一种地表基质野外快速分层分析装置及方法与流程

1.本发明涉及地表基质调查的技术领域，特别是涉及一种地表基质野外快速分层分析装置及方法。


背景技术：

2.地表基质是当前出露于地球陆域地表浅部或水域水体底部，主要由天然物质经自然作用形成，正在或可以孕育和支撑森林、草原、水等各类自然资源的基础物质。地表基质调查是针对地表基质层开展的综合性调查工作。地表基质调查的任务之一是研究地球表层岩石、砾质、土质、泥质四类基础物质形成的自然层位的类型分布空间结构、物质组成、理化性质、地表景观及生态属性，掌握地表基质层时空分布、数量质量、利用状况和动态变化。尤其是针对地表基质土质自然层位的分层调查是重点调查内容，需要采集地表基质土质原始组分并进行粒度分级(三级分类)，不同粒级颗粒物质含量可以反映出区域地表基质层特征及其孕育和支撑区域多门类自然资源的能力。大量调查已表明，地表基质土质粒度分层结构与有机质含量、颜色、紧实度等关系较为密切。因此，开展地表基质土质图像采集与贯穿阻力测量及其野外垂向结构快速分层具有重要的理论研究意义和实际应用价值。如何从地表和一定深度连续完整地采集其基础物质组成影像、颜色和紧实度，并将有效数据进行综合分析快速划分地表基质层是当前地表基质调查领域开展基础物质组成研究的前提和技术难点。
3.传统地表基质层调查影像采集、颜色对比、粒度分级和紧实度测量方法较为粗犷，是利用铁锹直接挖坑或者洛阳铲打孔，然后将地表基质土质其从坑里或者孔中转移出来，其次将土质置于岩心箱进行颜色、粒度、结构、新生体等观察和分层。此方法存在三个严重的问题，第一个问题是由于铁锹和洛阳铲在提取地表基质的时候，进尺回次频繁，挖掘和打孔深度需要校正，否则经常会因为操作不当导致编录与实际情况严重不否；第二个问题是由于铁锹和洛阳铲在提取地表基质的时候，会对原位土质造成扰动并使得铁锹和洛阳铲粘上黏土，导致原位提取物混合受到污染；第三个问题是传统铁锹和洛阳铲无法实时获取影像、gps点位、识别颜色、校正钻进深度和贯穿阻力测量，造成大量调查信息丢失。
4.以上问题严重地影响了地表基质野外调查效果，丢失了大量调查信息，甚至会人为导致获取了错误的调查信息。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种地表基质野外快速分层分析装置及方法，首先通过gps模块对测量点进行定位；其次利用钻头钻进，尽量避免地表基质发生机械扰动；然后通过影像采集模块实时获取钻进信息，同时可以通过压力测量模块获取贯穿阻力值；可以通过手柄处按钮分别获取压力和影像数据并在显示器上呈现出来；控制器模块可以将土质影像rgb信息与土壤比色卡匹配得出准确的颜色信息，统计颗粒大小及占比，钻进过程压力变化等；最后操作人员综合分析调查点0-2m深度以内完整的影像、颜色、粒度和压
力等信息，进行快速分层。
6.为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.本发明一方面提供一种地表基质野外快速分层分析装置，包括钻头、影像采集模块和集成装置，所述钻头的上部安装影像采集模块，影像采集模块设有摄像头和led光源，用于实时采集钻头位置的地表基质土质的影像，钻头的顶部通过垂向的测量杆连接集成装置，集成装置设有控制器模块以及与其通过导线连接的压力测量模块、距离测量模块和gps模块，压力测量模块用于连续获取不同钻进深度处贯穿阻力数据，并传输至控制器模块；距离测量模块用于检测钻头距离地表的高度并转换为实时钻进深度，同时将钻进深度信息传输至控制器模块；gps模块用于获取点位坐标信息并传输至控制器模块；影像采集模块设置的蓝牙发射器与集成装置设置的蓝牙接收器通信连接；蓝牙接收器同时与控制器模块通信连接。
8.一种可能的技术方案中，所述钻头为锥形，所述摄像头为圆孔摄像头，摄像头安装在钻头的上部外侧面，所述led光源设置在摄像头的一侧，所述蓝牙发射器安装在所述钻头的顶部。
9.一种可能的技术方案中，所述测量杆为伸缩杆。
10.一种可能的技术方案中，所述伸缩杆包括下端与所述钻头固定连接的第一测量杆，第一测量杆的顶端与第二测量杆的底端通过螺纹配合插接；所述第二测量杆的顶端与所述集成装置的底端连接。
11.一种可能的技术方案中，所述影像采集模块设置有锂电池a；所述集成装置设置有锂电池b。
12.一种可能的技术方案中，所述集成装置的两侧连接横向的手柄。
13.一种可能的技术方案中，所述集成装置还设置有显示器模块。
14.本发明另一方面提供一种地表基质野外快速分层分析方法，是任一项上述的地表基质野外快速分层分析装置实现的，在钻头钻进过程中，摄像头实时采集钻头位置的地表基质土质的影像，蓝牙接收器实时获取的蓝牙发射器传输的影像信息，并实时传输到控制器模块；压力测量模块连续获取不同钻进深度处贯穿阻力数据，并传输至控制器模块；距离测量模块检测钻头距离地表的高度并转换为实时钻进深度，同时将钻进深度信息传输至控制器模块；gps模块获取点位坐标信息并传输至控制器模块；通过不同钻进深度影像、颜色、粒度和贯穿阻力数据信息做出综合分析辅助地表基质层快速分层。
15.上述技术方案中，所述钻头垂直于地表基质土质表面进行钻进。
16.与现有技术相比本发明的有益效果为：地表基质野外快速分层分析装置和方法用于无挖掘和打孔情况下，野外快速采集2m以地表基质土质影像、颜色、粒度和贯穿阻力等信息，辅助野外调查人员快速分层。当选定调查点后，打开电源通过gps定位按钮获取点位坐标信息。锥形钻头和手柄可以确保地表基质土质探测中减小阻力。另外，测量杆可以设置为伸缩杆，配合距离测量模块，可以将精准测量深度范围延伸到2米以内。影像采集获取影像资料后，在集成装置的控制器模块进行简单的图像处理，提取土质颜色、砾石粒度、新生体、根系等信息；压力测量模块获取任意钻进深度的贯穿阻力信息，辅助野外调查人员对地表基质土质快速分层。这样就同时有效地完成无挖掘数据采集，通过影像、颜色、粒度和贯穿阻力等数据信息综合分析达到辅助分层的目的。在整个地表基质调查点数据采集过程中，
采集装置都是实时连续获取数据的情况下进行的，既可以避免调查过程中的信息丢失，也可以最大限度的不破坏地表基质土质结构和组分，解决传统使用铁锹或洛阳铲调查过程中器械严重损失和土质结构破坏等环保问题。本装置可以采集任意深度信息，可以快捷解决地表基质土质和松散沉积物的分层问题。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是集成装置的控制逻辑结构示意图；
19.附图标记：1-钻头、2-影像采集模块、3-摄像头、4-led光源、5-锂电池a、6-蓝牙发射器、7-第一测量杆、8-第二测量杆、9-集成装置、10-压力测量模块、11-蓝牙接收器、12-控制器模块、13-距离测量模块、14-锂电池b、15-手柄、16-压力采集按钮、17-图像采集按钮、18-gps模块、19-gps定点按钮、20-显示器模块、21-电源开关。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.如图1所示，本发明的一种地表基质野外快速分层分析装置，包括钻头1、影像采集模块2和集成装置9，所述钻头1的上部安装影像采集模块2，影像采集模块2设有摄像头3和led光源4，用于实时采集钻头1位置的地表基质土质的影像，钻头1的顶部通过垂向的测量杆连接集成装置9，集成装置9设有控制器模块12以及与其通过导线连接的压力测量模块10、距离测量模块13和gps模块18，压力测量模块10用于连续获取不同钻进深度处贯穿阻力数据，并传输至控制器模块12；距离测量模块13用于检测钻头1距离地表的高度并转换为实时钻进深度，同时将钻进深度信息传输至控制器模块12；gps模块18用于获取点位坐标信息并传输至控制器模块12；影像采集模块2设置的蓝牙发射器6与集成装置9设置的蓝牙接收器11通信连接；蓝牙接收器11同时与控制器模块12通信连接。
24.本发明为了进行地表基质层影像采集、颜色对比、粒度分级和紧实度等有助于快速分层的调查信息，采用钻头1插入地表基质，在插入的过程中通过距离测量模块13精准控制插入深度，通过影像采集模块2可以获取不同深度地表基质土质的影像，图像数据通过蓝牙传输到集成装置9的控制器模块12进行图像处理，提取土质颜色、砾石粒度、新生体、根系
等信息，并自动存储；在钻头钻进过程中，集成装置9中压力测量模块10同时可以测量贯穿阻力，并将数据传输到控制器模块12进行处理，并自动存储；集成装置9中gps模块18可以采集卫星信号，可以通过gps定点按钮进行定点，并自动存储；控制器模块可以将土质影像rgb信息与土壤比色卡匹配得出准确的颜色信息，统计颗粒大小及占比，钻进过程压力变化等；最后，操作人员将存储的gps点位信息，图像信息和贯穿阻力信息通过数据线导出，进行进一步处理分析，以根据调查点0-2m深度以内完整的影像、颜色、粒度和压力等信息辅助进行快速分层。
25.本发明的一种具体实施方式中，钻头1为锥形，锥形钻头的底部更容易深入松散沉积物和地表基质土质，并尽量减小对地表基质的机械扰动；摄像头3可以根据实际使用要求选择适合配置和形状的市售产品，鉴于钻头的体积空间所限，所述摄像头3优选的选择为圆孔摄像头，摄像头3安装在钻头1的上部外侧面，所述led光源4设置在摄像头3的一侧，led光源4的数量可以是一个，也可以设置为至少两个，多个led光源有利于影像采集模块2获取高质量、可靠性强的影像信息；为了实现与集成装置9设置的蓝牙接收器11的瞬时通信，较佳地，所述蓝牙发射器6安装在所述钻头1的顶部；当然，应当理解，蓝牙发射器6安装在所述钻头1的中部或侧部等其他位置，也可以实现与集成装置9设置的蓝牙接收器11的瞬时通信的目的。
26.由于地表基质野外测量深度需求一般是0-2m，本发明的一种优选的实施方式中，为了满足此深度范围内任意深度的调查需求，同时节省分析装置的整体占用空间，方便携带和移动，本发明将测量杆为伸缩杆，利用伸缩杆的可伸缩性能，使得测量杆的高度可以任意调节，实现一套分析装置适用于不同深度的地表基质野外调查需求；伸缩杆的伸缩方式可以采用现有技术中任意适合的形式，不限于手动伸缩方式或电动伸缩方式。
27.本发明的一种具体实施方式中，伸缩杆包括下端与所述钻头1固定连接的第一测量杆7，第一测量杆7的顶端与第二测量杆8的底端通过螺纹配合插接，通过螺纹快速调节测量杆的高度；所述第二测量杆8的顶端与所述集成装置9的底端连接。
28.本发明的优选的实施方式中，影像采集模块2设置有锂电池a5；所述集成装置9设置有锂电池b14，分别保障影像采集模块2和集成装置9野外工作期间的正常运转。
29.本发明的优选的实施方式中，集成装置9的两侧连接横向的手柄15，手柄15在集成装置9的两侧对称设置，工作时，可以保证测量杆垂直地面，缓慢匀速将钻头1钻入地表基质土质。
30.上述实施方式的一种改进，集成装置9设置为箱体形结构，手柄15连接在集成装置9的左右两侧对称位置，控制器模块12安装在集成装置9的中心位置，压力测量模块10安装在集成装置9的下部，一侧的手柄15上安装有控制压力测量模块10的压力采集按钮16，距离测量模块13安装在集成装置9的两侧，gps模块18安装在集成装置9的顶部，gps模块18的一侧设置有控制gps模块18的gps定点按钮19；蓝牙接收器11安装在集成装置9的下部，另一侧的手柄15上设置有控制影像采集模块2的图像采集按钮17。
31.上述实施方式的一种改进，集成装置9的顶部设置有显示器模块20，显示器模块将传输至控制器模块12的图像、贯穿阻力、钻进深度、gps点位等信息进行可视化显示，方便对以上数据信息的直观化获取，以进行精确快速综合分析；显示器模块20的一侧设置有对整体装置总控的电源开关21。
32.本发明的优选的实施方式中，分析装置各个工作部件均可拆卸便于操作，可快速进入采样状态，图像、贯穿阻力、gps点位等信息采集完毕后可提拉出钻孔，然后拆卸装箱。
33.本发明的优选的实施方式中，控制器模块12对于图像、贯穿阻力、钻进深度和gps点位等采集信息均自动编号和保存，可以批量导入和导出信息。
34.本发明的一种地表基质野外快速分层分析方法，在对地表基质进行调查时，首先将装置的钻头1、影像采集模块2、第一测量杆7和第二测量杆8按图1示出位置连接，然后将手柄15与集成装置9连接，保证钻头1垂直置于地表基质土质表面；打开集成装置9的电源按钮21，通过gps定点按钮19获取点位坐标信息；然后将测量杆8顶部与集成器9连接，双手抓紧手柄15，并保证第一测量杆7和第二测量杆8垂直地面，缓慢匀速将钻头1钻入地表基质土质，在钻头1钻进过程中，摄像头3实时采集钻头1位置的地表基质土质的影像，蓝牙接收器11实时获取的蓝牙发射器6传输的影像信息，并实时传输到控制器模块12；压力测量模块10连续获取不同钻进深度处贯穿阻力数据，并传输至控制器模块12；距离测量模块13检测钻头1距离地表的高度并转换为实时钻进深度，同时将钻进深度信息传输至控制器模块12；如图2所示，通过影像采集模块2、压力测量模块10和距离测量模块13将获取的影像、贯穿阻力、钻进深度信息同时传输到控制器模块12和显示器模块20；如上，在锥形钻头和测量杆缓缓钻入地表基质土质的过程中，通过手柄15上的图像采集按钮17和压力采集按钮16可以获取任意深度的影像和压力数据，这样就同时有效地完成无挖掘数据采集，通过影像、颜色、粒度和贯穿阻力数据信息做出综合分析实现辅助地表基质层快速分层的目的。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。