[发明专利]一种土壤表面粗糙度检测装置及方法

权利要求书

1.一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，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(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)；

所述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。

2.根据权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述相邻的测量 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)。

3.根据权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述若干水准气 泡(5)分别设置在四个框型本体的顶部中心。

4.根据权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述探针(11) 顶部设置有探针顶帽(12)，底部具有探针针底(13)。

5.根据权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述支撑框架(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)。

6.根据权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述测量装置的 顶部设置有一对把手(1)。

7.权利要求1所述的一种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下 步骤：

步骤一，将通过四个测量装置组成的框型本体置表征土壤上；

步骤二，通过升降调位装置(4)依次调节各个脚架(3)的高度，使测量装置顶部的所有 水准气泡(5)中的气泡居中为止；

步骤三，释放探针(11)，使探针(11)与表征土壤表面自然接触；

步骤四，使用照相机对每个测量装置进行拍照，得到探针(11)在刻度面板(10)上的所 指刻度，获取表征土壤表面粗糙度的图片；

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；

步骤六，对获取的每一张表征土壤表面粗糙度的图片在ArcGIS10.3软件中获取表征土壤 表面粗糙度的点序列；

步骤七，根据点序列与均方根高度和相关长度计算公式，即可得到表征土壤表面粗糙度。

8.根据权利要求7所述的一种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，其特征在于，所述 步骤三中，打开卡片卡锁装置(8)，卡片装置(8)引导探针针底(13)与表征土壤表面自然 接触。

9.根据权利要求7所述的一种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，其特征在于，所述 步骤六中，ArcGIS10.3软件中获取表征土壤表面粗糙度的点序列的过程如下：

第一步，在ESRIArcCatalog10.3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ESRIArcMap10.3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(0，0)，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)；

第二步，在ESRIArcCatalog10.3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ESRIArcMap10.3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；

第三步，在ESRIArcMap10.3中，利用软件提供的“值提取至点”工具，对曲线进行等 间隔取样，间隔设置为1cm，即可获取表征土壤表面粗糙度的点序列。

10.根据权利要求7所述的一种土壤表面粗糙度检测装置的检测方法，其特征在于，所述 均方根高度通过以下算法得出：

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：

z‾=1LxLy∫-Lx/2Lx/2∫-Ly/2Ly/2z(x,y)dxdy]]>

其二阶矩就是：

z2‾=1LxLy∫-Lx/2Lx/2∫-Ly/2Ly/2z2(x,y)dxdy]]>

表面高度的标准离差s，由下式表示：

s=(z2‾-z‾2)1/2]]>

对于一维离散数据，表面高度的标准偏差s为:

s={1N-1[Σi=1N(zi)2-N(z‾)2]}1/2]]>

其中，N——取样数；

所述相关长度通过如下算法得出：

z(x)表示一维表面的剖视值，其归一化自相关函数如下：

ρ(x′)=∫-Lx/2Lx/2z(x)z(x+x′)dx∫-Lx/2Lx/2z2(x)dx]]>

ρ(x′)度量的是x点和与它偏离的另一点x′的高度值z(x)、z(x+x′)之间的相似性，对于离散 数据，距离为x′＝(j-1)Δx(j为自然数)的归一化自相关函数的表达式为：

j为≥1的整数

当ρ(x′)＝1/e时，间隔值x′就等于表面相关长度l。