[發(fā)明專利]一種基于高速攝影的土壤斥水性測量系統(tǒng)和方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710135067.X
• 申請(qǐng)日: 2017-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN106840974A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔家國;趙勇;王英;李海紅;任長江;吳迪;鐘一丹;曹國亮;楊朝暉;鄧曉婭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國水利水電科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01N13/00
• 分類號(hào): G01N13/00
• 代理公司: 北京國林貿(mào)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11001
• 代理人: 李桂玲,李富華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于高速攝影的土壤斥水性測量系統(tǒng)和方法，是一種土壤水文測量系統(tǒng)和方法，是一種土壤特性進(jìn)行測量的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤。土壤斥水性不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，如導(dǎo)致土壤水分的不均勻分布，使水中攜帶的溶質(zhì)更快地進(jìn)入地下水，降低土壤持水能力，加強(qiáng)地表徑流和侵蝕。

測定土壤斥水性的方法有很多種，包括接觸角測定法、滴水穿透時(shí)間法（WDPT）、酒精溶液入滲法（MED）、固氣表面張力測定法和進(jìn)水壓力水頭測定法等。近20年來，滴水穿透時(shí)間法與酒精溶液入滲法逐漸成為最常用的兩種測定方法?，F(xiàn)有的這些方法在具體測試中，均采用人眼直接觀察，并輔以秒表計(jì)時(shí)等簡單的測量工具。由于水滴的形體較小，在測試過程人為動(dòng)作的差異，以及各人觀察角度的不同和對(duì)觀察對(duì)象變化的認(rèn)知差異等，形成了許多人為的因素，以致使觀測數(shù)據(jù)差異很大，特別對(duì)具有斥水性較強(qiáng)的土壤進(jìn)行觀測實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于需要較長時(shí)間，人的注意力和主觀判斷會(huì)造成較大誤差，嚴(yán)重影響了斥水性測量的精確度。

很多研究者通過測定水-固體接觸角φ值判斷土壤斥水度，φ>90°時(shí)為斥水土壤，反之則為親水土壤。Bachmann等提出固著滴液法直接測定土壤接觸角。他們將雙面膠的一面粘在顯微鏡載玻片上，將過篩的土壤顆粒(直徑為63—200μm)均勻地壓在雙面膠的另一面，形成一層均勻土壤顆粒層。在室溫(20℃)下用顯微鏡和量角器測出滴水后顆粒-水的接觸角。該方法效率和準(zhǔn)確度均較低。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于高速攝影的土壤斥水性測量系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法通過連續(xù)高速拍攝滴在土壤表面的水滴的照片，之后對(duì)照片進(jìn)行像素分析，得到水滴接觸角分析數(shù)據(jù)，最終確定土壤樣本的斥水性數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于高速攝影的土壤斥水性測量系統(tǒng)，包括：放置土壤樣品的承樣臺(tái)，具有高速連續(xù)拍攝照片能力的照相機(jī)，所述照相機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)對(duì)所述土壤樣品上表面平面，并在照相機(jī)視野中設(shè)有數(shù)字化秒表，所述土壤樣品和照相機(jī)鏡頭之間設(shè)有透鏡組，所述土壤樣品上方設(shè)有滴定器，所述的滴定器與照相機(jī)、數(shù)字化秒表之間設(shè)有聯(lián)動(dòng)器；所述的照相機(jī)與具有圖片處理能力的電腦連接。

進(jìn)一步的，所述的承樣臺(tái)為圓形平臺(tái)，圓形平臺(tái)的下部中心設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸。

進(jìn)一步的，所述的透鏡組中設(shè)有十字刻線，所述的透鏡組帶有能夠調(diào)節(jié)高度和水平位移的調(diào)節(jié)架。

進(jìn)一步的，所述的照相機(jī)帶有能夠升降的云臺(tái)。

進(jìn)一步的，所述的滴定器包括：可旋轉(zhuǎn)的盤架，所述的盤架上設(shè)置多個(gè)具有存水和滴水能力的滴管。

進(jìn)一步的，滴定器出水口與土壤樣品上表面之間的距離為2~3滴水滴的距離，所述水滴的水量為0.1~0.4毫升。

進(jìn)一步的，所述的聯(lián)動(dòng)器包括：安裝在滴定器出水口上的電磁閥，所述的電磁閥與三刀開關(guān)的一個(gè)刀臂連接，所述的三刀開關(guān)的另外兩個(gè)刀臂分別與照相機(jī)的快門和數(shù)字化秒表的啟動(dòng)開關(guān)連接。

進(jìn)一步的，所述的圓形平臺(tái)、調(diào)節(jié)架、云臺(tái)、盤架通過主支架連接，所述的圓形平臺(tái)、調(diào)節(jié)架和云臺(tái)上設(shè)置至少一個(gè)調(diào)節(jié)水平的水泡。

進(jìn)一步的，所述的土壤樣品是土壤取樣環(huán)刀切出的土壤樣本。

一種上述系統(tǒng)進(jìn)行土壤斥水性測量的方法，所述方法的步驟如下：

取樣的步驟：在被測試地區(qū)取土壤樣品，將土壤樣品防止在承樣臺(tái)上，將調(diào)整承樣臺(tái)連同土壤樣品的水平狀態(tài)，使土壤樣品的上表面與水平面保持平行；

調(diào)整照相機(jī)的步驟：調(diào)整照相機(jī)的位置，使照相機(jī)中的畫面與水平面垂直，將調(diào)整照相機(jī)，使照相機(jī)取景器中的中間一條水平刻線與土壤樣品的上表面線重合；

調(diào)整透鏡組的步驟：在照相機(jī)和土壤樣品之間放入透鏡組，調(diào)整透鏡組的水平位置，將透鏡組中的十字刻線的水平線與土壤樣品的上表面重合，十字刻線的垂線與水平面保持垂直；調(diào)整照相機(jī)的焦距，使十字刻線和土壤樣品上出現(xiàn)水滴的位置保持清晰；

準(zhǔn)備滴定液體的步驟：在滴定器中準(zhǔn)備潔凈的水體和酒精；

拍攝的步驟：啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)器，使滴定器向土壤樣品的上表面滴出一滴水體，同時(shí)啟動(dòng)照相機(jī)連續(xù)拍攝水體從滴定器中流出、形成水滴、水滴與土壤樣品上表面接觸、水滴在土壤上表面形成水珠，土壤樣品上表面的水珠變形并維持變形后一段時(shí)間的形狀的全過程，并在每一種圖片上顯示拍攝的時(shí)間，拍攝時(shí)間精確到0.01秒；在土壤樣品上表面選擇不同位置滴下水滴，進(jìn)行多次上述拍攝過程，形成多個(gè)系列照片；