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，是一種土壤特性進行測量的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

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業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，如導致土壤水分的不均勻分布，使水中攜帶的溶質更快地進入地下水，降低土壤持水能力，加強地表徑流和侵蝕。

測定土壤斥水性的方法有很多種，包括接觸角測定法、滴水穿透時間法（WDPT）、酒精溶液入滲法（MED）、固氣表面張力測定法和進水壓力水頭測定法等。近20年來，滴水穿透時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，并輔以秒表計時等簡單的測量工具。由于水滴的形體較小，在測試過程人為動作的差異，以及各人觀察角度的不同和對觀察對象變化的認知差異等，形成了許多人為的因素，以致使觀測數(shù)據(jù)差異很大，特別對具有斥水性較強的土壤進行觀測實驗時，由于需要較長時間，人的注意力和主觀判斷會造成較大誤差，嚴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。該方法效率和準確度均較低。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的問題，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，之后對照片進行像素分析，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，具有高速連續(xù)拍攝照片能力的照相機，所述照相機鏡頭對準對所述土壤樣品上表面平面，并在照相機視野中設有數(shù)字化秒表，所述土壤樣品和照相機鏡頭之間設有透鏡組，所述土壤樣品上方設有滴定器，所述的滴定器與照相機、數(shù)字化秒表之間設有聯(lián)動器；所述的照相機與具有圖片處理能力的電腦連接。

進一步的，所述的承樣臺為圓形平臺，圓形平臺的下部中心設有旋轉軸。

進一步的，所述的透鏡組中設有十字刻線，所述的透鏡組帶有能夠調節(jié)高度和水平位移的調節(jié)架。

進一步的，所述的照相機帶有能夠升降的云臺。

進一步的，所述的滴定器包括：可旋轉的盤架，所述的盤架上設置多個具有存水和滴水能力的滴管。

進一步的，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。

進一步的，所述的聯(lián)動器包括：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的一個刀臂連接，所述的三刀開關的另外兩個刀臂分別與照相機的快門和數(shù)字化秒表的啟動開關連接。

進一步的，所述的圓形平臺、調節(jié)架、云臺、盤架通過主支架連接，所述的圓形平臺、調節(jié)架和云臺上設置至少一個調節(jié)水平的水泡。

進一步的，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上，將調整承樣臺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；

調整照相機的步驟：調整照相機的位置，使照相機中的畫面與水平面垂直，將調整照相機，使照相機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；

調整透鏡組的步驟：在照相機和土壤樣品之間放入透鏡組，調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；調整照相機的焦距，使十字刻線和土壤樣品上出現(xiàn)水滴的位置保持清晰；

準備滴定液體的步驟：在滴定器中準備潔凈的水體和酒精；

拍攝的步驟：啟動聯(lián)動器，使滴定器向土壤樣品的上表面滴出一滴水體，同時啟動照相機連續(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間的形狀的全過程，并在每一種圖片上顯示拍攝的時間，拍攝時間精確到0.01秒；在土壤樣品上表面選擇不同位置滴下水滴，進行多次上述拍攝過程，形成多個系列照片；

選取系列照片的步驟：通過像素分析，比較每個系列照片中水滴在滴下過程的大小，選取滴下過程中水滴大小一致的系列照片；

分析照片的步驟：將選中水滴接觸土壤表面0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0秒時的照片，采用計算機圖像處理算法進行水滴邊緣檢測，分析以水珠與土壤接觸點為切點的水滴外緣切線與土壤水平線的夾角；

對于只測定0.1秒時夾角的，將90°作為親水、斥水的分界線，角度越小斥水性越強，角度越大斥水性越弱。

對于測定多個時間點夾角的，計算夾角隨時間的變化率，變化率為0為極強斥水性，變化率越大，斥水性越弱。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：通過高速拍攝的照相機和精確的滴定，所述系統(tǒng)的應用排出了人為不確定因素的干擾，能夠獲得十分穩(wěn)定的照片圖像，同時使用照片分析軟件對水滴的形狀進行十分精確的分析，最終可以得到精確的土壤樣本斥水性數(shù)據(jù)。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例二所述系統(tǒng)承樣臺的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的實施例五所述系統(tǒng)帶有盤架的滴定器結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的實施例七所述系統(tǒng)的聯(lián)動器電連接示意圖；

圖5是本發(fā)明的實施例八所述系統(tǒng)的主支架的結構示意圖；

圖6是本發(fā)明的實施例十所述方法中水滴外緣切線與土壤水平線的夾角θ 小于90度的情況示意圖；

圖7是本發(fā)明的實施例十所述方法中水滴外緣切線與土壤水平線的夾角θ 大于90度的情況示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種基于高速攝影的土壤斥水性測量系統(tǒng)，如圖1所示。本實施例包括：放置土壤樣品1的承樣臺2，具有高速連續(xù)拍攝照片能力的照相機3，所述照相機鏡頭對準對所述土壤樣品上表面平面，并在照相機視野中設有數(shù)字化秒表4，所述土壤樣品和照相機鏡頭之間設有透鏡組5，所述的透鏡組中設有十字刻線501，所述土壤樣品上方設有滴定器6，所述的滴定器與照相機之間設有聯(lián)動器7；所述的照相機與具有圖片處理能力的電腦8連接。

本實施例所述的土壤樣品可以是取自某個實驗區(qū)域，經(jīng)過實驗處理，如：焙烘、平整上表面等，整個測試過程在實驗室中進行。也可以在實驗區(qū)域那野外直接采集土壤樣本，在野外直接進行測試。采集土壤樣本的方式可以采用環(huán)刀切割的方式，直接對地表的土壤進行采集，然后直接將環(huán)刀和被采集的土壤樣品放在承樣臺的上進行測試。

所述的承樣臺應當保持水平，保持水平的目的是使土壤樣品的上表面保持水平，以便在拍照是可以清晰的分辨出水滴在土壤樣品的上表面所發(fā)生的變化和水滴與水平面的角度。

承樣臺可以做成圓形的臺面，臺面的下面中心部位用一根轉軸支撐，以使承樣臺可以旋轉。承樣臺上方的滴定器所滴下的水滴是點狀的，通過承樣臺的旋轉，可以在土壤樣品的上表面的多個位置進行水滴的拍攝，避免水滴滴在重復的位置，影響實驗的精確性。

在通常情況下，照相機的透鏡是成型產(chǎn)品，視野是人眼的視野，即便是帶有微距的照相機鏡頭，對形態(tài)較小的水滴也不能很好地易分辨。為了放大水滴，在照相機和水滴之間設置透鏡組。所述的透鏡組可以是一片凸透鏡，可以是多片透鏡組成，其主要作用是放大水滴的影像，使水滴的影像在照片中清晰可見，便于在后面的圖片分析中使用。當然可以定制專門的放大鏡頭，但由于成本過高，不是一個很好的解決方案。

所述的透鏡組可以帶有能夠調節(jié)高度和水平位移的調節(jié)架，以便調整鏡頭與照相機、土壤樣品之間的位置關系，得到最佳的照片效果。

所述的照相機可以是數(shù)碼相機，其連續(xù)拍照的速度應當大于每秒10張以上，即所謂高速攝影。現(xiàn)代的照相機雖然都帶有自動時間記錄功能，但這個功能并不好用，因此，本實施例還在照相機的視野中放置了數(shù)字化秒表，即可以在拍攝的照片中直接看到拍攝的精確時間，其精度達到百分之一秒。以便對比各個系列照片的拍攝時間，確定最佳的水滴拍攝位置。

所述的照相機可以帶有能夠升降的云臺，以便調整照相機的水平平度和高度，以及正確的拍攝位置。云臺可以安裝在三腳架上，也可以安裝在專門設置的支架上。

所述的滴定器可以有多種形式?？梢允且粋€帶有手壓氣球的滴定管，也可以是帶有電磁閥、儲液罐和滴水管的電控滴定裝置。為了可以方便的轉換各種液體滴定，可以在使用多個滴定管，并將這些滴定管固定在一個可旋轉的盤架，通過旋轉盤架將儲存不同液體的滴管對準滴定位置。

滴定器出水口，也就是滴出水滴的管口，與土壤樣品上表面之間的距離一般保持在10毫米左右，也就是2~3滴水滴的距離，距離過大就會產(chǎn)生水滴對土壤表面的沖擊，嚴重的會擊碎水滴，導致試驗失敗。所述水滴的水量也應當通過滴定管進行控制，如果有出水電磁閥則只需控制電磁閥的開閉時間，即可非常精確的控制水滴的水量和大小。

所述的聯(lián)動器可以是一個機械裝置，也可以是一個電子裝置。如：使用照相機常用的快門線，在快門線上加裝一個開關和一個壓力器，將壓力器擠壓滴定管的手壓氣球，同時出發(fā)照相機的快門和控制數(shù)字化秒表的啟動開關，使用三者同步。也可以直接使用一個開關同時出發(fā)照相機快門、和安裝在滴定管出水口上的電磁閥，以及數(shù)字化秒表的啟動開關，使三者同步啟動。

本實施例所述系統(tǒng)可以在室內進行測試，也可以在野外進行測試。在室內是，照相機、鏡頭組和承樣臺可以分別安裝在各自的支架上，在實驗室的平臺上分別放置，最終形成拍照的位置關系。為適應野外進行現(xiàn)場測試，也可以將照相機、承樣臺、透鏡組安裝在一個可折疊的主支架上，運輸時折疊起來，現(xiàn)場試驗時將其打開，分別調整照相機、透鏡組和承樣臺，快速達到實驗所需要的狀態(tài)。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于承樣臺的細化。本實施例所述的承樣臺為圓形平臺，圓形平臺的下部中心設有旋轉軸201，如圖2所示。

旋轉軸可以安裝在獨立的支架上，也可以安裝在與照相機、透鏡組一體的主支架上。

實施例三：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于透鏡組的細化。本實施例所述的透鏡組中設有十字標尺和角度標尺，所述的透鏡組件帶有能夠調節(jié)高度和水平位移的調節(jié)架。

在本實施例中透鏡組中設有十字刻線。如果透鏡組中只有一片凸透鏡，則可以將十字刻線直接刻在凸透鏡上。如果透鏡組由多片透鏡組成，可以在物鏡上設置刻線，所謂物鏡即距離水滴最近的鏡片，也可以專門設置一片刻線透鏡，以減少由于透鏡表面的彎曲，造成刻線變形，影響測試質量。除了十字刻線外，還可以刻上一些平行的水平線，以顯示水珠的高度，以及傾斜的角度刻線，以顯示水珠與水平面的夾角。

透鏡的調節(jié)架可以是獨立的調節(jié)架，也可以安裝在與照相機、透鏡組一體的主支架上。

實施例四：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于照相機的細化。本實施例所述的照相機帶有能夠升降的云臺。

能夠升降的云臺可以是常規(guī)的照相機三腳架，但常規(guī)的照相機三腳架通常較大，可以采用較小型的三腳架。也可以將云臺安裝在與照相機、透鏡組一體的主支架上。

實施例五：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于滴定器的細化。本實施例所述的滴定器包括：可旋轉的盤架601，所述的盤架上設置多個具有存水和滴水能力的滴管602，如圖3所示。

使用多種液體進行斥水性實驗是斥水性實驗中十分常見的實驗方式，通常在使用干凈的水體外，還經(jīng)常使用不同濃度的酒精進行實驗。為此，可以使用一個能夠旋轉的盤架，將多個滴定管設置在盤架上，通過旋轉盤架，選擇相應的液體進行實驗。

所述的滴管可以是長形、以便端部有縮口，形成滴水的出口。也可以在長管一端設置一個球形儲液罐，在出口處設置電磁閥，控制水滴的流程。還可以設置一個水罐，連接一個帶有縮口的水管，水管上設置蠕動泵，快速的起停蠕動泵，形成單個的水滴，但這個方案比較昂貴。

實施例六：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于滴定器出水口與土壤樣品上表面之間的距離的細化。本實施例所述滴定器出水口與土壤樣品上表面之間的距離l 為2~3滴水滴的距離，如圖1所示，所述水滴的水量為0.1~0.4毫升。

滴定器出水口與土壤樣品上表面之間的距離l 可以在10毫米左右。

實施例七：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于聯(lián)動器的細化。本實施例所述的聯(lián)動器包括：安裝在滴定器出水口上的電磁閥601，所述的電磁閥與三刀開關701的一個刀臂連接，所述的三刀開關的另外兩個刀臂分別與照相機的快門和數(shù)字化秒表的啟動開關連接，如圖4所示。

本實施例中的三刀開關是按鍵型開關，接通的是觸發(fā)器702，通過一個方波（如圖4中所示）或尖波觸發(fā)電磁閥、照相機的快門和數(shù)字化秒表，使三者同時啟動。

實施例八：

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于聯(lián)動器的細化。本實施例所述的圓形平臺、調節(jié)架502、云臺301、盤架602通過主支架9連接，所述的圓形平臺、調節(jié)架和云臺上分別設置至少一個調節(jié)水平的水泡。

本實施例所述的主支架可以是折疊支架，可用于野外的實地測試。

本實施例是上述實施例是改進是上述實施例關于土壤樣品的細化。本實施例所述的土壤樣品是土壤取樣環(huán)刀切出的土壤樣本。

實施例十：

本實施例一種使用上述實施例所述系統(tǒng)進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上，將調整承樣臺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。獲取的土壤樣品，可以通過焙烘，使其中的水分完全排出，也可以直接使用帶有水分的土壤樣品，這樣更加接近現(xiàn)實的狀態(tài)。土壤樣品的上表面可以經(jīng)過打磨，以顯示十分平整的狀態(tài)，因此，在一些情況下，水滴只有零點幾個毫米的變化，如果土壤樣品上表面的粗糙程度大于水滴的變化，則將水滴變化淹沒，無法進行測試。

調整照相機的步驟：調整照相機的位置，使照相機中的畫面與水平面垂直，將調整照相機，使照相機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。本步驟與下一步驟應該配合進行。因為只有透鏡組和照相機兩者之間進行配合，才能得到完全清晰和完整的照片圖像。

調整透鏡組的步驟：在照相機和土壤樣品之間放入透鏡組，調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；調整照相機的焦距，使十字刻線和土壤樣品上出現(xiàn)水滴的位置保持清晰。本步驟與上一步驟配合進行，通過精心的調整，使水滴和十字刻線，以及數(shù)字化秒表這些不同景深的物體全部放入照片畫面中，并清晰的表現(xiàn)出來。

準備滴定液體的步驟：在滴定器中準備潔凈的水體和酒精。所謂潔凈水應是無色透明，雜質量較小的水體，可以使用自來水，或者純凈水等。酒精則根據(jù)實驗需要配置各種濃度，如：5%~20%等。

拍攝的步驟：啟動聯(lián)動器，使滴定器向土壤樣品的上表面滴出一滴水體，同時啟動照相機連續(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間的形狀的全過程，并在每一種圖片上顯示拍攝的時間，拍攝時間精確到0.01秒；在土壤樣品上表面選擇不同位置滴下水滴，進行多次上述拍攝過程，形成多個系列照片。拍攝照片的過程是十分重要的過程，必須十分小心進行，一般可以進行八到十次，即：滴八到十第液體，進行拍攝，得到八到十個系列的照片，以供選擇。

選取系列照片的步驟：通過像素分析，比較每個系列照片中水滴在滴下過程的大小，選取滴下過程中水滴大小一致的系列照片。這一步驟是為了確保水滴的水量準確。當使用滴定管人工滴出水滴的時候，可以會出現(xiàn)由于用力大小不同，而產(chǎn)生水滴的水量大小不同，使水滴的大小不同，通過比較照片的水滴大小可以使水量十分均勻一致。如果使用電磁閥或蠕動泵滴水，則可以省去這一步驟。本步驟可以使用各種圖像處理軟件，通過像素分析，得到水滴邊緣的傾斜數(shù)據(jù)，再通過這些數(shù)據(jù)，即可獲得相應的圖像對比。

分析照片的步驟：將選中水滴接觸土壤表面0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0秒時的照片，采用計算機圖像處理算法進行水滴邊緣檢測，分析以水珠與土壤接觸點為切點的水滴外緣切線與土壤水平線的夾角θ ，如圖6、7所示。

（1）對于只測定0.1秒時夾角的，簡單測量法，可以將90°作為親水、斥水的分界線，角度越小斥水性越強。如圖6所示，角度越大斥水性越弱，如圖7所示。

（2）對于測定多個時間點夾角的，計算夾角隨時間的變化率，變化率為0為極強斥水性，變化率越大，斥水性越弱。

最后應說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案（比如系統(tǒng)的連接方式、各要素的形狀、步驟的先后順序等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。