基于激光雷达的农业耕作微地貌测量装置设计与试验

针对现有地表微地貌测量装置难以兼顾农业耕种作业后地表微地貌测量的精度和效率、部分测量装置单次测量覆盖区域不能满足统计要求的问题,设计了一套由激光雷达、直线导轨、便携式计算机和支架等构成的非接触式地表微地貌测量装置,开发了以STM32单片机为核心的步进电机驱动控制器,并与上位机软件形成整套采集系统,可实现激光雷达精确定位并快速获取地表三维坐标。该装置典型分辨率在激光雷达扫描方向为3. 8～10 mm,垂直扫描方向可在毫米精度范围内任意设置,测距分辨率为1 mm;测量区域覆盖面积典型值为6. 8 m~2,垂直扫描方向分辨率为10 mm时,单次测量时间低于2. 5 min。通过分析测量误差来源,建立了系统误差补偿模型,在15次均值滤波的条件下,该装置测量最大绝对误差为2. 7 mm,最大平均绝对误差为0. 9 mm。油菜机械直播后地表微地貌测量试验结果表明:利用Matlab生成的地表三维模型可以精确地重构原有地表微地貌特征,测量结果与实际地表高度变化吻合度较高;测量数据统计结果表明,固定区域内均方根高度和相关长度测量值需分别在16次和64次的等距采样下达到稳定均值,而畦沟相关评价参数也需要多组样本计算才具有统计意义。     

Experimental study on landscape of CFRP cutting by abrasive water jet

To investigate the influence of operation parameters of abrasive water jet on surface roughness of carbon fiber reinforced plastic(CFRP),experimental studies were conducted.The three-dimensional landscape of cutting front was reconstructed according to the measured data byμscan laser confocal microscopy.Fourier spectral analysis was also adopted to study surface structure in detail.It is found that the morphology of cutting front is similar to that of other materials.In the smooth cutting zone,the fluctuation of amplitudes of surface profile is gentler,compared with that in the rough cutting zone.The lower part of the rough cutting zone was characterized by the periodical appearance of peaks and valleys.The roughness of surface increases with the increase of depth.While in the smooth cutting zone and part of rough cutting zone,roughness increases with the increase of traverse speed.For the thickness of samples,in the smooth cutting zone,the roughness increases with the increase of depth.The dominant harmonic component in the surface profile is concentrated in a narrow range from 0 to 10 Hz,and the relatively higher density of frequency from 10 to 50 Hz is shown in the rough cutting zone,which is caused by the interaction between perpendicular abrasive water jet and reflect jet.     

多边形草沙障防风效果研究

为了解正三角形、正方形和正六边形格状草沙障的防风固沙能力,通过测定沙障样地内不同高度风速,针对单个网格面积为1 m2的3种沙障,对沙障的防风效能、风速廓线特征和地表粗糙度进行研究。结果表明,正三角形和正六边形沙障的防风效能显著大于正方形沙障。高度为0.2 m时,正方形沙障的防风效能比三角形和六边形沙障分别低12%和8%,高度为0.3 m时,分别低11%和10%。0.2~0.3 m高度范围内,三角形沙障和六边形沙障的防风效能差异不显著。风速小于6 m/s时,地表粗糙度随风速变化接近线性变化规律。裸露地表 1 m高处,风速为4 m/s时,裸露地表粗糙度为0.166 cm,三角形沙障、正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别为11.5、9.3和10.4 cm,分别为裸露地表粗糙度的69.3、56和62.7倍。三角形沙障的地表粗糙度比正方形沙障和六边形沙障的地表粗糙度分别高23.7%和10.5%。铺设三角形沙障的地表粗糙度最大。      

Effect of flexible and rigid roughness elements on aeolian sand transport

In developing countermeasures to reduce the negative effects of strong dust events, the fundamental relationship between surface conditions and sand transport remains problematic. We conducted field observations and wind tunnel experiments to examine the effect on sand transport efficiency of actual frontal area when using flexible roughness elements (artificial grass) and rigid roughness elements (tufts of stiff wire). In the field observations, the sand trap ratio approached a limit as the frontal area of artificial grass, measured as the Actual Frontal Area Index (AFAI), approached 25%, equivalent to a vegetation cover of 20%. The wind tunnel experiments showed that the height of deposited sediment decreased downwind with both roughness elements, due to their reduction of both shear velocity and sand transport rates. The sediment flux decreased as the AFAI increased, and the rigid roughness element trapped more sand particles than the flexible one except at higher wind speeds and lower AFAI values. The sand trapping efficiency was greater for rigid roughness elements than for flexible ones, probably due to their high aerodynamic resistance, and thus wire tufts were more effective for trapping sand than artificial grass at higher AFAI values.     

植被景观指数随复合地形因子分异的变化规律

为了探讨地表粗糙长度和地形起伏度空间分异对武夷山自然遗产地植被景观格局性质的影响,利用ArcGIS 9.0和景观指数软件分析各地表粗糙长度和起伏度带上的景观指数。结果表明：景观的面积、斑块数量、景观多样性指标、优势度指标随着地表粗糙长度指数的增加,而呈现“增加-减少-增加”的趋势,在粗糙长度为7的级别上达到最大值;破碎度指数、景观面积周长比分维数值随粗糙长度的增加,呈现先减少后增加的“U”型曲线;景观面积指标、景观斑块数量、景观破碎度、景观多样性指标、景观优势度随着起伏度的增加而呈递减趋势,只有景观斑块的面积周长比的分维数在800 m     

天然灌草植被防治土壤风蚀机理

通过对毛乌素沙地不同下垫面上风速、地表粗糙度、临界起沙风速、风沙流结构的观测,发现植被覆盖可以有效防止地表风蚀。植被盖度为40％的固定沙地近地表0．2m高度平均风速比流动沙地降低43％,侵蚀风的持续时数降低85％,临界起沙风速提高70％,地表粗糙度提高180倍;当风沙流速度相同时,20％覆盖度的半同定沙地较流动沙地可平均降低输沙62．33％;而植被盖度为40％的同定沙地较流动沙地可平均降低输沙93．07％。实验证明,单株植物同样可以降低风速。疏透结构和透风结构的单株沙蒿分别可以使植株后0．5m高度的风速较植株前方平沙地同高度的风速下降59．4％和19．8％。     

不同坡度条件下“沙棘植物柔性坝”的阻水效应

[目的]探讨不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对水流流速和水深的影响,并分析和沟床糙率系数的变化及其主要影响参数,为"沙棘植物柔性坝"这一水土保持生态工程在山区沟道的推广应用提供理论依据。[方法]基于野外水流试验,根据试验数据,运用理论分析的方法,探讨"沙棘植物柔性坝"对水流的影响及沟道糙率的变化。探讨在不同坡度条件下"沙棘植物柔性坝"对流速变幅值、水深沿程分布的影响,并对糙率系数的变化进行了分析。[结果]流速变幅值的大小与沙棘柔性坝坝长、种植密度和床面坡度有关;在沙棘柔性坝较长的试验床中,流速变幅值随着坡度的增大而增大;在沙棘种植密度较大的试验床中,上游区的雍水深度和糙率系数值随坡度的增大而增大。[结论]"沙棘植物柔性坝"对坝前水流流速有明显的衰减阻滞作用,其中柔性坝坝长和植物种植密度是影响"沙棘植物柔性坝"阻水效应的主要因素。     

坡度对农业耕作措施水土保持作用的影响

农业耕作措施是水土保持三大措施之一,在坡耕地水土保持中起关键作用。利用人工模拟降雨试验方法,对不同坡度条件下农业耕作措施水土保持作用进行了研究。农业耕作措施包括等高耕作、人工掏挖和人工锄耕,以平整坡面为对照措施;降雨试验在长4m,宽1m的径流小区完成;坡度为5°,10°,15°,20°,25°;降雨强度为1,1.5,2mm/min。结果表明:与平整坡面相比,等高耕作、人工掏挖和人工锄耕分别减小产流量38.19%,32.25%和15.84%;减小产沙量均在50%以上,说明农业耕作措施具有明显的水土保持作用。通过对坡度与产流量、产沙量关系分析表明,在耕作坡面,坡度会影响产流量,但是大坡度与小坡度之间差异不显著。相反,坡度对产沙量具有显著影响,在小坡度条件下,产沙量受坡度的影响较小。当坡度大于15°后,坡度每增加1°,等高耕作、人工掏挖和人工锄耕耕作措施保土作用平均降低3.08%,4.74%和7.61%。回归分析表明产沙量与坡度之间存在指数函数关系。可见,坡度对农业耕作措施保水作用和保土作用的影响不同。     

点云数据抽稀与加密对微地形数据分析的影响

针对不同观测尺度下,大起伏(20cm耕作处理)、微起伏(耙平裸坡处理)两种地形的点云数据进行抽稀、加密处理,选取地表曲率、坡向、地表糙度3种直观的指标对抽稀、加密处理对微地形数据分析的影响进行了评价。结果显示:抽稀与加密处理对于起伏较大的地形曲率影响更为明显,对于起伏较小的地形则影响不显著。5,10mm数据抽稀与加密处理后坡向变化不显著。1mm尺度抽稀地表糙度的影响十分规律,5mm加密与抽稀对于大起伏地形的影响十分复杂,10mm加密对于大起伏地形糙度变化较为复杂,裸坡变化则相对规律。     

雷达遥感中基于多尺度的土壤粗糙度变化

利用雷达进行地表观测的过程中,土壤粗糙度情况对雷达后向散射有重要影响,是地表土壤水分获取模型中的关键输入参数。目前,遥感领域大多数研究都是基于单尺度利用均方根高度s和相关长度l来描述水平和垂直方向土壤表面粗糙度的情况。为此,针对农用地地表不同粗糙度情况,分析了不同尺度的实际测量剖面数据,结果表明:表征粗糙度大小的s和l值变化不仅与表面粗糙情况有关,还与不同空间尺度相关;使用单一尺度来描述地表粗糙度情况是不准确的。