一种土壤侵蚀量定时测量装置
阅读说明：本技术 一种土壤侵蚀量定时测量装置 (Soil erosion amount timing measuring device ) 是由 朱昊宇 夏小林 姬钰 汪邦稳 张世杰 张靖雨 刘旦旦 张卫 赵黎明 龙昶宇 王浩 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种土壤侵蚀量定时测量装置,包括激光测距器、测量机器人、定时控制模块、数据临时存储模块、数据远程传送模块、控制终端。所述测量机器人控制激光测距器按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第一轮扫描,采集得到第一轮间距测量值；通过定时控制模块控制第二轮扫描的时间间隔,所述测量机器人控制激光测距器按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第二轮扫描,采集得到第二轮间距测量值；通过数据远程传送模块将第一轮间距测量值和第二轮间距测量值发送至控制终端,在控制终端处进行运算,得到坡面的土壤侵蚀量。本发明不需在坡面上布置传感器或测钉,不易发生丢失,且测量点密度更大,更能保证实验和测量结果。(The invention relates to a soil erosion amount timing measuring device which comprises a laser range finder, a measuring robot, a timing control module, a data temporary storage module, a data remote transmission module and a control terminal. The measuring robot controls the laser range finder to perform first scanning on the slope surface according to the specified track and the specified frequency, and a first round of distance measurement value is acquired; controlling the time interval of second round scanning by a timing control module, and controlling a laser range finder to perform second round scanning on the slope surface by the measuring robot according to the specified track and the specified frequency, and acquiring a second round distance measurement value; and sending the first wheel interval measurement value and the second wheel interval measurement value to a control terminal through a data remote transmission module, and calculating at the control terminal to obtain the soil erosion amount of the slope. According to the invention, a sensor or a measuring nail is not required to be arranged on the slope, the loss is not easy to occur, the density of measuring points is higher, and the experiment and measuring results can be better ensured.)
技术领域
本发明涉及一种土壤侵蚀量定时测量装置，属于水土保持监测技术领域。
背景技术
传统的土壤侵蚀量是采用“钢钎法”进行测量。在开发建设项目水土保持监测工作最重要的监测指标即为土壤侵蚀量的监测，其是人工定期将所需监测的各个仪器带至监测点，各仪器独立工作，并将监测结果进行记录的方式。该方法要求测量人员定期到达现场进行监测，同时，每次需携带大量仪器设备，而且，人工测量、记录存在较大误差和诸多不确定性因素，严重影响监测的准确性。
现有“钢钎法”来对土壤侵蚀量的测量是一项成熟技术，例如，可参考期刊《技术与市场》2013年第08期，作者：刘峻明、王前英的论文《水利工程施工中水土流失量的测定》。
在钢钎法中由于测钉(钢钎)是竖直的顶入坡面的，以其中一个测钉所在坡面单元为例进行说明，如图1所示，该坡面单元原来的坡面是斜实线，水土流失后的坡面为斜虚线，β是水土流失后的坡角，γ是测钉与水土流失后坡面之间的夹角，β与γ互余；由于目前测量的坡面在测钉处的变化值，即H；由此可推算出原测钉在坡面的钉入点与水土流失后的坡面之间的垂直距离为h，h＝H·sinγ＝H·cosβ，而β和H是目前的测量值。那么该坡面单元的水土流水量Q＝Vρ，ρ为土壤的容重；Q取决于V，V＝S·H·cos β，S是该测钉所在单元的规则图形的面积，例如是以测钉为中心的矩形，S也是可以计算得到。因此，可计算出单个测钉所在单元的水土流水量Q，总水土流失量Qd就是将所有测钉所在单元的水土流水量Q相加即可。
上述“钢钎法”对土壤侵蚀量的测量，所得到的Qd主要取决于β、H、 S，需要测量的变量很多；并且，需要针对每一根测钉都需要人工测量出对应的β、H、S，操作繁琐；再加上，由于坡面限制，插入的“钢钎”数量有限，80m2的坡面才设置有12根，再加上整个坡面不同的区域所对应的坡角有可能是各不相同的，也就是β在不同位置大小可能存在一定的差距，而计算得到的h＝H·cosβ，β也会在一定程度上影响到h的精度；而目前的测量方法是忽略这个值所带来的影响。因此，样本量少(钢钎数量)、计算得到的h值误差大，最终测得的水土流失量的精度误差较大。
而对于现有的“钢钎法”来说，如果想要降低测量误差，理论上最可行的操作是，保证每次测量时，“钢钎”的长度方向与坡面始终垂直，而这种操作明显不现实，因为坡面常常会存在凹凸不平之处。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种土壤侵蚀量定时测量装置，具体技术方案如下：
所述土壤侵蚀量定时测量装置，包括：
激光测距器，用来测量其与坡面之间的间距，得到间距测量值；
测量机器人，所述激光测距器固定安装在测量机器人的移动端，所述测量机器人控制激光测距器按照指定的轨迹与频率对坡面进行扫描并采集间距测量值；
定时控制模块，用来控制相邻两轮测量的时间间隔；
数据临时存储模块，用来临时储存数据；
数据远程传送模块，用来将临时储存数据发送至控制终端；
控制终端，对发送来的数据进行运算。
作为上述技术方案的改进，所述测量机器人控制激光测距器按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第一轮扫描，采集得到第一轮间距测量值；通过定时控制模块控制第二轮扫描的时间间隔，所述测量机器人控制激光测距器按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第二轮扫描，采集得到第二轮间距测量值；第一轮扫描过程中的指定轨迹与第二轮扫描过程中的指定轨迹相同，第一轮扫描过程中的指定频率与第二轮扫描过程中的指定频率相等；通过数据远程传送模块将第一轮间距测量值和第二轮间距测量值发送至控制终端，在控制终端处进行运算，得到坡面的土壤侵蚀量。
作为上述技术方案的改进，所述控制终端的运算方法包括如下过程：
相同测量点的第一轮间距测量值与第二轮间距测量值之差的绝对值为Δh，
Vd＝∑Δh·ΔS，
ΔS为一个坡面单元所对应的面积，根据坡面的总面积除以坡面单元的总数量即可得到ΔS，坡面单元的总数量即等于第一轮/第二轮测量过程中所有测量点的数量；
Qd＝Vd·ρ，ρ为坡面处土壤的容重，Vd为水土流失的总体积，Qd为该处坡面的土壤侵蚀量。
作为上述技术方案的改进，所述第一轮/第二轮扫描过程中的指定轨迹为“己”字状结构、同心圆状结构、螺旋状结构中的一种；每一轮扫描过程中，相邻测量点之间呈等间距设置。
作为上述技术方案的改进，每一轮扫描过程中，测量点的密度为 300～350个/平方米。
作为上述技术方案的改进，如果存在多处需要测量的坡面，所述土壤侵蚀量定时测量装置还包括安装在测量机器人处的工业相机；在每一个需要测量的坡面设置有三处呈三角状排列的固定标记，当通过测量机器人和激光测距器对上一个坡面测量完成之后，通过测量机器人控制激光测距器和工业相机对准第二处坡面，工业相机分别对第二处坡面的三处固定标记进行拍照得到实时调整图像，对实时调整图像与数据临时存储模块处存储的预设图像进行相似度运算，得到对应固定标记的相似度值；
当三处固定标记所对应的相似度值均大于预设阙值，即判定此时的工业相机和激光测距器对准第二处坡面；
如果任一处固定标记所对应的相似度值小于预设阙值，即判定此时的工业相机和激光测距器不对准第二处坡面，通过测量机器人重新调整工业相机和激光测距器的位置，直至工业相机和激光测距器对准第二处坡面。
作为上述技术方案的改进，所述固定标记为“十”字状、“米”字状、“X”字状、“Y”字状、“O”字状中的一种，单个坡面的三个固定标记各不相同。
作为上述技术方案的改进，第一轮扫描以及第二轮扫描过程中，所述激光测距器的运动轨迹均处于同一竖直的平面。
作为上述技术方案的改进，所述测量机器人为四轴机器人或六轴机器人。
本发明的有益效果：
1)、本发明所述土壤侵蚀量定时测量装置以及对应测量方法是与“钢钎法”进行对比，是对传统“钢钎法”进行升级改造并且本发明优于传统“钢钎法”。与简易坡面测量法(“钢钎法”)相比，不需在坡面上布置传感器或测钉，不易发生丢失，且测量点密度更大，更能保证实验和测量结果。
2)、本发明与现有的“钢钎法”相比，一次测量过程中，采集的样品量巨大，是现有技术中的数据采集量所无法企及的；再加上，本发明能够直接测量能够得到Δh，这相比现有计算得到的h来说，Δh所得到的值更精确！因此，本发明所测量得到的水土流失量更精确。
3)、虽然本发明所需测量的数据样本量大，但是其采用测量机器人进行远程、自动测量并采集，操作简单方便，节省人力物力，测量效率高。可实现测量自动化，可人工调整测量频次以满足测量要求，可实现远程接收数据，减少人工现场测量频率，节约人工成本。
4)、激光测距能够远距离测量，能够适应不同坡型的监测，同时，还能够对同区域的不同坡面分批进行测量，操作简单方便。
5)、与坡面侵蚀沟测量法相比，本发明不仅能测量形成侵蚀沟的坡面，更能测量并未形成侵蚀沟的坡面，且比起传统的侵蚀沟法用皮尺测量的方式来说，更加精确实用。
6)、与沉沙池法相比较，不需要开发排水沟和沉沙池，减少人为扰动带来的误差。
7)、与径流小区法相比，不需要花费大的人力物力来专门布设径流小区，且不会由于对径流小区的保护而影响工程施工进度，更适用于建设生产项目。
8)、测量所得到的数据可临时存储以及无线传输，并可以现场导出，减少意外故障导致的数据丢失。
附图说明
图1为现有“钢钎法”的测量原理图；
图2为本发明所述土壤侵蚀量定时测量装置的结构示意图；
图3为本发明所述激光测距器对坡面进行间距测量的原理图；
图4为本发明所述坡面分割为坡面单元的原理图；
图5为实施例2所述指定轨迹的示意图；
图6为实施例3所述指定轨迹的示意图；
图7为实施例4所述指定轨迹的示意图；
图8为试验A中测量误差与钢钎数量之间的曲线图；
图9为试验B中测量误差与测量点密度之间的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图2所示，所述土壤侵蚀量定时测量装置，包括：
激光测距器10，用来测量其与坡面之间的间距，得到间距测量值；
测量机器人20，所述激光测距器10固定安装在测量机器人20的移动端，所述测量机器人20控制激光测距器10按照指定的轨迹与频率对坡面进行扫描并采集间距测量值；
定时控制模块，用来控制相邻两轮测量的时间间隔；
数据临时存储模块，用来临时储存数据；
数据远程传送模块，用来将临时储存数据发送至控制终端；
控制终端，对发送来的数据进行运算。
所述土壤侵蚀量定时测量装置的测量原理如下：
所述测量机器人20控制激光测距器10按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第一轮扫描，采集得到第一轮间距测量值；通过定时控制模块控制第二轮扫描的时间间隔，所述测量机器人20控制激光测距器10按照指定轨迹与指定频率对坡面进行第二轮扫描，采集得到第二轮间距测量值；第一轮扫描过程中的指定轨迹与第二轮扫描过程中的指定轨迹相同，第一轮扫描过程中的指定频率与第二轮扫描过程中的指定频率相等；通过数据远程传送模块将第一轮间距测量值和第二轮间距测量值发送至控制终端，在控制终端处进行运算，得到坡面的土壤侵蚀量。
其中，为保证前后两轮扫描的过程中，前后两个测量点处于相同位置且一一对应；第一轮扫描以及第二轮扫描过程中，所述激光测距器10的运动轨迹均处于同一竖直的平面。
更进一步地，所述测量机器人20为四轴机器人或六轴机器人。
更进一步地，所述控制终端的运算方法包括如下过程：
相同测量点的第一轮间距测量值与第二轮间距测量值之差的绝对值为Δh，
Vd＝∑Δh·ΔS，
ΔS为一个坡面单元所对应的面积，根据坡面的总面积除以坡面单元的总数量即可得到ΔS，坡面单元的总数量即等于第一轮/第二轮测量过程中所有测量点的数量；
Qd＝Vd·ρ，ρ为坡面处土壤的容重，Vd为水土流失的总体积，Qd为该处坡面的土壤侵蚀量。
在本发明的数据采集过程中，在本实施例中，为方便与背景技术中的h 进行区别，用Δh表示。现有技术中的h是通过计算得到，并且h还受到β的制约。在本实施例中，激光测距器10对坡面进行测量得到间距测量值，其原理见图3。而在本实施例中，由于扫描轨迹(指定轨迹)存在有几百个、几千个甚至上万个扫描点(测量点)，每个扫描点即对应一个坡面单元(见图4)。根据实验研究发现：如果坡面单元的数量足够多时，坡面单元可近似认为其为一个规则图形(如长方体或正方体结构，而不是带斜面的结构)，最大限度忽略斜面带来的影响，如图4所示；在该种情况下，对于Δh来说，可忽略坡面的坡角变化带来的影响，Δh就相当于现有技术中的h。因此， Vd＝∑Δh·ΔS，Δh·ΔS即一个坡面单元所对应的体积，最终求和运算即得到总的水土流失体积Vd，再乘以土壤的容重ρ，即得到水土流水量。因此，与现有技术对比，水土流失体积Vd，主要取决于Δh这个变量；也就是说，本发明最终求得的Qd对应的变量只有一个Δh，并且Δh不受坡面的坡角变化影响，只需要相同测量点前后两次所测量得到间距测量值之差，为保证其值为正值，对齐进行绝对值运算，即得到Δh。从理论来说，Qd只对应一个变量，而现有技术中有β、H、S三个变量；因此，本发明最终测得的水土流失量Qd的精度显著提高。
实施例2
在本实施例中，实施例1所述第一轮/第二轮扫描过程中的指定轨迹为“己”字状结构，如图5所示。每一轮扫描过程中，相邻测量点之间呈等间距设置。在本实施例中，每一轮扫描过程中，测量点的密度为300个/平方米。
实施例3
在本实施例中，实施例1所述第一轮/第二轮扫描过程中的指定轨迹为同心圆状结构，如图6所示。每一轮扫描过程中，相邻测量点之间呈等间距设置。
在本实施例中，每一轮扫描过程中，测量点的密度为300个/平方米。
实施例4
在本实施例中，实施例1所述第一轮/第二轮扫描过程中的指定轨迹为螺旋状结构，如图7所示。每一轮扫描过程中，相邻测量点之间呈等间距设置。
在本实施例中，每一轮扫描过程中，测量点的密度为300个/平方米。
实施例5
当同一区域处，需要对多个坡面进行测量；按照以下方法来：
如果存在多处需要测量的坡面，所述土壤侵蚀量定时测量装置还包括安装在测量机器人20处的工业相机21；在每一个需要测量的坡面设置有三处呈三角状排列的固定标记；当通过测量机器人20和激光测距器10对上一个坡面测量完成之后，通过测量机器人20控制激光测距器10和工业相机21对准第二处坡面，工业相机21分别对第二处坡面的三处固定标记进行拍照得到实时调整图像，对实时调整图像与数据临时存储模块处存储的预设图像进行相似度运算，得到对应固定标记的相似度值(例如，对第一处固定标记处进行拍照得到第一处固定标记的实时调整图像，将第一处固定标记的实时调整图像与第一处固定标记的预设图像进行相似度运算，得到第一处固定标记的相似度值)；
当三处固定标记所对应的相似度值均大于预设阙值，即判定此时的工业相机21和激光测距器10对准第二处坡面；
如果任一处固定标记所对应的相似度值小于预设阙值，即判定此时的工业相机21和激光测距器10不对准第二处坡面；之后，通过测量机器人 20重新调整工业相机21和激光测距器10的位置，直至工业相机21和激光测距器10对准第二处坡面。
其中，所述固定标记为“十”字状、“米”字状、“X”字状、“Y”字状、“O”字状中的一种，单个坡面的三个固定标记各不相同。
例如：第一个需要测量的坡面处的三个固定标记分别为“十”字状、“米”字状、“X”字状；三个固定标记不能为相同形状，这是为了提高相似度算法的准确性。呈三角状排列，能够在使用最少数量的固定标记来确定一个平面，从而有利于所述激光测距器10的运动轨迹均处于同一竖直的平面。
数据临时存储模块处存储的预设图像是通过在试验开始前，通过人工校准的方式确定所有待测量坡面所对应的位置，并且在指定位置使用工业相机21对三个固定标记分别进行拍照，拍照所得到的图像即为预设图像。
当三处固定标记所对应的相似度值均大于预设阙值，说明三处固定标记所确定平面即与所述激光测距器10的运动轨迹所处平面相对应。
如此，通过上述方法，即可远程自动确定好第二处坡面，并利用此时的激光测距器10进行远距离数据采集。
实施例6
测量结果验证试验
参考《水土保持试验规程》SL419-2007，制作标准径流小区(直形坡) 使用所述土壤侵蚀量定时测量装置对标准径流小区的初始坡面进行第一轮扫描、测量；然后模拟水土流失，按照规程3.3.6中的方法测量出对应水土流失量，该水土流失量即为理论水土流失量；而通过本发明、“钢钎法”所测量得到的数值即为实际水土流失量。测量误差为理论水土流失量与实际水土流失量之间差值的绝对值和理论水土流失量之间的百分比值。
试验A
待测量坡面的面积为80m2，按照“钢钎法”来测量，钢钎数量依次为 6、12、20、35、42、56、72、90、110，结果对应的测量误差与钢钎数量之间的曲线见图8。通过图8可知：
在采用“钢钎法”测量过程中，即使增加钢钎的数量，虽然能够一定程度降低测量误差，提高测量精度；但是钢钎的数量增加到一定程度制成，反而会造成测量误差上升，造成测量精度下降。其中，在本试验中，“钢钎法”的测量过程中，当钢钎数量为12根时，测量误差为8.5％。
试验B
待测量坡面的面积为80m2，按照实施例1来测量，在每一轮扫描过程中，指定轨迹为“己”字状结构，分别改变测量点的密度，按照《测量结果验证试验》得到对应的测量误差；其中，测量点的密度＝待测量坡面在一轮扫描过程中测量点的总数/待测量坡面的面积；测量点密度与测量误差之间的曲线见图9。
在本发明中，测量点密度不是越大越好，测量点密度在300～350个/平方米的范围内，其测量误差为0.7％-0.9％，也就是说，其实际水土流失量非常接近于理论水土流失量。因此，测量点密度优选为300个/平方米。其中，在测量点密度大于350个/平方米时，由于整个体系的测量点过于密集，导致测量结果的波动性较大。
试验C
对实施例2-4分别按照《测量结果验证试验》得到对应的测量误差，测量误差最少测量5次，测量误差的平均值以及其标准偏差结果见表1。
表1
实施例2
实施例3
实施例4
测量误差的平均值
0.8％
0.9％
0.9％
标准偏差
1.92％
6％
9.12％
由表1可知，在有限的面积中，指定轨迹为“己”字状结构，其测量误差的平均值以及其标准偏差最小。因此，指定轨迹优选为“己”字状结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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