專利名稱：坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于水土流失基礎(chǔ)研究的坡面土壤侵蝕過程實驗的觀測及處理 技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水土流失是我國面臨的一個最重要的生 態(tài)環(huán)境問題之一，水土保持基礎(chǔ)研究和水 土流失區(qū)的動態(tài)監(jiān)測必須進行大量的室內(nèi)和野外現(xiàn)場科學實驗觀測。坡面是侵蝕發(fā)生的最 基本單元，同時也是流域的基本組成部分。坡面土壤侵蝕的實驗和觀測是水土保持的基礎(chǔ) 而又極為重要的內(nèi)容，為此利用三維激光掃描儀精密測量技術(shù)，提供一種快速現(xiàn)場土壤侵 蝕過程的測定系統(tǒng)，它可以從土壤侵蝕形態(tài)變化過程的角度研究土壤流失量的空間變化規(guī) 律，為土壤侵蝕研究提供一種快速、精確、可靠的實驗技術(shù)觀測系統(tǒng)，極大地提高土壤侵蝕 實驗手段的科技含量。傳統(tǒng)的土壤侵蝕測量方法有手工地形測針板法、侵蝕溝量測法以及稀土元素 (REE)示蹤技術(shù)和地形測量法。在坡-溝系統(tǒng)實體模型試驗中，地形測針板法和侵蝕溝量測 法測量土壤侵蝕的空間分布，是人工用量具直接對測量對象接觸式測量，這兩種方法測量 范圍小、周期長、點據(jù)少，容易產(chǎn)生人為誤差，影響試驗結(jié)果的可靠度。REE示蹤技術(shù)則由于 示蹤元素種類的限制、示蹤土樣制備過程的復(fù)雜性、操作過程繁瑣等因素，目前僅限于小范 圍、小尺度研究，還未得到廣泛的應(yīng)用。而野外土壤侵蝕測量使用1 1萬或1 5萬地 形圖得到的地形因子與真實情況究竟有多大的差別還是一個未知數(shù)。綜上所述，現(xiàn)有各種 室內(nèi)及野外水土流失試驗中土壤侵蝕量測方法和試驗設(shè)備普遍存在測量數(shù)據(jù)少、成果精度 差、試驗費時費力的缺點。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種坡面土壤侵蝕快速 測定系統(tǒng)，使其具有獲取數(shù)據(jù)多、效率高、試驗周期大幅減少、數(shù)據(jù)處理速度快、分析精度較 高，能迅速測量土壤侵蝕環(huán)境和因子特性的三維模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度、實時、動態(tài)監(jiān)測土 壤的侵蝕過程的特點。本實用新型提供的一種坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，它包括坡面徑流小區(qū)、可移 動式液壓自動升降坡面侵蝕槽和人工模擬降雨裝置，它還包括三維激光掃描儀和帶旋轉(zhuǎn)臺 的三角架，所述三維激光掃描儀設(shè)置在三角架的旋轉(zhuǎn)臺上，三維激光掃描儀包括旋轉(zhuǎn)掃描 角度達360° X 270°、掃描精度達士 2mm、掃描速度達2000點/秒的激光掃描儀主機、專用 筆記本電腦、數(shù)據(jù)處理模塊、三維建模模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及電源盒。在上述技術(shù)方案中，所述三維激光掃描儀中的激光掃描儀主機通過為所述旋轉(zhuǎn)臺 旋轉(zhuǎn)提供電力輸入的動力電纜線連接電源盒。在上述技術(shù)方案中，所述三維激光掃描儀中的激光掃描儀主機通過傳輸掃描獲取 的點云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場可視化圖像的數(shù)據(jù)電纜線與專用筆記本電腦連接。[0008]在上述技術(shù)方案中，它還設(shè)置有標志牌以及用于連接標志牌的連接桿和底座。在上述技術(shù)方案中，所述激光掃描儀主機設(shè)有雙掃描窗口。
與上述背景技術(shù)中現(xiàn)有各方法和設(shè)備相比，本實用新型有著明顯的區(qū)別和優(yōu)勢， 主要體現(xiàn)在儀器不直接接觸試驗對象，獲取數(shù)據(jù)多、效率高、試驗周期大幅減少，數(shù)據(jù)處理 速度快、分析精度較高，能清晰再現(xiàn)坡面各部位侵蝕、沉積狀態(tài)。本實用新型的運用范圍廣， 能用于開展多種侵蝕形式(溝蝕、重力侵蝕等)、多尺度(坡面、徑流小區(qū)、小流域等)土壤 侵蝕的研究，自動化程度高、速度快，可全天候進行，數(shù)據(jù)采集周期大大縮短，用它獲取的數(shù) 據(jù)能與CAD、ARCGIS等軟件配合使用，進行三維建模，真實再現(xiàn)研究對象的實際情況。本實 用新型基于三維激光掃描技術(shù)觀測土壤的侵蝕過程，操作簡單、易于掌握，利用精密測量技 術(shù)對被侵蝕土壤形態(tài)的微觀變化及進程進行高精度、實時、動態(tài)觀測，對形態(tài)分析可真正做 到定量化，能迅速測量土壤侵蝕環(huán)境和因子特性的三維模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度、實時、動態(tài) 監(jiān)測土壤的侵蝕過程。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為三維激光掃描儀的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步的詳細描述參見圖1所示，本實用新型提供的一種坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，它包括坡面 徑流小區(qū)、可移動式液壓自動升降坡面侵蝕槽、人工模擬降雨裝置、三維激光掃描儀、帶旋 轉(zhuǎn)臺的三角架、動力電纜線、數(shù)據(jù)電纜線以及各類標志牌，用于連接標牌的連接桿、底座等， 三維激光掃描儀設(shè)置在三角架的旋轉(zhuǎn)臺上，參見圖2所示，三維激光掃描儀包括旋轉(zhuǎn)掃描 角度達360° X 270°、掃描精度達士2mm、掃描速度達2000點/秒的激光掃描儀主機、專 用筆記本電腦、cyclone-Scan掃描軟件模塊、電源盒；cyclone-Scan軟件包括Model模塊、 Register模塊、Cloudfforx模塊(用于數(shù)據(jù)處理、三維建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)處理模塊、三 維建模模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊)。三維激光掃描儀中的激光掃描儀主機通過為所述旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn) 提供電力輸入的動力電纜線連接電源盒，三維激光掃描儀中的激光掃描儀主機通過傳輸掃 描獲取的點云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場可視化圖像的數(shù)據(jù)電纜線與專用筆記本電腦連接。它還設(shè)置有標 志牌以及用于連接標志牌的連接桿和底座。激光掃描儀主機設(shè)有雙掃描窗口。本實用新型的工作原理如下三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量方式，根據(jù)激光發(fā)射和接收的時間差 計算出相應(yīng)被測點與掃描儀的距離，再根據(jù)水平向和垂直向的步進角距值，即可實時計算 出被測點的三維坐標，并將其輸入存儲設(shè)備記錄和存儲，從而獲取地形或復(fù)雜物體的幾何 圖形數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)。然后由后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換，建 立絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，并且可以輸出為ASCASC II點數(shù)據(jù)、BMP、DXF、PTX、 PTS、MSH、TXT、COE, AutoCAD、MicroStation、PDS、AutoPlant 等多種不同的格式，滿足空間 信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。采用地面激光掃描系統(tǒng)采集坡面地形數(shù)據(jù)生成DEM的主要流程包括選擇布設(shè)站 點及標靶、獲取點云數(shù)據(jù)、拼接合并數(shù)據(jù)、濾波消除噪聲、生成DEM。采用Cyclone軟件對坡面點云數(shù)據(jù)進行進一步處理，生成基于不規(guī)則三角網(wǎng)的數(shù)字高程模型TIN DEM,得到初始坡 面及各次降雨后坡面DEM。在得到降雨前后各坡面的DEM后，即可根據(jù)在同一坐標系下某位 置(X，Y)在Z方向上的位置變化計算出相應(yīng)部位土壤侵蝕體積。將坡面地形三維散點數(shù) 據(jù)導入到ARCGIS中進行分析處理，獲取全坡面侵蝕深度分布特征，得到最大侵蝕深度、平 均侵蝕深度，并可繪制出全坡面的侵蝕深度分布圖。通過對上述步驟的實施，可以得出坡面 在降雨前后的形態(tài)、體積變化，再通過兩次體積差，結(jié)合實驗前測定的坡面土壤容重數(shù)據(jù)， 便可求出坡面在降雨前后的土壤流失量。在GIS環(huán)境下分別對不同點云間隔條件下生成的 DEM進行坡度因子分析，得出坡度圖。本實用新型可以便捷的移動于各種室內(nèi)和野外試驗場地，使用操作方便，測控精 度高，具有強大的細部信息獲取能力，掃描獲取的點云數(shù)據(jù)具有高密度特性，可與掃描同步 提供三維可視化圖像，可根據(jù)點云數(shù)據(jù)直接得到對象精確的幾何尺寸，實現(xiàn)地形變化等變 形監(jiān)測，利用三維點云數(shù)據(jù)生成等高線、橫斷面及點云切片，繪制精確二維圖形，數(shù)據(jù)良好 的兼容性，具有精度高、速度快、效率高、能清晰再現(xiàn)坡面各不同部位侵蝕、沉積信息等優(yōu) 點，應(yīng)用范圍廣。采用三維激光掃描系統(tǒng)可以快速獲取高精度的地形點云數(shù)據(jù)，在經(jīng)過數(shù)據(jù) 拼接轉(zhuǎn)換及濾波消除噪音后可生成高精度的DEM，尤其適合于小范圍區(qū)域且對精度要求較 高的DEM制作，這為水土流失尺度問題的研究提供了一種新的思路和技術(shù)手段。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用 新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及 其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求一種坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，它包括坡面徑流小區(qū)、可移動式液壓自動升降坡面侵蝕槽和人工模擬降雨裝置，其特征在于它還包括三維激光掃描儀和帶旋轉(zhuǎn)臺的三角架，所述三維激光掃描儀設(shè)置在三角架的旋轉(zhuǎn)臺上，三維激光掃描儀包括旋轉(zhuǎn)掃描角度達360°×270°、掃描精度達±2mm、掃描速度達2000點/秒的激光掃描儀主機、專用筆記本電腦、數(shù)據(jù)處理模塊、三維建模模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及電源盒。
2.如權(quán)利要求1所述的坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，其特征在于所述三維激光掃描 儀中的激光掃描儀主機通過為所述旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)提供電力輸入的動力電纜線連接電源盒。
3.如權(quán)利要求1所述的坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，其特征在于所述三維激光掃描 儀中的激光掃描儀主機通過傳輸掃描獲取的點云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場可視化圖像的數(shù)據(jù)電纜線與 專用筆記本電腦連接。
4.如權(quán)利要求1所述的坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，其特征在于它還設(shè)置有標志牌 以及用于連接標志牌的連接桿和底座。
5.如權(quán)利要求1所述的坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，其特征在于所述激光掃描儀主 機設(shè)有雙掃描窗口。
專利摘要本實用新型公開了一種坡面土壤侵蝕快速測定系統(tǒng)，它包括坡面徑流小區(qū)、可移動式液壓自動升降坡面侵蝕槽和人工模擬降雨裝置，它還包括三維激光掃描儀和帶旋轉(zhuǎn)臺的三角架，所述三維激光掃描儀設(shè)置在三角架的旋轉(zhuǎn)臺上，三維激光掃描儀包括旋轉(zhuǎn)掃描角度達360°×270°、掃描精度達±2mm、掃描速度達2000點/秒的激光掃描儀主機、專用筆記本電腦、數(shù)據(jù)處理模塊、三維建模模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及電源盒。本實用新型獲取數(shù)據(jù)多、效率高、試驗周期大幅減少、數(shù)據(jù)處理速度快、分析精度較高，能迅速測量土壤侵蝕環(huán)境和因子特性的三維模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度、實時、動態(tài)監(jiān)測土壤的侵蝕過程。
文檔編號G01N33/24GK201740777SQ20102015367
公開日2011年2月9日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日
發(fā)明者丁文峰, 劉繼根, 周若, 唐文堅, 張平倉, 王一峰 申請人:長江水利委員會長江科學院