專利名稱：地表粗糙度測(cè)試儀的制作方法
地表粗糙度測(cè)試儀技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于一種獲取地表三維信息的裝置，具體涉及地表粗糙度參數(shù)測(cè)試儀。
背景技術(shù)
表面粗糙度是土壤表面粗糙的程度，粗糙的土壤表面增大了土壤表面積，可以蓄 積部分降雨、減小風(fēng)速，增加太陽(yáng)的輻射面積。同時(shí)增加了土壤的蒸發(fā)量，減少土壤剖面水 分。土壤表面粗糙度是表征土壤水文特征和影響土壤性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，影響土壤表面 的散射和熱輻射特性。
地表粗糙度的測(cè)定方法通常有非接觸式和接觸式測(cè)量?jī)煞N測(cè)定方式。接觸式的測(cè) 量方法主要有測(cè)針?lè)?、鏈條法和桿尺法。非接觸式的測(cè)量方法大多基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，需 要結(jié)合攝相機(jī)拍攝的圖像和目標(biāo)與攝像頭的位置關(guān)系，無(wú)需人工參與，可自動(dòng)完成三維信 息的獲取。在非接觸測(cè)量中，主要分為兩類。一類是光學(xué)方法，另一類是光學(xué)外的其它方 法。光學(xué)方法測(cè)量又可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式是指對(duì)被測(cè)物體投射特定的結(jié)構(gòu)光， 使之被物體調(diào)制，再經(jīng)過(guò)解調(diào)得到被測(cè)物體的三維信息。被動(dòng)式則不需要額外的光源，在自 然光照明下通過(guò)一定技術(shù)來(lái)獲取物體三維信息。近年來(lái)隨著激光技術(shù)的發(fā)展，基于幾何光 學(xué)三角形原理的激光三角形法逐漸得到廣泛應(yīng)用。激光三角法的基本原理是由半導(dǎo)體激光 器發(fā)出的激光在被測(cè)曲面上結(jié)成光點(diǎn)，通過(guò)對(duì)光點(diǎn)的特征分析提取出被測(cè)物體的形狀、尺 寸等表面信息。它掃描速度較快，精度較高，無(wú)損且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并可通過(guò)軟件的方法 進(jìn)行調(diào)整處理，是一種可靠的非接觸測(cè)量方法，可以獲取地表的三維坐標(biāo)值，得到其形態(tài)結(jié) 構(gòu)，從而計(jì)算出地表粗糙度參數(shù)。
目前的地表粗糙度測(cè)試儀大多是基于接觸式測(cè)量方式，如中國(guó)專利申請(qǐng) CN03114152. 8公開(kāi)了一種土壤粗糙度的測(cè)量方法，包括以下的步驟1)在目標(biāo)土地內(nèi)隨機(jī) 取樣，隨機(jī)固定兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間距離為L(zhǎng) ;2)在固定兩點(diǎn)所在的直線上，用無(wú)彈性軟繩緊貼土 壤的粗糙面放平，獲取兩點(diǎn)間軟繩拉直的距離L' ；3)依次類推測(cè)定每個(gè)樣方；4)根據(jù)測(cè)得 的數(shù)據(jù)得出每個(gè)樣方的土壤粗糙度Ci =Li' /L(i = l、2、3...n)，再得出整片目標(biāo)土地的 土壤粗糙度。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)2008100893194. 0公開(kāi)一種用探針測(cè)量土壤表面粗糙度的測(cè) 量方法，其所用的裝置是在一個(gè)框架上固定有一個(gè)固定支點(diǎn)，框架上還分別設(shè)置至少兩個(gè) 與固定測(cè)臂平行且可沿框架的上下邊框運(yùn)動(dòng)的測(cè)針和可測(cè)量測(cè)針高度變化的高度指示，在 該專利申請(qǐng)的裝置中還設(shè)置有水位計(jì)用于建立測(cè)定點(diǎn)之間水平方向的相同參考點(diǎn)。該專利 申請(qǐng)包括以下的步驟1)用裝置進(jìn)行測(cè)量；幻對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正；幻計(jì)算。
發(fā)明專利申請(qǐng)200910161433. 4公開(kāi)一種地表粗糙度測(cè)量裝置在支撐桿上固定 有其頂端設(shè)有與外部連同的通道的其內(nèi)盛放測(cè)量液體的容器，盛放測(cè)量液體的容器上還設(shè) 有用柔性材料制成的連通容器內(nèi)部的液體的連通管的一端，液體連通管的另一端與一個(gè)壓 力表連通。壓力表固定于活動(dòng)測(cè)桿上。
現(xiàn)有技術(shù)中的接觸法測(cè)量所用裝置測(cè)量成本低，但是其測(cè)量值需要通過(guò)尺量得到，且測(cè)量過(guò)程需要人工參與，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，其測(cè)定的精度和速度都難以滿足要求。 發(fā)明內(nèi)容
地表粗糙度測(cè)試儀，其特征在于，其組成包括電動(dòng)移動(dòng)單元、調(diào)整支架平臺(tái)單元、 成像單元和電腦；所述的電動(dòng)移動(dòng)單元固接在調(diào)整支架平臺(tái)單元臺(tái)面上，成像單元與電動(dòng) 移動(dòng)單元固定連接后，面對(duì)地面置于調(diào)整支架平臺(tái)單元的下面，電腦與電動(dòng)移動(dòng)單元及成 像單元連接，電腦中存儲(chǔ)有地表粗糙度測(cè)試儀的運(yùn)行軟件；所述的成像單元由CCD攝像機(jī) 和激光器組成。
調(diào)整支架平臺(tái)單元由上調(diào)整平臺(tái)、精調(diào)底座、下調(diào)整平臺(tái)、支柱、粗調(diào)底座組成；調(diào) 整支架平臺(tái)單元用于支撐和保證電動(dòng)移動(dòng)單元處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)；其中，
支柱的底端為尖頭，支柱的底部有與粗調(diào)底座的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋；支柱共 有4個(gè)，分別固接在下調(diào)整平臺(tái)的4個(gè)角；
粗調(diào)底座為方形金屬板，其中心有一個(gè)圓孔并且圓孔壁上有內(nèi)螺紋；所述的粗調(diào) 底座也共有4個(gè)，分別與支柱一一配合；
粗調(diào)底座與支柱通過(guò)螺紋連接且使粗調(diào)底座與地面接觸，調(diào)整粗調(diào)底座與支柱的 底部插入到松軟的土壤內(nèi)部的高度；
上調(diào)整平臺(tái)與下調(diào)整平臺(tái)是形狀和尺寸完全一樣的方形板，上調(diào)整平臺(tái)與下調(diào)整 平臺(tái)的中心線兩側(cè)均對(duì)應(yīng)的各有一個(gè)以中心線對(duì)稱的矩形孔；上調(diào)整平臺(tái)的四個(gè)邊的中間 各有一個(gè)標(biāo)定上調(diào)整平臺(tái)水平度的氣泡；
下調(diào)整平臺(tái)的方形板上面固接三個(gè)呈三角形排列的精調(diào)底座與上調(diào)整平臺(tái)連 接；
精調(diào)底座由圓形的螺桿、旋鈕和底座組成；其中，螺桿與旋鈕之間緊固連接；底座 的中間為一個(gè)圓形的孔，孔的內(nèi)壁有內(nèi)螺紋，螺桿有外螺紋，螺桿與底座通過(guò)所述的螺紋連 接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)節(jié)螺桿與底座的中間孔的深度來(lái)調(diào)整精調(diào)底座的高度；
上調(diào)整平臺(tái)的方形板上有2個(gè)以上的螺孔用于與電動(dòng)移動(dòng)單元的底板通過(guò)螺栓 緊固連接；所述的電動(dòng)移動(dòng)單元是電控平移臺(tái)產(chǎn)品，如北京華維浩潤(rùn)儀器有限公司的A057 型號(hào)；
電動(dòng)移動(dòng)單元的電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)電動(dòng)移動(dòng)單元的上臺(tái)面作往 復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)；
成像單元由左CXD攝像機(jī)、激光器、右CXD攝像機(jī)和托板組成；左CXD攝像機(jī)、激光 器和右CCD攝像機(jī)均固接在托板上；
電動(dòng)移動(dòng)單元與成像單元的連接方式如下2個(gè)U型槽的形狀和尺寸相同且分別 對(duì)應(yīng)放置于所述的上調(diào)整平臺(tái)與下調(diào)整平臺(tái)的中心線兩側(cè)對(duì)稱的矩形孔中，一個(gè)U型槽的 兩端分別與電動(dòng)移動(dòng)單元)的上臺(tái)面及成像單元的托板緊固連接，相對(duì)放置的另一個(gè)U型 槽的兩端也分別與電動(dòng)移動(dòng)單元及成像單元的托板緊固連接，成像單元在電動(dòng)移動(dòng)單元的 帶動(dòng)下完成直線運(yùn)動(dòng)，成像單元中的激光器8向待測(cè)地表發(fā)射出垂直方向的激光束，在地 表形成一條激光光帶；左CCD攝像機(jī)7和右CCD攝像機(jī)9同時(shí)同步采集激光光帶的圖像，對(duì) 待測(cè)地表掃描成像；
左CXD攝像機(jī)和右CXD攝像機(jī)為黑白(XD，如Point Grey公司的型號(hào)為FFMV-03M2M的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其最大像素為752 X 480，幀速60FPS，配以Computer公司生產(chǎn)的 5mm鏡頭，采用1394接口進(jìn)行圖像采集與傳輸；
激光器采用半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)光源，如長(zhǎng)春博盛量子公司生產(chǎn)的激光器波長(zhǎng)650nm，功 率為5-20mw可調(diào)；
電腦中存儲(chǔ)有運(yùn)行軟件，軟件流程如下；
執(zhí)行步驟100，開(kāi)始；地表粗糙度測(cè)試儀進(jìn)行初始化、測(cè)試儀自檢、讀入系統(tǒng)參數(shù)缺省值；
執(zhí)行步驟105，電動(dòng)平移臺(tái)單元作直線運(yùn)動(dòng)；計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，電動(dòng)平移臺(tái)單元的 電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)平移臺(tái)單元按照指定的零位位置和限位位置、指定的速度和指定 的范圍作勻速直線運(yùn)動(dòng)；
執(zhí)行步驟110，數(shù)據(jù)采集；計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，與電動(dòng)平移臺(tái)單元連接的成像單元中 的激光器8向待測(cè)地表發(fā)射出垂直方向的激光束，在地表形成一條激光光帶；左CCD攝像機(jī) 7和右CCD攝像機(jī)9同時(shí)同步采集激光光帶的圖像，對(duì)待測(cè)地表掃描成像；
執(zhí)行步驟115，圖像處理；對(duì)獲得的圖像經(jīng)過(guò)噪聲點(diǎn)刪除算法、光帶提取算法后得 到激光光帶中心位置的圖像像素坐標(biāo)；
執(zhí)行步驟120，坐標(biāo)變換；通過(guò)儀器的特征參數(shù)將圖像的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為空間 的X，y，ζ三維坐標(biāo)；
執(zhí)行步驟125，地表粗糙度數(shù)據(jù)計(jì)算；把得到的X，y, ζ坐標(biāo)值，帶到粗糙度參數(shù)計(jì) 算公式中，計(jì)算出所測(cè)范圍內(nèi)的地表粗糙度參數(shù)；
執(zhí)行步驟130，數(shù)據(jù)顯示或打印；可以根據(jù)需要在顯示器上顯示所測(cè)范圍內(nèi)的地 表的粗糙度的信息或通過(guò)打印機(jī)打印測(cè)試結(jié)果；
執(zhí)行步驟135，結(jié)束；
所述的粗糙度計(jì)算公式如下隨機(jī)表面的粗糙度是以波長(zhǎng)為度量單位的統(tǒng)計(jì)參數(shù) 來(lái)表征的，表征表面粗糙度的兩個(gè)基本參量一是表面高度變量的標(biāo)準(zhǔn)離差；另一個(gè)是表 面相關(guān)長(zhǎng)度；
表面高度變量的標(biāo)準(zhǔn)離差(1)假設(shè)有一表面處于Xy平面內(nèi)，在Xy平面之上某點(diǎn) (χ，y)的高度為ζ (χ，y) ； (2)在表面之上取統(tǒng)計(jì)意義上有代表性的一塊，尺寸分別為L(zhǎng)x和 Ly，并假設(shè)這塊表面的中心處于原點(diǎn)，則表面的平均高度為
權(quán)利要求
1.地表粗糙度測(cè)試儀，其特征在于，其組成包括電動(dòng)移動(dòng)單元(1)、調(diào)整支架平臺(tái)單 元、成像單元和電腦(1 ；所述的電動(dòng)移動(dòng)單元(1)固接在調(diào)整支架平臺(tái)單元臺(tái)面上，成像 單元與電動(dòng)移動(dòng)單元(1)固定連接后，面對(duì)地面置于調(diào)整支架平臺(tái)單元(1)的下面，電腦 (12)與電動(dòng)移動(dòng)單元(1)及成像單元連接，電腦(1 中存儲(chǔ)有地表粗糙度測(cè)試儀的運(yùn)行軟 件；所述的成像單元由CCD攝像機(jī)和激光器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表粗糙度測(cè)試儀，其特征在于，所述的調(diào)整支架平臺(tái)單元 包括上調(diào)整平臺(tái)O)、精調(diào)底座(3)、下調(diào)整平臺(tái)、支柱( 和粗調(diào)底座(6)；其中，支柱( 的底端為尖頭，支柱( 的底部有與粗調(diào)底座(6)的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋； 支柱(5)共有4個(gè)，分別固接在下調(diào)整平臺(tái)的4個(gè)角；粗調(diào)底座(6)為方形金屬板，其中心有一個(gè)圓孔并且圓孔壁上有內(nèi)螺紋；所述的粗調(diào) 底座(4)也共有4個(gè)，分別與支柱( 一一配合；粗調(diào)底座(6)與支柱5通過(guò)螺紋連接且使粗調(diào)底座(6)與地面接觸，調(diào)整粗調(diào)底座(6) 與支柱(5)的底部插入到松軟的土壤內(nèi)部的高度；上調(diào)整平臺(tái)( 與下調(diào)整平臺(tái)(4)是形狀和尺寸完全一樣的方形板，上調(diào)整平臺(tái)(2) 與下調(diào)整平臺(tái)(4)的中心線兩側(cè)均對(duì)應(yīng)的各有一個(gè)以中心線對(duì)稱的矩形孔；上調(diào)整平臺(tái) (2)的四個(gè)邊的中間各有一個(gè)標(biāo)定上調(diào)整平臺(tái)( 水平度的氣泡；下調(diào)整平臺(tái)(4)的方形板上面固接三個(gè)呈三角形排列的精調(diào)底座(3)與上調(diào)整平臺(tái) ⑵連接；精調(diào)底座(3)由圓形的螺桿(1 旋鈕(14)和底座(1 組成；其中，螺桿(1 與旋鈕 (14)之間緊固連接；底座(15)的中間為一個(gè)圓形的孔，孔的內(nèi)壁有內(nèi)螺紋，螺桿(13)有外 螺紋，螺桿(1 與底座(1 通過(guò)所述的螺紋連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕(14)調(diào)節(jié)螺桿(1 與底 座(1 的中間孔的深度來(lái)調(diào)整精調(diào)底座(3)的高度；上調(diào)整平臺(tái)O)的方形板上有2個(gè)以上的螺孔用于與電動(dòng)移動(dòng)單元(1)的底板通過(guò)螺 栓緊固連接；電動(dòng)移動(dòng)單元(1)的電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)電動(dòng)移動(dòng)單元(1)的上臺(tái)面 作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；成像單元由左CXD攝像機(jī)(7)、激光器(8)、右CXD攝像機(jī)(9)和托板(10)組成；左CXD 攝像機(jī)(7)、激光器⑶和右CCD攝像機(jī)(9)均固接在托板(10)上；電動(dòng)移動(dòng)單元(1)與成像單元的連接方式如下2個(gè)U型槽(11)的形狀和尺寸相同且 分別對(duì)應(yīng)放置于所述的上調(diào)整平臺(tái)( 與下調(diào)整平臺(tái)的中心線兩側(cè)對(duì)稱的矩形孔中， 一個(gè)U型槽(11)的兩端分別與電動(dòng)移動(dòng)單元(1)的上臺(tái)面及成像單元的托板(10)緊固連 接，相對(duì)放置的另一個(gè)U型槽的兩端也分別與電動(dòng)移動(dòng)單元(1)及成像單元的托板(10)緊 固連接，成像單元在電動(dòng)移動(dòng)單元(1)的帶動(dòng)下完成直線運(yùn)動(dòng)，成像單元中的激光器(8)向 待測(cè)地表發(fā)射出垂直方向的激光束，在地表形成一條激光光帶；左CXD攝像機(jī)(7)和右CXD 攝像機(jī)(9)同時(shí)同步采集激光光帶的圖像，對(duì)待測(cè)地表掃描成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地表粗糙度測(cè)試儀，其中左CCD攝像機(jī)(7)和右CCD攝像機(jī) (9)為黑白CCD，其最大像素為752 X 480，幀速60FPS，配以5mm鏡頭，采用1394接口進(jìn)行圖 像采集與傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地表粗糙度測(cè)試儀，其中激光器(8)采用半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)光源，波長(zhǎng)650nm，功率為5_20mw可調(diào)。
5. 一種利用如權(quán)利要求2所述的地表粗糙度測(cè)試儀進(jìn)行地表粗糙度測(cè)試的方法，包括 以下步驟步驟100，地表粗糙度測(cè)試儀進(jìn)行初始化、測(cè)試儀自檢、讀入系統(tǒng)參數(shù)缺省值；步驟105，計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，電動(dòng)平移臺(tái)單元的電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)平移臺(tái)單元按 照指定的零位位置和限位位置、指定的速度和指定的范圍作勻速直線運(yùn)動(dòng)；步驟110，計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，與電動(dòng)平移臺(tái)單元連接的成像單元的激光器(8)向待側(cè)地 表面發(fā)射出垂直方向的激光束，在地表會(huì)形成一條激光光帶，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表輪廓的自動(dòng)掃描； 左CCD攝像機(jī)(7)和右CCD攝像機(jī)(9)同時(shí)同步采集激光光帶的圖像，對(duì)待測(cè)地表掃描成 像；步驟115，對(duì)獲得的圖像經(jīng)過(guò)噪聲點(diǎn)刪除算法、光帶提取算法后得到激光光帶中心位置 的圖像像素坐標(biāo)；步驟120，坐標(biāo)變換；通過(guò)儀器的特征參數(shù)將圖像的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為空間的x，y，z三 維坐標(biāo)；步驟125，把得到的X，y, ζ坐標(biāo)值，帶到粗糙度參數(shù)的計(jì)算公式中，計(jì)算出所測(cè)范圍內(nèi) 的地表粗糙度參數(shù)；步驟130，根據(jù)需要在顯示器上顯示所測(cè)范圍內(nèi)的地表的粗糙度的信息或通過(guò)打印機(jī) 打印測(cè)試結(jié)果；步驟135，結(jié)束；其中，所述的粗糙度計(jì)算公式如下隨機(jī)表面的粗糙度是以波長(zhǎng)為度量單位的統(tǒng)計(jì)參 數(shù)來(lái)表征的，表征表面粗糙度的兩個(gè)基本參量一是表面高度變量的標(biāo)準(zhǔn)離差；另一個(gè)是 表面相關(guān)長(zhǎng)度；表面高度變量的標(biāo)準(zhǔn)離差(1)假設(shè)有一表面處于xy平面內(nèi)，在xy平面之上某點(diǎn)(χ， y)的高度為z(x，y) ； (2)在表面之上取統(tǒng)計(jì)意義上有代表性的一塊，尺寸分別為L(zhǎng)x和、， 并假設(shè)這塊表面的中心處于原點(diǎn)，則表面的平均高度為
全文摘要
本發(fā)明的地表粗糙度測(cè)試儀的組成包括電動(dòng)移動(dòng)單元、調(diào)整支架平臺(tái)單元、成像單元和電腦；所述的電動(dòng)移動(dòng)單元固接在調(diào)整支架平臺(tái)單元臺(tái)面上，成像單元與電動(dòng)移動(dòng)單元固定連接后，面對(duì)地面置于調(diào)整支架平臺(tái)單元的下面，在電腦的控制下，電動(dòng)移動(dòng)單元帶動(dòng)成像單元完成對(duì)被測(cè)區(qū)域的掃描成像，經(jīng)處理后得到被測(cè)地面的三維空間坐標(biāo)信息，從而方便的計(jì)算出地表粗糙度參數(shù)。本發(fā)明地表粗糙度測(cè)試儀用于測(cè)試地表粗糙度參數(shù)，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器標(biāo)定，無(wú)需對(duì)被測(cè)區(qū)域粘貼標(biāo)記點(diǎn)，可以快速、自動(dòng)地得到被測(cè)區(qū)域的地表粗糙度參數(shù)。本發(fā)明的地表粗糙度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、大地的測(cè)量，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食估產(chǎn)以及微波反演提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
文檔編號(hào)F16M11/04GK102042817SQ20101055402
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者姜濤, 張世軼, 李曉潔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所