[发明专利]一种土壤表面粗糙度测量方法

摘要

本发明公开了一种土壤表面粗糙度测量方法，通过对土壤表面粗糙度测量板进行拍摄，然后对拍摄的图片进行处理，获取各个探针的实际高度值并计算出表征土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度。本发明通过拍摄获取土壤表面起伏的高度差，采集便利，耗时短，测量效率高。

主权项

一种土壤表面粗糙度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置在被测土壤表面；（2）、在距离土壤表面粗糙度测量板4m‑5m处用高分辨率数码相机尽可能以平视的角度拍摄粗糙度测量板，获得一张反映土壤表面粗糙度的图片；（3）、将土壤表面粗糙度测量板平稳垂直放置到被测土壤表面的不同位置，放置方向不限，但要求位置之间不存在重叠区域，用步骤（2）同样的方法拍摄，这样重复，获得20张大于等于反映土壤表面粗糙度的图片；（4）、对每一张已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片，采用以下方式进行处理：4.1）、在电脑上用任意一款图像处理软件，如Windows自带的画图软件、ACDSee或Adobe Photoshop，将已拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片的分辨率修改到合适大小，修改后的图片像素最好为1280*768，先依次记录土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识的像素点坐标依次记录；然后利用图像处理软件的“裁剪”工具截取包含所有探针完整上段部分的图片；4.2）、利用图像处理程序对截取包含所有探针完整上段部分的图片首先进行灰度和亮度滤波，并将图片进行二值化处理；然后处理可能出现的同值现象；其中，同值是指不同探针顶端连在一起成为一个点，或异值是同一探针顶端分成了两个点；4.3）、提取处理后的包含所有探针完整上段部分图片中每个顶端的纵坐标，并确保每个探针顶端提取一个纵坐标，依次存入探针高度的数组；4.4）、根据土壤表面粗糙度测量板四个角上十字标识之间的实际距离，计算垂直比例系数，完成像素点到实际距离的换算；$Y_{\mathrm{scale}}=(\frac{L_{0\mathrm{lift}}}{L_{\mathrm{dlift}}}+\frac{L_{0\mathrm{right}}}{L_{\mathrm{dright}}})/2---\left(1\right)$式中，Y_scale是垂直比例系数，L_0lift为土壤表面粗糙度测量板左边两个十字标识之间实际的垂直距离，L_0right为土壤表面粗糙度测量板右边两个十字标识之间实际的垂直距离；L_dlift拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中左边两点十字标识之间的像素个数，通过步骤4.1）获得的左边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得，L_dright拍摄粗的土壤表面粗糙度测量板的图片中右边两点十字标识之间的像素个数；通过步骤4.1）获得的右边边两点十字标识的像素点纵坐标相减获得；将步骤4.3）得到的数组中的各个表示探针高度的纵坐标乘以垂直比例系数，得到各个探针的实际高度；（5）、将20张大于等于反映土壤表面粗糙度图片获得的各组探针高度数据依次排序合并为一个探针高度数据表，然后依据探针高度数据表中高度数据计算出表征被测土壤表面粗糙度的均方根高度和相关长度：均方根高度计算公式为：$s={\left\{\frac{1}{N-1}\right[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(z_i\right)}^2-N{\left(\stackrel{\‾}{z}\right)}^2\left]\right\}}^{1/2}---\left(2\right)$$\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i$式（2）中，s为均方根高度，为探针高度数据表中高度数据均值，i代表高度数据的序号，z_i表示第i个高度数据，探针高度数据表中高度数据总数；相关长度计算公式为：$\hat{V}\left(x_k\right)=\frac{1}{2(N-k)}\underset{i=1}{\overset{i=N-k}{\mathrm{\Σ}}}{(z_{i+k}-z_i)}^2$$\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)=s^2-\hat{V}\left(x_k\right)$$\widehat{\mathrm{\ρ}}\left(x_k\right)=\frac{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(x_k\right)}{\widehat{\mathrm{\γ}}\left(0\right)}=\frac{1}{e}$式中，为半变量图（semi‑variogram），下标k为间隔的探针个数，x_k为高度数据z_i+k到z_i之间的距离并等于kl_p，l_p为相邻探针之间的间距；为协方差函数，为自相关函数，l为相关长度，当自相关函数曲线第一次下降到1/e时对应的距离值x_k即是被测土壤表面的相关长度l。