一種針式粗糙度儀的製作方法

2023-05-28 16:35:56

專利名稱：一種針式粗糙度儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量裝置與技術領域，具體涉及一種測量地表面粗糙度的針式粗糙度儀。
背景技術：
為了描述不規則隨機表面，通常把它的高程看作是一個二維隨機場，也就是2參數的隨機過程z(x，y)，其中，x，y表示水平坐標。以此為基礎計算的表面高程均方差，相關
長度，或者擬合的相關長度函數，相關長度的頻譜，成為粗糙度參數和粗糙度譜等表面特性參數。 而微波遙感面散射模型中最常用的粗糙度參數是相關度函數的二維粗糙度譜W(kx，ky)。例如SPM模型、IEM模型、Kirchhoff低頻(標量近似)下的情況、歸一化散射截面中均存在W(、，ky)因子。其計算公式為 『(、,、)=。2" J咖- (x,力 (i ) 在做高斯二維隨機場假設以後，通常有兩種途徑去求出這個粗糙度相關函數譜。第一種方法是假設一個已知函數型，但含有未知參數，例如高斯型函數
p(x,力=e-"2+^0'2域者指數函數/^x,力=e-^77^^ ，以及其他一些函數。其中相關長
度l為位置參數，需要通過粗糙度測量數據擬合。通過P (x，y)再直接做離散傅立葉變換。此外Kirchhoff模型在高頻下的近似需要用到均方差02相關長度1。上述兩種方法均需要z (x， y)作為原始測量數據計算p (x， y) ， o 2和1。 微波遙感模型中的面散射物理模型均需要粗糙度因子作為輸入參數。由於微波遙感的目標涉及到各種複雜的實際情況，通常的面散射模型實質上是一個場到場的面積分，而積分表面就是目標的隨機表面，因此在各種模型近似的最終散射係數結果中，往往會存在粗糙度項因子。這個因子就是上面提到的各種粗糙度參數。 常用的數字特徵有表面方差，相關長度，表面譜，相關度譜(如l式)等。根據模型的不同，需要的數字特徵不同，但是這些特徵都可以通過z(x， y)數據的變換和擬合得到，而且通常認為這些特徵隨時間和地域是緩變的，即農田反演時，可以在一個生長周期(兩次耕地間)測量一些有代表性的區域作為全周期本地域的粗糙度因子。
目前國際上的粗糙度儀可以分為針式粗糙度儀和雷射掃描式粗糙度儀兩類。前者通常價格較低，可測量的表面有一定局限性，而且操作不方便，如不能測量太鬆軟的表面，單次測量剖面線長度有限。後者價格昂貴，需要電機控制運動部，容易受到地面植被或反射率不同的土壤表面的幹擾。 目前國際上還沒有出現能夠測量地面並滿足微波遙感模型反演尺度上的面陣式或推掃式的針式粗糙度儀，現存的針式粗糙度儀均只能進行單個剖面線線測量，或者是僅能夠測量工件表面的小範圍高精度儀器。儘管在隨機表面各向同性的假設下，通過在某處反覆單線測量可以近似得到粗糙度參數，但真實的表面往往不是各項同性的，而且根據雷達入射波長，通常存在多尺度譜的問題，模型中需要將他們分離計算；大尺度譜一般不是各項同性的，這就需要二維譜數據將兩種尺度分離，而已有的單線粗糙度儀無法做到。

發明內容
本發明的目的是提供一種測量地表面粗糙度的針式粗糙度儀，用來解決現有的單
線粗糙度儀通過反覆單線測量得到粗糙度參數時帶來的測量誤差大、一次性測量區域小、採樣間隔低以及無法根據譜數據分離不同尺度等缺陷。 為了達到上述目的，本發明提供了一種針式粗糙度儀，所述粗糙度儀包括
支撐框架，具有平行的水平滑軌； 外運動部件，位於所述支撐框架內部，沿所述平行滑軌滑動，其內具有與支撐框架滑軌垂直的水平滑軌； 內運動部件，位於所述外運動部件內部，沿外運動部件的水平滑軌滑動，所述內運動部件的相對內側壁具有若干平行、等間距的面板插槽； 若干面板，插於所述面板插槽內，所述各面板的高度沿中間插槽向兩側插槽逐漸
遞減，所述面板沿其長度方向具有若干相互平行、等間距的豎直鋼針插槽； 若干鋼針，插於所述鋼針插槽內，不同面板的鋼針長度按照面板高度差依次變化，
可沿鋼針插槽豎直落地。 其中，所述支撐框架沿其滑軌方向固定有刻度尺，所述外運動部件具有指針，指向
支撐框架上的刻度尺，從而讀出外運動部件在沿支撐框架滑軌方向的滑動距離。 其中，所述外運動部件上固定有刻度尺，所述內運動部件在平行於外運動部件的
滑軌方向有指針，指向外運動部件的刻度尺，從而讀出內運動部件在沿外運動部件的滑軌
方向的滑動距離。 其中，所述面板的個數為9，所述面板插槽的間距為2cm。 其中，所述每塊面板上鋼針的個數為50，所述鋼針插槽的間距為2cm。 其中，所述鋼針的長度比其所屬面板的高度大。 其中，所述鋼針上部具有提手，下部具有鋼針套。 其中，所述支撐框架包括若干帶有刻度可調高度的腳，用以調節儀器水平和測量動態範圍。 其中，所述粗糙度儀還包括位於所述粗糙度儀下端的水平定標板，用於通過定標測量得到定標數據。 本發明還提供了一種利用上述針式粗糙度儀進行測量的方法，所述測量方法包括步驟 Sl，選定待測區域，並構建坐標系； S2，調整所述支撐框架的支腳高度使得所述鋼針接觸所述待測區域並且所有鋼針頂端在所述各自面板的可視範圍內，並通過水準泡使得整個針式粗糙度儀水平；
S3，架設相機到固定高度和距離；
S4，拍攝所有插有鋼針的面板； S5，移動所述外運動部件，重複S3-S4，直至完成所述針式粗糙度儀量程範圍的全
S6，通過所拍攝的照片上的鋼針下落的距離從而確定地表高程。
其中，所述步驟S5之前還包括步驟 S5a，移動內運動部件，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板，所述移動步長為所要求的採樣間隔； S5b，移動外運動部件，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板，所述移動步長為所要求的採樣間隔。 其中，所述步驟S6之後還包括步驟 S7，通過測量針式粗糙儀和相機的對每塊面板上鋼針的視角來修正非水平視向造
成的鋼針在面板上的投影差。 其中，所述步驟S7之後還包括步驟 S8，使用預先通過定標測量得到的定標數據對所述地表高程進行修正。 其中，所述步驟S3中在針式粗糙度儀的正反兩面分別架設相機。 利用本發明所提供的針式粗糙度儀對固定表面進行掃推式粗糙度測量，可實現一
次性面陣測量，操作方便，可測參數多，精確度高，拆卸方便，結構緊湊。而且，本發明中的粗
糙度儀可得到各項異性的譜數據或者相關度譜數據，從而利用不同的濾波器將譜進行分頻
達到分離尺度的目的。


圖1為本發明的針式粗糙度儀的結構示意圖； 圖2為本發明的針式粗糙度儀的面板與鋼針的結構示意圖。
圖中1、支撐框架；2、外運動部件；3、面板插槽；4、面板；5、鋼針插槽；6、鋼針。
具體實施例方式
以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 以下結合附圖具體闡述本發明的針式粗糙度儀。如圖1所示為所述針式粗糙度儀的結構示意圖。所述粗糙度儀包括支撐框架l，具有平行的水平滑軌，沿滑軌方向固定有毫米刻度尺，所述支撐框架1還具有三個條形水準泡；外運動部件2，位於所述支撐框架1內部，沿所述平行滑軌滑動，其內具有與支撐框架1的滑軌垂直的水平滑軌，所述外運動部件2還具有指針，指向支撐框架1上的刻度尺，從而讀出外運動部件2在所述支撐框架1的平行滑軌方向上的滑動距離，所述外運動部件2在垂直於支撐框架1的平行滑軌方向上也固定有毫米刻度尺；內運動部件，位於所述外運動部件2內部，可沿外運動部件2的水平滑軌滑動，在平行於所述外運動部件2的滑軌滑軌方向上有指針，指向外運動部件2的刻度尺，從而讀出該方向上的滑動距離，所述內運動部件的相對內側壁具有若干平行、等間距的面板插槽3 ;若干面板4，插於所述面板插槽3內，所述各面板4的高度沿中間插槽向兩側插槽逐漸遞減，所述面板4沿其長度方向具有若干相互平行、等間距的豎直鋼針插槽5 ;若干鋼針6，插於所述鋼針插槽5內，可沿鋼針插槽5豎直落地。其中，所述鋼針6的長度比其所屬面板4的高度大。其中，所述面板4的個數為9，所述面板插槽3的間距為2cm ;所述每塊面板4上鋼針6的個數為50，所述鋼針插槽5的間距為2cm。所述鋼針6上部具有提手，下部具有鋼針套。所述支撐框架1包括若干帶有刻度可調高度的腳，用以調節儀器水平和測
6量動態範圍。所述粗糙度儀還包括位於所述粗糙度儀下端的水平定標板，用以通過定標測量得到定標數據。 本發明還提供了一種利用上述針式粗糙度儀進行測量的方法，所述測量方法包括步驟S1，選定待測區域，組裝所述針式粗糙度儀，並構建坐標系，可以按照電磁場入射投影方向構建坐標系；S2，調整所述支撐框架的支腳高度使得所述鋼針接觸所述待測區域並且
所有鋼針頂端在所述各自面板的可視範圍內，並通過水準泡使得整個針式粗糙度儀水平；S3，在針式粗糙度儀的正反兩面分別架設相機到固定高度和距離；S4，拍攝所有插有鋼針的面板；S5，移動所述外運動部件，重複步驟S3-S4，直至完成待測範圍的全部測量；S6，通過所拍攝的照片上的鋼針下落的高度從而確定地表高程。當需要加密時，所述步驟S5之前還包括步驟S5a，通過鋼針提手提起所有鋼針離開地面並將提手固定在掛鈎上，以所要求的採樣間隔為步長移動內運動部件，鬆開提手，讓鋼針豎直落地，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板，直至完成2cm內的加密；S5b，以所要求的採樣間隔為步長移動外運動部件，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板。如果不需要加密，則S5b中的外運動部件直接移動20cm完成測量，在所有的拍攝和數據採集工作完成後，通過測量針式粗糙儀和相機的對每塊面板上鋼針的視角來修正非水平視向造成的鋼針在面板上的投影差；S8，使用預先通過定標測量得到的定標數據對所述地表高程進行修正。 圖2為插有鋼針6的面板4的結構示意圖。各面板4的高度沿中間插槽向兩側插槽逐漸遞減，所述面板4沿其長度方向具有若干相互平行、等間距的豎直鋼針插槽5 ;若干鋼針6，不同面板的鋼針長度按照面板高度差依次變化，插於所述鋼針插槽5內，可沿鋼針插槽5豎直落地。其中，所述鋼針6的長度比其所屬面板4的高度大20cm。其中，所述面板4的個數為9，所述面板插槽3的間距為2cm ;所述每塊面板4上鋼針6的個數為50，所述鋼針插槽5的間距為2cm。所述鋼針6上部具有提手用於在移動運動部件時將鋼針6提離地面，下部具有鋼針套用以保護鋼針。 本粗糙度儀的每個面板起到單線粗糙度板的作用測量一條直線上50個等距點的z值。由於所述等距點的間距為2cm，那麼可測量的一條線長為lm。由於本發明中的10個面板水平等距，間距為2cm，則單次測量的數據為10X50 = 500個點，且採樣間隔相同，均為2cmX2cm。單次的測量範圍是20cmX 100cm。這樣將固定面板的運動部件沿所述支撐框架的滑軌推動5次就可以覆蓋lmX lm的範圍。如需增加覆蓋範圍，則將測量面邊緣相互重合連續測量。 下面介紹利用本發明所述的針式粗糙度儀進行測量的記錄讀數方式。由於正反兩面每面5塊面板高度不同，不同面板上鋼針長度也不同(相鄰相差10cm)，因此可以保證一次性拍攝到所有面板。每塊面板上都有標準長度線，最後的鋼針下落長度和標準長度線像素坐標(經過近景鏡頭校正後)差比較可以自動計算高程。為了減小儀器尺寸，採用正反兩面同時拍攝的方法，1 5號面板高度逐級遞增，6 10號面板高度逐級遞減。實際中用到9塊板，高度最大的5號板使用其正反兩面。 測量的方法是在儀器正反兩面架設一直相對高度和水平距離的數位相機，對面板拍攝，由於等長針豎直落地，地表高度不同，針的高度必然不同，將照片用配套軟體處理可以提取出地面高程。 如果針對特殊波段需要加密，可以在兩個方向按毫米的步長移動，通過增加拍攝次數得到採樣間隔最高毫米級的粗糙度數據。 以下為利用本發明的針式粗糙度儀進行粗糙度測量的步驟首先選擇有代表性的區域；其次進行儀器的組裝，為了儀器的便攜，所有的框架可以拆卸，保證每個部分最多只有一個方向為lm左右，其餘方向很窄，便於裝箱和託運；然後將四個腳調整至合適高度使得整個表面的高程在鋼針可接觸且面板上可視範圍內；通過水準泡將整個儀器三向調平；用水準尺找到距離儀器正反面已知的一個水平距離，在兩邊分別架設相機架，調平相機架，並測量相機架高度，保證拍照時能夠包含所有面板的儘量小的距離；從起始端開始，測量單個面陣的z(x， y)值。每次測量完畢後，用提手將所有鋼針提起至離地一定高度，前後(左右)推動外(內)滑塊，到下一個位置後，鬆開提手，讓鋼針自由下落，接觸地面後，正反兩面拍照。如此往復，直至lmXlm範圍內測完。根據滑塊上的錶針指向鋼架上的刻度讀取移動的距離，每次移動距離視要求採樣間隔而定。 在測量過程中需要進行高程修正。由於通過照片上鋼針在面板上的位置確定地表高程，實際上是個投影問題。每排高度都不相同，因此拍攝視角並不相同。鑑於鋼針有6mm直徑，而且中心距離面板有7. 5mm距離，在非水平的視角下投影到面板上必然和其實際高度存在一個差，這個差可以通過視角算出，而視角通過預先測量的儀器和攝像機的水平距離和高度差得到。 此外，在測量過程中還可以進行損耗修正。儀器在長期使用過程中難保鋼針接觸地面的地方不被磨損，一方面，我們使用同樣大小的鋼針套保護鋼針底部，另一方面使用定標板來檢測磨損造成的系統誤差，在最終的數據中減去這個誤差。 定標板就是一塊完全平整且可調水平(也通過水準泡)的金屬板，將粗糙度儀放在上面測量，每點高程必然相同，如果某些點有所不同，則這些鋼針可能存在磨損誤差，測量這些誤差然後在實地測量時減去即可。出野外測量以前可以在實驗室內做好這些定標和距離設計，最後這些修正也通過將定標參數讀入軟體的形式改正結果。 以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由其權利要求限定。
權利要求
一種針式粗糙度儀，其特徵在於，所述粗糙度儀包括支撐框架，具有平行的水平滑軌；外運動部件，位於所述支撐框架內部，沿所述平行滑軌滑動，其內具有與支撐框架的滑軌垂直的水平滑軌；內運動部件，位於所述外運動部件內部，沿外運動部件的水平滑軌滑動，所述內運動部件的相對內側壁具有若干平行、等間距的面板插槽；若干面板，插於所述面板插槽內，所述各面板的高度沿中間插槽向兩側插槽逐漸遞減，所述面板沿其長度方向具有若干相互平行、等間距的豎直鋼針插槽；若干鋼針，插於所述鋼針插槽內，不同面板的鋼針長度按照面板高度差依次變化，所述鋼針可沿鋼針插槽豎直落地。
2. 如權利要求1所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述支撐框架沿其滑軌方向固定 有刻度尺，所述外運動部件具有指針，指向支撐框架上的刻度尺，從而讀出外運動部件在沿 支撐框架滑軌方向的滑動距離。
3. 如權利要求2所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述外運動部件上固定有刻度尺， 所述內運動部件在平行於外運動部件的滑軌方向有指針，指向外運動部件的刻度尺，從而 讀出內運動部件在沿外運動部件的滑軌方向的滑動距離。
4. 如權利要求l-3任一項所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述面板的個數為9，所 述面板插槽的間距為2cm。
5. 如權利要求l-3任一項所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述每塊面板上鋼針的 個數為50，所述鋼針插槽的間距為2cm。
6. 如權利要求5所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述鋼針的長度比其所屬面板的 高度大。
7. 如權利要求6所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述鋼針上部具有提手，下部具有 鋼針套。
8. 如權利要求7所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述支撐框架包括若干帶有刻度、 可調高度的腳，用以調節儀器水平和測量動態範圍。
9. 如權利要求8所述的針式粗糙度儀，其特徵在於，所述粗糙度儀還包括位於所述鋼 針下端的水平定標板，用於得到定標數據。
10. 利用權利要求l-9任一項所述針式粗糙度儀進行測量的方法，其特徵在於，所述測 量方法包括步驟Sl，選定待測區域，並構建坐標系；S2，調整所述支撐框架的支腳高度使得所述鋼針接觸所述待測區域並且所有鋼針頂端 在所述各自面板的可視範圍內，並使得整個針式粗糙度儀水平； S3，架設相機到固定高度和距離； S4，拍攝所有插有鋼針的面板；S5，移動所述外運動部件，重複步驟S3-S4，直至完成所述粗糙速儀量程範圍的全部測 S6，通過所拍攝的照片上的鋼針下落的距離確定地表高程。
11. 如權利要求io所述的粗糙度測量方法，其特徵在於，當需要加密測量時，所述步驟S5之前還包括步驟S5a，移動內運動部件，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板，所述移動步長為所要求的採樣間隔；S5b，移動外運動部件，拍攝每次移動後的插有鋼針的面板，所述移動步長為所要求的採樣間隔。
12. 如權利要求11所述的粗糙度測量方法，其特徵在於，在所述步驟S6之後還包括步驟S7，通過針式粗糙度儀和相機的相對位置計算對每塊面板上鋼針的視角來修正所述地表高程。
13. 如權利要求12所述的粗糙度測量方法，其特徵在於，所述步驟S7之後還包括步驟S8，使用定標數據對所述地表高程進行修正。
14. 如權利要求10-13任一項所述的粗糙度測量方法，其特徵在於，所述步驟S3中在針式粗糙度儀的正反兩面分別架設相機。
全文摘要
本發明涉及一種針式粗糙度儀，所述粗糙度儀包括具有平行滑軌的支撐框架；位於所述支撐框架內部的運動部件，所述運動部件沿所述平行滑軌滑動，所述運動部件的相對內側壁具有若干面板插槽；插於所述面板插槽內的若干面板，所述面板沿其長度方向具有若干豎直鋼針插槽；插於所述鋼針插槽內的所述鋼針，可沿鋼針插槽豎直落地。利用本發明所提供的針式粗糙度儀對固定表面進行粗糙度測量，可實現一次性面陣測量，並可測量具有一定坡度的表面，操作方便，精確度高。
文檔編號G01C5/00GK101776448SQ20091007615
公開日2010年7月14日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者沈心一, 秦其明, 趙少華 申請人:北京大學