孫　剛，王　秀，劉　華，楊習(xí)榮，?！″P

(1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京　100083；2．中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100101；3．北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097；4．杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院，浙江杭州　310018)

0　引言

地表幾何粗糙度反映了地表的起伏程度，是許多陸面過程模型的關(guān)鍵影響因子之一，在遙感、農(nóng)業(yè)、土壤學(xué)、天氣與氣候預(yù)測、地質(zhì)、水利等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用[1-4]。由于地表粗糙度對電磁波的反射具有顯著的影響，因此成為光學(xué)與微波遙感關(guān)注的焦點(diǎn)之一[5]。在農(nóng)業(yè)和土壤學(xué)方面，粗糙度對入滲、洪水和土壤侵蝕過程都有影響；在氣候和天氣預(yù)報領(lǐng)域，土壤貯存和蒸發(fā)水分也有賴于土壤粗糙度情況；在地質(zhì)學(xué)方面，可以依據(jù)表面粗糙度情況判斷風(fēng)蝕砂石的地質(zhì)元素信息[6]。

廓線法(針式粗糙度板和板式粗糙度板)是當(dāng)前主要的地表粗糙度測量方法。但是，由于該方法是接觸式測量，其最大的缺陷是會對觀測對象產(chǎn)生破壞，特別是對疏松顆?；蛩绍洺睗竦乇淼钠茐脑斐傻奈⒌匦斡^測誤差不可忽視；其次，其采樣長度(1 m左右)和采樣間距(1～2.5 cm)比較有限，測量結(jié)果的代表性較差；再次，過多的人工參與也會引入誤差，測量耗費(fèi)時間也較長。

測量地表粗糙度的另一種方式是采用非接觸的方法。架設(shè)到一維運(yùn)動平臺上的激光測距儀器可以實(shí)現(xiàn)一條剖線上的地表高度信息獲取，進(jìn)而求得粗糙度信息；架設(shè)到二維運(yùn)動平臺的激光測距儀可以獲取一個平面的地形數(shù)據(jù)，并用于提取粗糙度信息。上述2種方法都屬于單點(diǎn)激光掃描，精度很高，但是運(yùn)動平臺的體積和質(zhì)量較大，限制了其野外攜帶和應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，基于快速單點(diǎn)激光掃描測距技術(shù)的三維激光掃描和基于結(jié)構(gòu)光的攝影測量技術(shù)可以提供越來越精確的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，在粗糙度參數(shù)研究中已展示出了較大的優(yōu)勢，但是其高昂的成本是制約其得到廣泛應(yīng)用的瓶頸[7-10]。

文中結(jié)合粗糙度測量的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于激光測距儀的便攜式單剖面地表粗糙度測試儀。目的是提供一種精度不低于目前廣泛應(yīng)用的粗超度板式測量工具的便攜式測量儀器。它掃描計(jì)算速度較快，精度較高，測量無損且易于實(shí)現(xiàn)自動化，是一種可靠的非接觸測量方法，可獲取地表上一定長度的剖面的垂直高度信息，從而計(jì)算地表粗糙度參數(shù)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1．1儀器結(jié)構(gòu)與原理

圖1為地表幾何粗糙度測試儀的結(jié)構(gòu)圖，主要包括控制主機(jī)、激光測距傳感器、電動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、支撐桿等。其中，電動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和控制器安裝在一個箱體內(nèi)，共同組成儀器的主機(jī)，該主機(jī)下方是一個軸套的結(jié)構(gòu)，可以固定安裝在支撐桿上端，該支撐桿有內(nèi)外兩個桿組成，可以上下調(diào)節(jié)高度，并且可通過緊固扭鎖緊。激光測距傳感器固定于電動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上?？刂破鳛樵摐y量儀器的控制核心，主要用于人機(jī)交互、控制電機(jī)的運(yùn)動、與激光測距傳感器通信和計(jì)算粗糙度參數(shù)。支架的底部有3根鋼針，可以插入被測地表內(nèi)以固定測量儀器。

1—主機(jī)；2—步進(jìn)電機(jī)；3—主機(jī)鎖緊扭；4—可伸縮支撐桿內(nèi)桿；5—可伸縮支撐桿鎖緊扭；6—可伸縮支撐桿外桿；7—鋼針；8—底座；9—激光測距傳感器；10—水平儀；11—減速器單元

該儀器與傳統(tǒng)的架設(shè)到一維或者二維運(yùn)動平臺上的激光測量裝置最顯著的區(qū)別就是用旋轉(zhuǎn)代替平移，避免了復(fù)雜昂貴的運(yùn)動平臺，使得便攜性提高的同時降低了成本。測量原理如圖2所示。

圖2　地表幾何粗糙度測量儀測量原理圖

首先，將儀器插入待測地表，調(diào)整激光測距傳感器垂直向下，測量出基準(zhǔn)高度h0。根據(jù)基準(zhǔn)高度，計(jì)算出在水平方向偏移1個測量間距x所需要的轉(zhuǎn)動的角度ai。激光測距傳感器可以在轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下左右旋轉(zhuǎn)，激光測距傳感器旋轉(zhuǎn)到指定角度后，投射出激光進(jìn)行距離測量，得到傾斜長度li，根據(jù)當(dāng)前激光與垂直方向的夾角bi，利用三角計(jì)算，可以得出改點(diǎn)實(shí)際的地表高度hi．該儀器首先向左側(cè)擺動50次，測量左側(cè)50 cm地表所對應(yīng)的高度數(shù)據(jù)，然后再向右側(cè)擺動50次，測量右側(cè)50 cm地表所對應(yīng)的高度數(shù)據(jù)。最后，將測量的高度數(shù)據(jù)輸入下面的粗糙度參數(shù)計(jì)算公式中，計(jì)算出所測長度內(nèi)的地表粗糙度參數(shù)。對于該儀器測量的離散數(shù)據(jù)，粗糙度用均方差高度來表示：

(1)

相距x′=(j-1)Δx的歸一化自相關(guān)函數(shù)則由式(2)給出，式中j為≥1的整數(shù)。

(2)

當(dāng)相關(guān)系數(shù)ρ(x′)等于l/e時的間隔，x′值被定義為表面相關(guān)長度l，即ρ(l)=l/e，l的單位為cm．

根據(jù)上述參數(shù)，選擇該系統(tǒng)的部件參數(shù)。儀器中使用的激光測距傳感器為DLS-B15，其測量量程為0.05～200 m，典型精度為1.5 mm，具備RS-232串口。儀器支撐桿的長度為1.2～1.8 m，連續(xù)可調(diào)。

1．2控制系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)主要由微控制器、串口切換電路、智能液晶人機(jī)界面、激光測距傳感器、通訊串口、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路、實(shí)時時鐘、數(shù)據(jù)存儲器、按鍵和供電系統(tǒng)組成。

圖3　地表粗糙度測量儀硬件圖

采用AVR系列中的ATmega168微控制器為控制核心，控制各部分協(xié)同工作，計(jì)算出粗糙度參數(shù)。由于微控制器只有1個串口，故設(shè)置1個一到三的串口切換電路，實(shí)現(xiàn)微控制器與人機(jī)界面、激光傳感器和上位機(jī)的分時通信。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用THB6064H芯片進(jìn)行驅(qū)動，工作在1/2細(xì)分模式下。步進(jìn)電機(jī)采用，其步進(jìn)角度為1.8°，步進(jìn)電機(jī)配套的減速器減速比為26∶1，單脈沖的步進(jìn)角度為0.0346°。系統(tǒng)供電選擇型號為BT-12M1．3AT的免維護(hù)鉛酸蓄電池，使用開關(guān)電源LM2595將12 V變?yōu)? V，為微控制器系統(tǒng)供電。系統(tǒng)配置實(shí)時時鐘PCF8563為儀器提供時間，并配置數(shù)據(jù)存儲器AT24C64作為測量數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)。

2　試驗(yàn)與結(jié)果

為測試所述粗糙度測量儀器的效果，于2012年9月在青海湖進(jìn)行了野外試驗(yàn)，試驗(yàn)中以粗糙度板測量結(jié)果作為對照，首先采用該儀器進(jìn)行測量，粗糙度參數(shù)計(jì)算完成后自動顯示在屏幕上，并可以進(jìn)行存儲。然后，在相應(yīng)地點(diǎn)采用粗糙度板在對應(yīng)的測量剖線上進(jìn)行測量。其中，粗糙度板測量方法需要首先進(jìn)行現(xiàn)場拍照，然后利用編寫的處理軟件對照片中的地表輪廓進(jìn)行提取，最后計(jì)算粗糙度和相關(guān)長度參數(shù)。

試驗(yàn)選擇了15個點(diǎn)進(jìn)行對照測量，分別用2種方法計(jì)算出地表粗糙度參數(shù)。2種儀器測量的粗糙度參數(shù)的結(jié)果如圖4所示，數(shù)值比較相近，最大誤差不超過0.8 cm，2種儀器可以相互驗(yàn)證，即該儀器的測量精度滿足地表幾何粗糙度測量的要求。

圖4　地表粗糙度測量儀野外測試結(jié)果

3　結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種便攜式地表幾何粗糙度測量儀器。相比針式、板式等接觸式測量方法，該儀器采用了非接觸的測量方法，避免了對測量表面的破壞。儀器以旋轉(zhuǎn)裝置代替一維運(yùn)動平臺，同樣實(shí)現(xiàn)一定長度的剖面的高度信息測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、便攜的特點(diǎn)，成本也得以降低；減少了人工參與過程，單次測量長度1 m，測量時間70 s左右，具有較高的測量效率。地表粗糙度測試儀可廣泛應(yīng)用于地表粗糙度的測量，為光學(xué)和微波遙感中參數(shù)定量化研究提供技術(shù)支撐。

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