МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРАЕКТОРИИ ЗАМЕРА УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ КРУГОВЫМ СКАНИРОВАНИЕМ ЛАЗЕРНЫМ ПРОФИЛОГРАФОМ 

Федорова Алена Анатольевна, соискатель, кафедра прикладной механики и графики, Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова (Россия, г. Чебоксары, Московский проспект, 15), E-mail: e_a_a@mail.ru
Васильев Михаил Андриянович, соискатель, кафедра прикладной механики и графики, Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова (Россия, г. Чебоксары, Московский проспект, 15), E-mail: mishawasilev@mail.ru
Васильев Сергей Анатольевич, доктор технических наук, профессор, кафедра прикладной механики и графики, Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова (Россия, г. Чебоксары, Московский проспект, 15), E-mail: Vsa_21@mail.ru 

681.2 

DOI

10.21685/2072-3059-2020-2-7 

Актуальность и цели. Предлагается математическая модель траектории замера участков поверхности почвы, выполненной лазерным профилографом методом кругового сканирования. Среди известных контактных методов измерения неровностей поверхности наибольшее распространение получил пин-метод, или профилометрирование, в то время как среди бесконтактных пользуются популярностью наземное лазерное сканирование и цифровая фотограмметрия. Предметом исследования являются процессы замера различных участков поверхности почвы. Цель работы – установление математической модели траектории замера участков поверхности почвы.
Материалы и методы. Для измерения шероховатости профиля поверхности почвы предлагается использовать лазерный профилограф для кругового сканирования. Преимуществом профилографа является высокая точность замера (±0,1 мм), которая обеспечивается лазерным датчиком. Также по сравнению с устройствами, производящими измерение в одной продольно-вертикальной плоскости, профилограф с круговым сканированием имеет габариты до 4–5 раз меньше при одной длине сканирования. При замере данных круговым сканированием в декартовой и полярной системе с началом системы в центре вращения датчика установлены системы уравнений.
Результаты. Для получения математической модели траектории замера профилографом, производящим сканирование по окружности постоянного радиуса, теоретически исследован контроль плоского горизонтального и наклонного участков поверхности. Графически зависимости представляют собой гармонические колебания, где значение амплитуды определяется величиной уклона поверхности. Расстояние по оси абсцисс между наибольшей и наименьшей точками ординаты постоянно и равно 180 град, причем по ним устанавливается направление склона с учетом начальной фазы колебаний, которая определяет значение полной фазы колебания в момент φ = 0.
Выводы. При круговом сканировании лазерным профилографом плоских горизонтальных и наклонных участков установлены круговые и эллипсоидные траектории замера соответственно. Приведено математическое и графическое описание данных в декартовой и полярной системах координат, позволяющее определить микрорельеф поверхности почвы, а также направление и уклон склона. В дальнейших исследованиях предлагается оценить траектории замера, получаемые при лазерном круговом сканировании выпуклых и вогнутых участков поверхности. 

Ключевые слова

математическая модель, траектория замера, поверхность почвы, лазерный профилограф, круговое сканирование 

 Скачать статью в формате PDF

1. Калужский, В. А. Комплекс агролесомелиоративных мероприятий и его воздействие на сток и водную эрозию почв на Приволжской возвышенности : автореф. дис. … канд. с-х. наук / Калужский В. А. – Саратов, 1970. – 21 с.
2. Нестеренко, Ю. М. Влияние рельефа на режим влаги почв сельскохозяйственных угодий Южного Урала / Ю. М. Нестеренко // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2019. – № 4 (78). – С. 15–18.
3. Захарченко, А. В. Экологические проблемы формализации тополого-морфологических поверхностей трехмерной почв / А. В. Захарченко // Вестник Томского государственного педагогического университета. – 2005. – № 7. – С. 109–115.
4. Аннотированный сборник средств измерения и испытательного оборудования. – Новокубанск : ФГНУ «РосНИИТиМ», 2012. – 51 с.
5. Performance of two measurement methods of pin meter and laser disto meter in the measurement of microtopography / S. Afrasyabi, M. Tazeh, R. T. Mehrjardi, M. J. Ghaneibafghi, S. Kalantari // Desert EcosystemEngineering Journal. – 2019. – Vol. 8 (22). – P. 1–14.
6. Mariana, C. Methodology evaluation of pin microrelief meter / C. Mariana, F. Melo Laene, F. Tavares Thaísa, R. Oliveira Rodrigo // Eng. Agríc. – 2017. – Vol. 37 (5). – P. 1056–1061.
7. Bemis, S. P. Ground-based and UAV-based photogrammetry: A multi-scale, highresolution mapping tool for structural geology and palaeoseismology / S. P. Bemis, S. Micklethwaite, D. Turner // Journal of Structural Geology. – 2014. – Vol. 69. – P. 163–178.
8. Marx, L. N. Use of Air-Based Photogrammetry for Soil Erosion Assessment / L. N. Marx, B. M. Silva, J. N. Cândido, R. J. Michael // Conference: TERRAenVISION, 2019. – DOI 10.3390/proceedings2019030005.
9. Hu, Y. Assessment of crusting effects on interrill erosion by laser scanning / Y. Hu, W. Fister, Y. He, N. J. Kuhn // PeerJ. – 2020. – Vol. 8. – Р. e8487. – URL: https://doi.org/10.7717/peerj.8487
10. Huff, T. P. Understanding Lateral Marsh Edge Erosion with Terrestrial Laser Scanning (TLS) / T. P. Huff, R. A. Feagin, A. Delgado // Remote Sens. – 2019. – Vol. 11 (19). – P. 2208. – URL: https://doi.org/10.3390/rs11192208.
11. Polyakov, V. M. Simple Automated Laser Profile Meter / V. M. Polyakov, A. Nearing // Soil Science Society of America journal. – 2019. – Vol. 83, iss. 2. – P. 327–331.
12. Киреев, И. М. Измерение микрорельефа почвы бесконтактным методом / И. М. Киреев // Техника и оборудование для села. – 2017. – № 2. – С. 18–21.
13. Bertuzzi, P. Measuring In-Situ Soil Surface Roughness Using a Laser Profilometer / P. Bertuzzi & J. M. Caussignac // Spectral Signatures of Objects in Remote Sensing, European Space Agency. – 1988. – P. 19.
14. Васильев, С. А. Разработка метода и профилографа для оценки мелиоративных технологий на склоновых агроландшафтах / С. А. Васильев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2016. – № 3 (43). – C. 220–226.
15. Васильев, С. А. Разработка методов и технических средств контроля противоэрозионных технологий на склоновых агроландшафтах : дис. ... д-ра техн. наук / Васильев С. А. – Москва, 2017. – 345 с.