專利名稱：：土壤入滲性能的測量方法及測量系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及水文研究領域，特別是涉及一種土壤入滲性能的自動測量方法及自動測量系統。
背景技術：
：土壤入滲過程描述的是水流滲入到土壤的過程，是連接地表水和土壤水的水文過程中一個重要環節。衡量土壤入滲性能的參數為土壤入滲率和累積土壤入滲量。土壤入滲率定義為單位時間入滲到單位面積上的水量，單位為mm/h或者cm/h。累積入滲量定義為一段時間內入滲到單位面積上的總水量，單位為mm或者cm。入滲率和累積入滲量的數量關系為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，i為入滲率，mm/h；I為累積入滲量，mm;t為入滲時間，h。如式(1)中所示，土壤入滲率為累積入滲率對時間的導數。在入滲過程中，當降雨強度或供水流量超過了土壤的吸水能力時，入滲速度達到最大，此時的土壤入滲率即為土壤的入滲性能(Horton，1940；Hillel,1998)。當供水強度低于土壤入滲性能時，水流進入土壤的過程受供水的控制。土壤入滲率與供水速率相等(秦耀東，2003)。土壤入滲性能并不是常數，它隨入滲持續時間的延長而變化。在入滲初期，土壤吸收水的速度非常快；對應地，土壤的初始入滲性能非常高。隨著時間的推進，土壤入滲性能逐漸降低，并最終趨于一個穩定值，即穩定入滲率。目前有很多土壤入滲率測量的方法，如雙環法(Bouwer，1986)、人工模擬降雨法(PetersonandBubenzer,1986；Ogdenet.al.，1997；袁建平等，1999)、圓盤入滲儀法(PerrouxandWhite,1988)等。在雙環法和人工降雨法中，由于地表的快速濕潤導致了地表結皮的產生，大大降低了土壤的入滲性能(Levyet.al.，1997；Mamedovet.al.，2001)。這在一定程度上影響了土壤入滲率的測量精度。雙環法不能應用于坡面，限制了該方法在野外的應用。受降雨強度的限制，土壤初始很高的入滲性能在人工模擬降雨法中觀測不到。因此，雙環法和人工降雨法都測量不到土壤初始很高的入滲性能，這兩種方法測量不到完整的土壤入滲性能過程線。圓盤入滲儀試驗中存在側滲等問題，影響了該方法的測量精度。
發明內容(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是克服現有土壤入滲性能測量方法中存在的缺陷，提高測量精度，實現測量過程的自動化控制。(二)技術方案為解決上述技術問題，提供一種依照本發明實施方式的土壤入滲性能的測量方法，其中包括步驟Si，由攝像機獲取各幀地表圖像；S2，提取Sl中獲取的圖像中的地表濕潤區域；S3，計算由S2中提取出的地表濕潤區域的面積；S4，對S3中得到的地表濕潤面積進行修正；S5，由所述修正后的地表濕潤面積計算土壤入滲性能。優選地，在步驟S2中，將標準尺寸的同心靶圓置于測量區內，先拍攝所述同心靶圓影像圖作為參考，定位測量區域各像素點的空間位置。優選地，在步驟Sl之后，采用幀間RGB值加權梯度比對，將像空間的色彩分量元素轉換為整型的梯度元素以消除環境光亮度變化。優選地，采用包圍方法將像空間的梯度元素二值化，以消除鏡面反射。優選地，在像空間的梯度元素局域應用線性平滑濾波，以降低土壤顆粒導致的噪聲。優選地，在步驟S4中，利用下式計算土壤入滲性能<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中in為tn時刻對應的土壤入滲率，mm/h;qn為tn時刻對應的供水流量，mm3/h；ΔAn為時段Un-V1)內地表增加的濕潤面積，mm2。優選地，在步驟S4中，利用下式計算土壤入滲性能式中i(t)為整個濕潤面積上的平均土壤入滲率，是時間的函數，mm/h；q為供水流量，mm3/h；A(t)為地表濕潤面積，是時間的函數，mm2。還提供了一種依照本發明實施方式的土壤入滲性能的測量系統，其包括地表圖像獲取單元，用于獲取地表圖像；地表濕潤面積提取單元，用于分辨提取地表圖像中的濕潤面積；地表濕潤面積計算單元，用于根據地表濕潤面積圖像計算地表濕潤面積；地表濕潤面積修正單元，用于對計算得出的地表濕潤面積進行修正；土壤入滲性能計算單元，用于根據地表濕潤面積計算土壤入滲性能。優選地，所述測量系統還包括標定單元，用于對由地表濕潤面積圖像獲取單元獲取的地表濕潤面積圖像進行矯正。優選地，所述測量系統還包括恒流供水單元，用于為所述系統提供流量可調的水流。(三)有益效果本發明測量方法的圖像處理過程中采用綜合失真誤差矯正方法，使土壤濕潤面積測量結果精度高，從而使測量得到的土壤入滲過程曲線準確、可靠。本發明提出的自動測量系統實現了在土壤入滲測量過程中的自動化控制，通過室內試驗數據驗證了測量系統和方法的精度。整個測量過程中，需水量少。該自動測量系統可以為土壤入滲性能測量研究，對應的地表產流、土壤侵蝕等相關方面的研究與應用提供有效、省時、省力、準確的工具，具有廣泛的推廣和應用價值。圖1是地表濕潤面積與土壤入滲性能隨時間的變化關系；圖2是依據本發明實施方式的土壤入滲性能測量系統中的標定目標板；圖3是依據本發明實施方式的土壤入滲性能測量方法中的地表濕潤面積推進及計算過程示意圖；圖4是依據本發明實施方式的測量系統得到對應時刻的土壤濕潤面積的照片截圖；圖5是依據本發明實施方式的測量系統得到土壤入滲性能曲線。具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。本發明提出了一種土壤入滲性能的線源入流測量方法。該測量方法建立在地表濕潤面積與土壤入滲性能之間的關系上。具體見圖1。如圖1所示，土壤入滲性能初始時G1)很高。水流從線源布水器滲入到土壤的速度很快。地表上很小的一塊面積就可以吸收全部的供水量，即地表的初始濕潤面積(A1)很小。隨著時間的延長，土壤入滲性能降低到i2，同樣的地表面積已經不能吸收同樣的水量。地表濕潤面積開始增加為A2。隨著土壤入滲性能的不斷降低，地表濕潤面積不斷增加，直到土壤入滲性能降低到其穩定入滲率，對應的地表濕潤面積增加到最大穩定濕潤面積。線源入流測量方法可以方便地應用到坡面地表上。試驗過程中，充分的供水保證了該方法可以觀測到土壤初始很高的入滲性能。試驗中沒有觀測到明顯的地表結皮現象。因此線源入流測量方法得到的土壤入滲性能曲線為土壤完整的本征入滲性能隨時間的變化過程。利用水量平衡原理計算得到該方法測量得到的結果精度很高。在線源入流測量試驗中，需要通過照片來記錄地表的濕潤面積，然后計算得到地表濕潤面積。測量系統包括一個用來以恒定流量供水的馬氏瓶、對相機成像過程中在物體尺寸和形狀上的變形進行矯正的系統、地表濕潤面積自動獲取系統、從相機自動獲取數據的控制系統以及整個系統的供電裝置。數碼相機的最大變焦倍數為4倍，分辨率為400萬像素。試驗過程中通過計算機中的數據獲取控制組件設定數碼相機記錄地表濕潤面積的時間間隔，并通過圖像處理組件處理計算地表濕潤面積。在地表濕潤面積計算過程中，數據分析組件需要矯正獲取的照片中地表面積的兩種變形。具體如下1、由相機鏡頭導致的變形影像拍攝區假設為2維平面，若保證大區域影像拍攝區顯示在相機感光器上，則需要經過凸透鏡進行視野影像縮小，由于視野影像不是11平行采集到感光器上，因此，在相機凸透鏡上就會產生空間尺寸變形失真。2、測量區域空間比例及變形由于該設備采用野外原位現場自動測量，攝像機與試驗測量區之間的距離、與試驗測量區的平面夾角均為不確定因素。要獲得測量區濕潤面積的精確絕對值，需要知道測量區域內各個點的實際比例尺關系。綜上，由鏡頭和測量區域空間扭曲導致的變形是影響地表濕潤面積計算精度的主要因素。針對此問題，采用將標準尺寸的同心靶圓置于測量區內，固定好相機位置同時在控制計算機上設置相機攝影相關參數，先拍攝測量區同心靶圓影像圖作參考文件，定位測量區域各像素點空間位置，比照同心靶圓影像圖得出測量區不同空間點位與標準尺寸之間的修正關系，此方法可快速、準確地對攝像機鏡頭變形與測量區空間比例及變形進行一次性綜合矯正，標準尺寸的同心靶圓示意圖見圖2。視覺系統的感知過程是被感知目標從3D真實空間T向視覺系統2D像空間P的物理投影過程，一般該過程由目標反射光線、鏡頭折射光線、感光器件光電轉換組成。視覺系統的測量過程是像元從2D像空間P向3D真實空間T的數學處理過程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>M一般可以對應于物理投影過程分解為三個矩陣相乘<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，M1為透視投影矩陣，M2為鏡頭畸變矯正矩陣，M3為感光器件誤差校正矩陣。M1與相機與被測目標的相對位置、相機光軸與被測面的法線夾角相關；M2M3—般情況下可認為只與鏡頭、相機制造過程相關。應用中，如果試驗環境相對固定，可認為M為固定矩陣，在實驗室完成視覺系統標定。由于土壤入滲率試驗環境隨機性較強，M為非固定矩陣，所以需設計一種簡便的標定方式用以在每次實驗前確定M，為此，土壤入滲率視覺測量系統開發了專用的標定方法。標定使用專用的標定目標板，標定目標圖形設計為黑白相間寬度相等的同心圓環，制作精度保證在毫米精度。開發了針對標定目標板的自動標定程序，程序可根據灰度梯度自動識別圓環邊界，根據識別結果自動計算T(x，y，z)，依據P(w，h)自動計算矩陣Μ。通過多次典型試驗圖像分析，發現有如下特點1)一次長時間試驗中，各幀圖像的環境光亮度有一定變化；2)由于土壤的顆粒特性導致圖像灰度梯度具有非連續性；3)土壤入滲區域圖像由于土壤表面的薄層水流形成鏡面反射。本發明的測量系統采用如下視覺分析方案1.采用幀間RGB值加權梯度比對，將像空間的色彩分量元素轉換為整型的梯度元素，消除環境光亮度變化；通過試驗前采集背景圖像，設定本次試驗環境光亮度，消除每次試驗環境光亮度差別的影響。2.采用包圍方法將像空間的梯度元素二值化，消除鏡面反射；在實際處理中，濕土的灰度值比干土灰度值要高出很多，水面灰度值比干土灰度值低很多。該處理包含兩個判定標準對濕土內部孤島的判定，測量過程中，只存在一個水源，因此濕土是成片的，當濕土內部存在灰度值較低的區域時，系統會自動將這部分加入到濕土的面積；對鏡面反射的處理，當濕土內部出現非常低的灰度值時，系統會判定該區域為鏡面區，并自動加入到濕土面積內。3.在像空間的梯度元素局域應用線性平滑濾波，降低土壤顆粒導致的噪聲；利用曲線平滑的方法將每個點的RGB值與鄰近點對比，進行平滑，從而降低并解決土壤顆粒導致的噪聲。4.根據矩陣M計算像空間的真值區域對應的真實空間面積值；利用試驗前的標定，對試驗拍攝平面出現的鏡頭及空間變形進行360度的校正，進而計算出地表濕潤區域的實際面積。采用室內試驗的方法，試驗土壤為風干的砂壤土，驗證試驗設定流量為1.92L/h，土壤容重為天然容重1.3g/cm3，試驗土槽坡度設定為5度，系統記錄間隔為3分鐘1次，試驗持續時間為120分鐘。試驗過程中，自動測量系統中的部分影像模擬圖以及對應的影像解析數字化圖，見圖3。如圖3中所示，照片中記錄的是與地表成一定角度的測量區域的圖像。由于地表安裝的線源布水器覆蓋住了一部分地表濕潤面積。這部分濕潤面積在數碼照片中顯示不出來。用來記錄地表過程的圖像處理系統不能將這部分濕潤面積包括在內。因此在該圖像處理模塊中增加了修正這部分誤差的數學模型，具體如下首先，由測量得到的地表濕潤面積隨時間的推進過程線，計算初始地表濕潤面積推進的速度，即濕潤面積隨時間變化過程線初始點的切線斜率K。線源布水器面積(ΔΑ)可以測量得到，根據計算出的斜率K，可以估算出濕潤布水器下面的面積所需要的時間At:Δt=ΔA/K將該時間At以及布水器面積計入整個試驗持續的總時間以及總濕潤面積即完成修正過程。經過修正，由自動測量系統從所截到的照片中得到對應時刻的土壤濕潤面積，見圖4。本發明中利用下式計算土壤入滲性能<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中in為tn時刻對應的土壤入滲率，mm/h;qn為tn時刻對應的供水流量，mm3/h；ΔAn為時段Un-V1)內地表增加的濕潤面積，mm2。或者，利用下式計算土壤入滲性能i(t)=q/A(T)式中i(t)為整個濕潤面積上的平均土壤入滲率，是時間的函數，mm/h；q為供水流量，mm3/h；A(t)為地表濕潤面積，是時間的函數，mm2。自動測量系統利用計算機以及數碼相機測量計算得到的土壤濕潤面積以及對應時刻的土壤入滲率如表1。表1試驗測量結果時間濕潤面積入滲性能(mm/h)入滲性能(mm/h)中人數(min)(mm2)(數值算法)(近似算法)0001330794606242650782613783969961932744129055158212515107521371796181193012216172112957111148824137461021409271444996133103015193901261133159418512012361657281116133917143781121442176577410915451815472106164818545691041751189956710118541937265991957197756397206020172619521632048559942266208725892236921251579024722160655892575219665487267822271538627812259152852884229125184298723200508330902353749823193237724881329624058478033992434647793410224585467835_105_24845_45_77_<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>如圖5所示，土壤入滲性能的數值算法及近似平均算法得到的結果均可以很好的描述土壤入滲隨時間變化的過程，測量得到的土壤初始入滲性能非常高，較之前提出的傳統測量方法有了很大的提高。圖中顯示，由近似算法計算出的土壤入滲率均比由數值算法計算出的結果要高，這是由于近似算法得到的結果為濕潤面積上土壤入滲率的平均值，雖然精度較數值算法偏低，但是該算法簡單，易于操作。而且由于該方法所做的近似假定，可以將該算法計算得到的土壤入滲率作為其他方法計算得到的結果的參照值。由其他方法計算得到的土壤入滲性能都比近似算法得到的結果小。在試驗最后，地表濕潤面積范圍內，土壤入滲性能均趨于穩定，與近似算法所做的假定情況一致。這表明，近似算法得到的土壤穩定入滲率為土壤的實際最終入滲率。從圖中可以看出，由數值算法得到的穩定入滲率比近似算法得到的數值偏低，表明數值算法雖然在整體精度上要高于近似算法，但其低估了土壤的穩定入滲率。從以上各表以及圖中的顯示可以看出，本研究提出的自動測量系統可以準確地測量出土壤的入滲性能曲線，同時測量系統實現了自動控制，可以節省大量的人力物力。由于試驗中存在一些不可避免的隨機因素的影響，測量結果存在一定的誤差。依據土壤入滲率線源入流計算模型，計算結果誤差來自以下兩方面1)土壤濕潤面積計算精度相機分辨率精度為4百萬像素，假設測量區域2平方米，相機分辨率可達到1平方毫米。標定目標板材用13份等距同心靶圓，兩圓之間空間位置變形與像素之間線性關聯，每個最小分辨網格為16像素，標定誤差約為30平方毫米。2)誤差來源最大是各種不同土壤質地差異造成土壤濕潤區與非濕潤區視覺(灰度值)差異太小，形成濕潤面積誤判，濕潤面積測定誤差可達80平方毫米。綜合以上因素，盡量增加土壤濕潤區與非濕潤區的視覺差，是減少測量誤差的主要方法。以下為影像測量綜合試驗結果表2誤差分析表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>試驗結果誤差分析根據水量平衡原理，通過比較試驗總供水量和由土壤入滲性能回歸得到的累積入滲量得到由自動測量系統測量得到的土壤入滲性能總誤差，具體計算公式如下總入滲量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(5)其中I為累積入滲量，(m3/m2，或mm)，是坡面位置的函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(6)馬氏瓶的供水量由試驗中馬氏瓶的讀數測得或由下面的公式求出為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(7)其中，q為馬氏瓶的供水流量，(L/h，或mm/min)T為總入滲時間(h，或min)試驗誤差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(8)由上面提供的試驗數據計算得到δ=3.93%。表明測量結果具有很高的精度。本研究提出的土壤入滲性能自動測量系統可以自動地獲取、分析、估算線源入流試驗中地表的濕潤面積。根據地表濕潤面積與土壤入滲性能之間的相互關系，建立相應的數值數學模型及近似計算模型。自動測量系統可以根據測量得到的地表濕潤面積和計算模型自動估算出土壤入滲性能隨時間變化的完整過程線，尤其是初始很高的土壤入滲性能。圖像處理過程中采用綜合失真誤差矯正方法，使土壤濕潤面積測量結果精度高，從而使土壤入滲過程曲線準確、可靠。本發明提出的自動測量系統實現了在土壤入滲測量過程中的完全自動化控制，通過室內試驗數據驗證了測量系統和方法的精度。整個測量過程中，需水量非常少。該自動測量系統可以為土壤入滲性能測量研究，對應的地表產流、土壤侵蝕等相關方面的研究提供有效、省時、省力、準確的工具，具有廣泛的推廣和應用價值。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
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的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。權利要求一種土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括步驟S1，由攝像機獲取各幀地表圖像；S2，提取S1中獲取的圖像中的地表濕潤區域；S3，計算由S2中提取出的地表濕潤區域的面積；S4，對S3中得到的地表濕潤面積進行修正；S5，由所述修正后的地表濕潤面積計算土壤入滲性能。2.如權利要求1所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，在步驟Sl中，將標準尺寸的同心靶圓置于測量區內，先拍攝所述同心靶圓影像圖作為參考，定位測量區域各像素點的空間位置。3.如權利要求2所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，在步驟Sl之后，采用幀間RGB值加權梯度比對，將像空間的色彩分量元素轉換為整型的梯度元素以消除環境光亮度變化。4.如權利要求3所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，采用包圍方法將像空間的梯度元素二值化，以消除鏡面反射。5.如權利要求4所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，在像空間的梯度元素局域應用線性平滑濾波，以降低土壤顆粒導致的噪聲。6.如權利要求1所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，在步驟S4中，利用下式計算土壤入滲性能<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中in為tn時刻對應的土壤入滲率，mm/h;qn為tn時刻對應的供水流量，mm3/h；ΔAn為時段U1^tlri)內地表增加的濕潤面積，mm2。7.如權利要求1所述的土壤入滲性能的測量方法，其特征在于，在步驟S4中，利用下式計算土壤入滲性能<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中i(t)為整個濕潤面積上的平均土壤入滲率，是時間的函數，mm/h;q為供水流量，mm3/h；A(t)為地表濕潤面積，是時間的函數，mm2。8.一種土壤入滲性能的測量系統，其特征在于，所述測量系統包括地表圖像獲取單元，用于獲取地表圖像；地表濕潤面積提取單元，用于提取圖像中的土壤濕潤區域；地表濕潤面積計算單元，用于根據地表濕潤面積圖像計算地表濕潤面積；地表濕潤面積修正單元，用于對計算得出的地表濕潤面積進行修正；土壤入滲性能計算單元，用于根據地表濕潤面積計算土壤入滲性能。9.如權利要求8所述的土壤入滲性能的測量系統，其特征在于，所述測量系統還包括標定單元，用于對由地表濕潤面積圖像獲取單元獲取的地表濕潤面積圖像進行標定。10.如權利要求9所述的土壤入滲性能的測量系統，其特征在于，所述測量系統還包括恒流供水單元，用于為所述系統提供流量可調的水流全文摘要本發明公開了一種土壤入滲性能的測量方法，其包括步驟S1，由攝像機獲取各幀地表圖像；S2，提取S1中獲取的圖像中的地表濕潤區域；S3，計算由S2中提取出的地表濕潤區域的面積；S4，對S3中得到的地表濕潤面積進行修正；S5，由所述修正后的地表濕潤面積計算土壤入滲性能。本發明的測量方法，測量過程中需水量少，精度高，可以為土壤入滲性能測量研究，對地表產流、土壤侵蝕等相關方面的研究提供有效、省時、省力、準確的工具，具有廣泛的推廣和應用價值。文檔編號G01N21/84GK101806700SQ20101014129公開日2010年8月18日申請日期2010年4月6日優先權日2010年4月6日發明者孫蓓,毛麗麗,趙軍,雷廷武申請人:中國農業大學