[发明专利]一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法，是一种土壤水文测量系统和方法，是一种土壤特性进行测量的系统和方法。

背景技术

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤。土壤斥水性不利于农业生产和环境的可持续性发展，如导致土壤水分的不均匀分布，使水中携带的溶质更快地进入地下水，降低土壤持水能力，加强地表径流和侵蚀。

测定土壤斥水性的方法有很多种，包括接触角测定法、滴水穿透时间法（WDPT）、酒精溶液入渗法（MED）、固气表面张力测定法和进水压力水头测定法等。近20年来，滴水穿透时间法与酒精溶液入渗法逐渐成为最常用的两种测定方法。现有的这些方法在具体测试中，均采用人眼直接观察，并辅以秒表计时等简单的测量工具。由于水滴的形体较小，在测试过程人为动作的差异，以及各人观察角度的不同和对观察对象变化的认知差异等，形成了许多人为的因素，以致使观测数据差异很大，特别对具有斥水性较强的土壤进行观测实验时，由于需要较长时间，人的注意力和主观判断会造成较大误差，严重影响了斥水性测量的精确度。

很多研究者通过测定水-固体接触角φ值判断土壤斥水度，φ>90°时为斥水土壤，反之则为亲水土壤。Bachmann等提出固着滴液法直接测定土壤接触角。他们将双面胶的一面粘在显微镜载玻片上，将过筛的土壤颗粒(直径为63—200μm)均匀地压在双面胶的另一面，形成一层均匀土壤颗粒层。在室温(20℃)下用显微镜和量角器测出滴水后颗粒-水的接触角。该方法效率和准确度均较低。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统和方法。所述的系统和方法通过连续高速拍摄滴在土壤表面的水滴的照片，之后对照片进行像素分析，得到水滴接触角分析数据，最终确定土壤样本的斥水性数据。

本发明的目的是这样实现的：一种基于高速摄影的土壤斥水性测量系统，包括：放置土壤样品的承样台，具有高速连续拍摄照片能力的照相机，所述照相机镜头对准对所述土壤样品上表面平面，并在照相机视野中设有数字化秒表，所述土壤样品和照相机镜头之间设有透镜组，所述土壤样品上方设有滴定器，所述的滴定器与照相机、数字化秒表之间设有联动器；所述的照相机与具有图片处理能力的电脑连接。

进一步的，所述的承样台为圆形平台，圆形平台的下部中心设有旋转轴。

进一步的，所述的透镜组中设有十字刻线，所述的透镜组带有能够调节高度和水平位移的调节架。

进一步的，所述的照相机带有能够升降的云台。

进一步的，所述的滴定器包括：可旋转的盘架，所述的盘架上设置多个具有存水和滴水能力的滴管。

进一步的，滴定器出水口与土壤样品上表面之间的距离为2~3滴水滴的距离，所述水滴的水量为0.1~0.4毫升。

进一步的，所述的联动器包括：安装在滴定器出水口上的电磁阀，所述的电磁阀与三刀开关的一个刀臂连接，所述的三刀开关的另外两个刀臂分别与照相机的快门和数字化秒表的启动开关连接。

进一步的，所述的圆形平台、调节架、云台、盘架通过主支架连接，所述的圆形平台、调节架和云台上设置至少一个调节水平的水泡。

进一步的，所述的土壤样品是土壤取样环刀切出的土壤样本。

一种上述系统进行土壤斥水性测量的方法，所述方法的步骤如下：

取样的步骤：在被测试地区取土壤样品，将土壤样品防止在承样台上，将调整承样台连同土壤样品的水平状态，使土壤样品的上表面与水平面保持平行；

调整照相机的步骤：调整照相机的位置，使照相机中的画面与水平面垂直，将调整照相机，使照相机取景器中的中间一条水平刻线与土壤样品的上表面线重合；

调整透镜组的步骤：在照相机和土壤样品之间放入透镜组，调整透镜组的水平位置，将透镜组中的十字刻线的水平线与土壤样品的上表面重合，十字刻线的垂线与水平面保持垂直；调整照相机的焦距，使十字刻线和土壤样品上出现水滴的位置保持清晰；

准备滴定液体的步骤：在滴定器中准备洁净的水体和酒精；

拍摄的步骤：启动联动器，使滴定器向土壤样品的上表面滴出一滴水体，同时启动照相机连续拍摄水体从滴定器中流出、形成水滴、水滴与土壤样品上表面接触、水滴在土壤上表面形成水珠，土壤样品上表面的水珠变形并维持变形后一段时间的形状的全过程，并在每一种图片上显示拍摄的时间，拍摄时间精确到0.01秒；在土壤样品上表面选择不同位置滴下水滴，进行多次上述拍摄过程，形成多个系列照片；