蝕量的裝置，包括支柱，矩形支架，縱向電機(jī)，橫向支架，橫向電機(jī)，激光探頭；其中，所述矩形支架由所述支柱支撐；所述橫向支架的左右兩端安裝于矩形支架上；所述縱向電機(jī)安裝于橫向支架一側(cè)；所述橫向電機(jī)安裝于橫向支架上；所述激光探頭固定安裝于橫向電機(jī)的底部。其中，所述橫向支架能夠在矩形支架的寬度方向上移動；所述激光探頭能夠在橫向支架長度方向上移動。其中，所述矩形支架的寬度方向上的兩條邊上部為齒條導(dǎo)軌，所述橫向支架左右兩端通過齒輪安裝于矩形支架上。其中，還包括數(shù)據(jù)采集與控制器，分別與所述橫向電機(jī)、縱向電機(jī)及激光探頭連接。其中，還包括上位機(jī)，與所述數(shù)據(jù)采集與控制器連接，所述上位機(jī)用于處理來自所述數(shù)據(jù)采集與控制器的數(shù)據(jù)，以得到土壤風(fēng)蝕量。其中，還包括電源，分別與縱向電機(jī)、橫向電機(jī)、激光探頭、數(shù)據(jù)采集與控制器及上位機(jī)連接。其中，所述數(shù)據(jù)采集與控制器包括信號調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊， 控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中，所述信號調(diào)理模塊用于接收所述激光探頭的信號，對信號進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集所述信號調(diào)理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)存儲模塊或所述數(shù)據(jù)傳輸模塊；所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于保存所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)傳輸模塊；所述控制模塊用于控制所述縱向電機(jī)及所述橫向電機(jī)的移動；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將所述數(shù)據(jù)采集模塊或所述數(shù)據(jù)存儲模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)上傳給所述上位機(jī)。本發(fā)明還提供了一種利用所述的裝置測量土壤風(fēng)蝕量的方法，包括以下步驟Sl 將所述裝置放置于被測沙土上方，所述數(shù)據(jù)采集與控制器控制激光探頭移動到起始位置；S2 所述數(shù)據(jù)采集與控制器控制橫向電機(jī)沿橫向支架從左向右移動，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；
S3:當(dāng)激光探頭移動到橫向支架最右端時，數(shù)據(jù)采集與控制器按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)驅(qū)動橫向支架向下移動一個距離間隔；S4 所述數(shù)據(jù)采集與控制器控制橫向電機(jī)沿橫向支架從右向左移動，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；S5:當(dāng)激光探頭移動到橫向支架最左端時，數(shù)據(jù)采集與控制器按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)驅(qū)動橫向支架向下移動一個距離間隔；S6:重復(fù)步驟S2-S5，直到橫向支架移動到矩形支架的最下端，一個采樣周期結(jié)束；S7 所述上位機(jī)根據(jù)一個采樣周期采集到的沙土高度數(shù)據(jù)，生成被測量區(qū)域的三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)計算出被測區(qū)域的沙土容量；S8:按預(yù)先設(shè)定的時間間隔，重復(fù)步驟S1-S7，開始下一個采樣周期，并將兩次測量所得的沙土容量相減，得到這一時間間隔內(nèi)被測區(qū)域由于風(fēng)力侵蝕所產(chǎn)生的風(fēng)蝕量。(三)有益效果
5
本發(fā)明通過對縱向電機(jī)和橫向電機(jī)的自動控制，實(shí)現(xiàn)了自動測量被測區(qū)域的三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)，從而可得到被測區(qū)域由于風(fēng)力侵蝕所產(chǎn)生的微地表特征變化，同時自動計算出由此所產(chǎn)生的風(fēng)蝕量，測量過程自動完成，測量結(jié)果準(zhǔn)確。本發(fā)明所提供的激光土壤風(fēng)蝕測量儀，適用于野外風(fēng)蝕監(jiān)測，尤其適用于在惡劣的環(huán)境與氣候，無需人工現(xiàn)場操作，即可完成數(shù)據(jù)采集。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的裝置的正視圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的裝置的俯視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的裝置的控制電路原理圖；其中，1 支柱；2 矩形支架；3 縱向電機(jī)；4 橫向支架；5 橫向電機(jī)；6 激光探頭；7 數(shù)據(jù)采集與控制器；8 信號線；9 電源；10 上位機(jī)；11 信號調(diào)理模塊；12 數(shù)據(jù)采集模塊；13 數(shù)據(jù)存儲模塊；14 控制模塊；15 數(shù)據(jù)傳輸模塊；16 被測沙石。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。結(jié)合圖1 3所示，本發(fā)明提供了一種測量土壤風(fēng)蝕量的裝置，在此稱為激光土壤風(fēng)蝕測量儀，包括支柱1，矩形支架2，縱向電機(jī)3，橫向支架4，橫向電機(jī)5，激光探頭6 ；其中，所述矩形支架2的四個角由四根所述支柱1支撐，測量時被測沙土 16位于矩形支架2的下方；所述橫向支架4的左右兩端通過齒輪安裝于矩形支架2上；所述縱向電機(jī)3安裝于橫向支架4 一側(cè)；所述橫向電機(jī)5安裝于橫向支架4上；所述激光探頭6固定安裝于橫向電機(jī)5的底部。所述矩形支架2的寬度方向上的兩條邊上部為齒條導(dǎo)軌，因此縱向電機(jī)3在數(shù)據(jù)采集與控制器7的控制下，可驅(qū)動所述橫向支架4在矩形支架2的寬度方向上縱向移動；橫向電機(jī)5在數(shù)據(jù)采集與控制器7的控制下，驅(qū)動所述激光探頭6在橫向支架4長度方向上橫向移動。數(shù)據(jù)采集與控制器7通過信號線8分別與所述橫向電機(jī)5縱向電機(jī)3及激光探頭 6連接。還包括上位機(jī)10，與所述數(shù)據(jù)采集與控制器7連接，上位機(jī)10用于處理來自所述數(shù)據(jù)采集與控制器7的數(shù)據(jù)，以得到土壤風(fēng)蝕量(具體的處理方式見下面的方法描述)。上位機(jī)10還向數(shù)據(jù)采集與控制器7下發(fā)控制命令，其可以是普通PC機(jī)，也可以是可移動終端。還包括電源9，分別與縱向電機(jī)3、橫向電機(jī)5、激光探頭6、數(shù)據(jù)采集與控制器7及上位機(jī)10連接，為它們供電，可以是普通蓄電池，或太陽能供電，或太陽能蓄電池，若采用太陽能電源供電，且數(shù)據(jù)傳輸方式采用無線方式，則實(shí)現(xiàn)了完全無線功能，特別適合于田間野外不宜布線的工作環(huán)境。所述數(shù)據(jù)采集與控制器7包括信號調(diào)理模塊11，數(shù)據(jù)采集模塊12，數(shù)據(jù)存儲模塊 13，控制模塊14，數(shù)據(jù)傳輸模塊15 ；其中，
所述信號調(diào)理模塊11用于接收所述激光探頭6的信號，對信號進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集模塊12 ；對信號進(jìn)行調(diào)理包括信號放大、濾波、整形等方法，均為現(xiàn)有常用的信號調(diào)理方法。所述數(shù)據(jù)采集模塊12用于采集所述信號調(diào)理模塊11發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)存儲模塊13或所述數(shù)據(jù)傳輸模塊15 ；所述數(shù)據(jù)存儲模塊13用于保存所述數(shù)據(jù)采集模塊12采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)傳輸模塊15 ；所述控制模塊14用于控制所述縱向電機(jī)3及所述橫向電機(jī)5的移動；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊15用于將所述數(shù)據(jù)采集模塊12或所述數(shù)據(jù)存儲模塊13發(fā)送的數(shù)據(jù)上傳給所述上位機(jī)10。數(shù)據(jù)傳輸模塊15與上位機(jī)10的通訊方式可以為普通串行口通訊、USB通訊，或無線傳輸通訊。本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置測量土壤風(fēng)蝕量的方法，包括以下步驟Sl 將所述裝置放置于被測沙土上方，所述數(shù)據(jù)采集與控制器7按預(yù)先設(shè)定的參數(shù)將激光探頭6位置歸零(回到起始位置)，即將激光探頭6移動到矩形支架2的左上角位置(從俯視2來看)；S2 所述數(shù)據(jù)采集與控制器7控制橫向電機(jī)5沿橫向支架4從左向右移動(從俯視2來看)，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭6測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；S3 當(dāng)激光探頭6移動到橫向支架4最右端時，數(shù)據(jù)采集與控制器7按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)3驅(qū)動橫向支架4向下移動一個距離間隔；S4 所述數(shù)據(jù)采集與控制器7控制橫向電機(jī)5沿橫向支架4從右向左移動，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭6測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；S5 當(dāng)激光探頭6移動到橫向支架4最左端時，數(shù)據(jù)采集與控制器7按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)3驅(qū)動橫向支架4向下移動一個距離間隔；S6 重復(fù)步驟S2-S5，直到橫向支架4移動到矩形支架2的最下端，一個采樣周期結(jié)束；S7 所述上位機(jī)根據(jù)一個采樣周期采集到的沙土高度數(shù)據(jù)，生成被測量區(qū)域的三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)計算出被測區(qū)域的沙土容量；其中，根據(jù)高度數(shù)據(jù)生成三維微地表特征形態(tài)可利用MATLAB軟件包的mesh函數(shù)生成， 或是其他軟件包的相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)；根據(jù)三維微地表形態(tài)數(shù)據(jù)計算沙土容量的方法是根據(jù)每
η
個測量點(diǎn)的高度、乘以該測量點(diǎn)的底面積Si后求和得到XhiS1，其中n為表示測量點(diǎn)的
i=\
總個數(shù)。S8:按預(yù)先設(shè)定的時間間隔，重復(fù)步驟S1-S7，開始下一個采樣周期，并將兩次測量所得的沙土容量相減，得到這一時間間隔內(nèi)被測區(qū)域由于風(fēng)力侵蝕所產(chǎn)生的風(fēng)蝕量。上述過程中，通過上位機(jī)10對數(shù)據(jù)采集與控制器7進(jìn)行控制，或?qū)︻A(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行修改。以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測量土壤風(fēng)蝕量的裝置，其特征在于，包括支柱(1)，矩形支架O)，縱向電機(jī)(3)，橫向支架(4)，橫向電機(jī)(5)，激光探頭(6)；其中，所述矩形支架O)由所述支柱(1)支撐；所述橫向支架的左右兩端安裝于矩形支架⑵上；所述縱向電機(jī)⑶安裝于橫向支架⑷一側(cè)；所述橫向電機(jī)(5)安裝于橫向支架(4)上；所述激光探頭(6)固定安裝于橫向電機(jī)(5)的底部。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述橫向支架⑷能夠在矩形支架(2)的寬度方向上移動；所述激光探頭(6)能夠在橫向支架(4)長度方向上移動。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述矩形支架(2)的寬度方向上的兩條邊上部為齒條導(dǎo)軌，所述橫向支架(4)左右兩端通過齒輪安裝于矩形支架( 上。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)采集與控制器(7)，分別與所述橫向電機(jī)(5)、縱向電機(jī)(3)及激光探頭(6)連接。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括上位機(jī)(10)，與所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)連接，所述上位機(jī)(10)用于處理來自所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)的數(shù)據(jù)，以得到土壤風(fēng)蝕量。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括電源(9)，分別與縱向電機(jī)(3)、橫向電機(jī)(5)、激光探頭(6)、數(shù)據(jù)采集與控制器(7)及上位機(jī)(10)連接。
7.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)包括信號調(diào)理模塊(11)，數(shù)據(jù)采集模塊(12)，數(shù)據(jù)存儲模塊(13)，控制模塊(14)，數(shù)據(jù)傳輸模塊(15)；其中，所述信號調(diào)理模塊(11)用于接收所述激光探頭(6)的信號，對信號進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集模塊(12)；所述數(shù)據(jù)采集模塊(1 用于采集所述信號調(diào)理模塊(11)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)存儲模塊(1 或所述數(shù)據(jù)傳輸模塊(15)；所述數(shù)據(jù)存儲模塊(1 用于保存所述數(shù)據(jù)采集模塊(1 采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)傳輸模塊(15)；所述控制模塊(14)用于控制所述縱向電機(jī)C3)及所述橫向電機(jī)(5)的移動； 所述數(shù)據(jù)傳輸模塊(1 用于將所述數(shù)據(jù)采集模塊(1 或所述數(shù)據(jù)存儲模塊(13)發(fā)送的數(shù)據(jù)上傳給所述上位機(jī)(10)。
8.一種利用權(quán)利要求5或6所述的裝置測量土壤風(fēng)蝕量的方法，其特征在于，包括以下步驟51將所述裝置放置于被測沙土上方，所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)控制激光探頭(6)移動到起始位置；52所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)控制橫向電機(jī)( 沿橫向支架(4)從左向右移動，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭(6)測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；53當(dāng)激光探頭(6)移動到橫向支架⑷最右端時，數(shù)據(jù)采集與控制器(7)按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)⑶驅(qū)動橫向支架向下移動一個距離間隔；54所述數(shù)據(jù)采集與控制器(7)控制橫向電機(jī)( 沿橫向支架(4)從右向左移動，同時實(shí)時連續(xù)采集激光探頭(6)測量到的沙土高度數(shù)據(jù)并保存；55當(dāng)激光探頭(6)移動到橫向支架⑷最左端時，數(shù)據(jù)采集與控制器(7)按預(yù)先設(shè)定的距離間隔控制縱向電機(jī)⑶驅(qū)動橫向支架⑷向下移動一個距離間隔；56重復(fù)步驟S2-S5，直到橫向支架(4)移動到矩形支架O)的最下端，一個采樣周期結(jié)束；57所述上位機(jī)根據(jù)一個采樣周期采集到的沙土高度數(shù)據(jù)，生成被測量區(qū)域的三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述三維微地表特征形態(tài)數(shù)據(jù)計算出被測區(qū)域的沙土容量；58按預(yù)先設(shè)定的時間間隔，重復(fù)步驟S1-S7，開始下一個采樣周期，并將兩次測量所得的沙土容量相減，得到這一時間間隔內(nèi)被測區(qū)域由于風(fēng)力侵蝕所產(chǎn)生的風(fēng)蝕量。 全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力侵蝕監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域及自動監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種測量土壤風(fēng)蝕量的裝置，包括支柱(1)，矩形支架(2)，縱向電機(jī)(3)，橫向支架(4)，橫向電機(jī)(5)，激光探頭(6)；其中，所述矩形支架(2)的四個角由四根所述支柱(1)支撐；所述橫向支架(4)的左右兩端安裝于矩形支架(2)上；所述縱向電機(jī)(3)安裝于橫向支架(4)一側(cè)；所述橫向電機(jī)(5)安裝于橫向支架(4)上；所述激光探頭(6)固定安裝于橫向電機(jī)(5)的底部。本發(fā)明還公開了一種利用上述裝置測量土壤風(fēng)蝕量的方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)土壤風(fēng)蝕量的自動測量。
文檔編號G01M9/06GK102419248SQ20111024048
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者孫宇瑞, 林劍輝, 蔡祥, 陳世超 申請人:北京林業(yè)大學(xué)