[發明專利]一種地表粗糙度測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201210223607.7
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN102706295A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 邵蕓;王國軍;宮華澤;張風麗;劉龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院遙感應用研究所
• 主分類號: G01B11/30
• 分類號: G01B11/30
• 代理公司: 北京方韜法業專利代理事務所 11303
• 代理人: 馬麗蓮

1.一種地表粗糙度測量系統，其特征在于，包括支撐裝置、電動裝置、激光測距裝置、通訊裝置、傾角測量裝置及控制處理裝置，其中：

支撐裝置，用于支撐電動裝置、激光測距裝置、傾角測量裝置；

電動裝置，在控制處理裝置的控制下用于使激光測距裝置在支撐裝置的水平方向上均勻移動；

激光測距裝置，其照射方向鉛垂向下，在控制處理裝置的控制下用于測量與地面點的距離，并將測量值反饋給控制處理裝置；

通訊裝置，用于保證激光測距裝置與控制處理裝置之間的數據通訊；

傾角測量裝置，用于測量支撐裝置與水平方向的傾角；

控制處理裝置，用于整個系統的控制，通過發送指令控制電動裝置和激光測距裝置的工作，接受并存儲測量數據，并計算粗糙度參數。

2.根據權利要求1所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述支撐裝置包括水平支撐桿、水平導軌和支架，水平支撐桿與支架頂端連接，水平導軌連接在水平支撐桿下方。

3.根據權利要求2所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述水平支撐桿與支架頂端為可拆卸連接，水平導軌與水平支撐桿為可拆卸連接，且上述三部分拆卸后的最大長度小于1.2米。

4.根據權利要求2所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述支架為4條，在每條支架中間處設置有可以調節支架長度的調節螺紋。

5.根據權利要求1-4任一項所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述電動裝置包括步進電機及與步進電機連接的步進電機控制器，且所述步進電機包含直流電源為步進電機控制器提供能源。

6.根據權利要求2-4任一項所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述激光測距裝置包括激光測距儀、托盤及電源；所述激光測距儀通過托盤安裝在支撐裝置的水平導軌上。

7.根據權利要求1-4任一項所述的地表粗糙度測量系統，其特征在于，所述通訊裝置為無線通訊模塊，所述控制處理裝置包含電腦。

8.一種地表粗糙度的測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）架設好支撐裝置之后將其放在待測地表之上；

（2）記錄傾角測量裝置的傾角值；

（3）通過控制處理裝置中電腦軟件來初始化程序，并設置測量參數和傾角值，最后完成地表粗糙度參數的自動采集和處理。

9.根據權利要求8所述的地表粗糙度的測量方法，其特征在于，所述步驟（2）中，先通過調整支撐裝置的支架中間的調節螺紋使支撐裝置的水平支撐桿與水平方向夾角小于1°，然后再記錄傾角測量裝置的傾角值。

10.根據權利要求8或9所述的地表粗糙度的測量方法，其特征在于，所述步驟（3）具體為：?

（1）控制處理裝置執行系統初始化，將激光測距裝置放在起始位置；設置測量長度及采樣間隔；將傾角測量裝置測量的傾角數據輸入控制處理裝置的軟件中；

（2）電動裝置的步進電機在控制處理裝置及步進電機控制器的指令下轉動，帶動激光測量裝置在制定的步長、速度和范圍內作直線勻速運動；

（3）數據測量及存儲：控制處理裝置通過通訊裝置發送指令，激光測距裝置的激光測距儀向待測地表發射激光，當接收到地表反射的能量后，將結果值z通過通訊裝置反饋給控制處理裝置并存儲，與此同時，控制處理裝置將電動裝置中的步進電機行進的距離x也一起存儲；當沒有接收到地面反射的能量時，則直接跳到下一個測量點；整個測量結束后，既可以得到坐標數據集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}，其中N為測量的點數；

（4）數據的顯示和計算：利用數據集{(x_i,z_i)|i=1,2,…N}和傾角既可以得到測量地表一條剖面線上高度分布，然后將高度分布繪制在屏幕上，并利用公式計算粗糙度參數；

其中，所述粗糙度參數計算公式如下：

（1）均方根高度計算：假設一表面在xy平面內，其中一點(x,y)的高度為z(x,y)，在表面上取統計意義上有代表性的一塊，尺度分別為L_x和L_y，并假設這塊平面的中心處于原點，則該表面平均高度為:

z ˉ= 1 L x L y ∫ ? L x/2 L x/2 ∫ ?Ly /2 Ly /2 z(x,y)dxdy ]]>

其二階矩為：

z 2 ˉ= 1 L x L y ∫ ? L x/2 L x/2 ∫ ?Ly /2 Ly /2 z 2(x,y)dxdy ]]>

表面高度的標準偏差，即均方根高度σ?就為：

σ= ( z 2 ˉ? z ˉ 2) 1/2 ]]>

對于一維離散數據其表面高度的標準偏差為：

σ= { 1 N?1 [ ∑ i=1N z i 2 ?N ( z ˉ) 2] } 1/2 ]]>

式中，N為采樣數目；

（2）相關長度計算：一維表面剖視值z(x)的歸一化自相關函數可以定義為：

ρ(x')= ∫ ? L x/2 L x/2 z(x)z(x+x')dx ∫ ? L x/2 L x/2 z2 (x)dx ]]>

它是x點的高度在z(x)與偏離x的另一點z＇的高度z(x+x＇)之間相似性的一種度量，對于離散數據，相距x＇=(j-1)Δx的歸一化自相關函數由下式給出，其中j為自然數:?

ρ(x')= ∑ i=1 N+1?j z i z j+i?1 / ∑ i=1N z i 2 ]]>

當相關函數時的間隔x＇的值被稱為表面相關長度。