本發(fā)明涉及一種生態(tài)學(xué)、林學(xué)的野外調(diào)查技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種山地、微地形坡度和坡向的空間測量方法。

背景技術(shù)：

坡度和坡向是山地野外調(diào)查中常用、普遍的測量因子。需要借助指南針、羅盤儀、測坡儀來進(jìn)行操作測得。然而，在起伏不平山地和茂密森林、遮蓋較密之處，往往采用二點一線或四點多線法進(jìn)行測得，測量工作費工耗時，且得到的是一個接近的數(shù)值。更為困難的是，在密林微地形上布設(shè)單株植物和光照、水分精細(xì)實驗時，大尺度范圍是無法獲取該處精準(zhǔn)的坡度和坡向數(shù)據(jù)，由于地表坡度和坡向的不同與起伏不平，陽光入射角度也會出現(xiàn)一定的差異。從而造成不同微地形上，地表接收光照時間、強度和幼苗更新生長產(chǎn)生較大波動。實踐中常常用大尺度上的坡度、坡向數(shù)據(jù)來替代微地形數(shù)據(jù)，這勢必會對實際山形山勢造成較大差異。因此，研發(fā)一種新的山地微地形森林微地形坡度、坡向精確、簡易的、省工省時的測量方法，已是科研和經(jīng)營管理工作者的當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)有野外測量技術(shù)至少存在以下缺點：野外測量坡度、坡向的方法不科學(xué)、耗工多、測量結(jié)果差異大，難以得出精確的微地形的數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種三維空間測量方法，能正確的反映微地形的坡度、坡向的測量結(jié)果。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種山地微地形坡度、坡向的空間測量方法，該方法包括以下具體步驟：

步驟1：以百諾A650FHD3三腳架上標(biāo)有BENRO標(biāo)志的為b軸、標(biāo)有HD3的為a軸，將所述a軸、b軸分別轉(zhuǎn)動到0刻度的位置，并將三腳架三個支撐腳完全展開，并調(diào)整成統(tǒng)一高度，使其上的云臺與地面保持平行，放置在所需測量的山地表面；

步驟2：轉(zhuǎn)動b軸，使得云臺上的水平氣泡在b軸方向水平，記錄轉(zhuǎn)動角度β；

步驟3：轉(zhuǎn)動a軸，使得云臺上的水平氣泡在a軸方向同樣水平，即水平氣泡居中，記錄轉(zhuǎn)動角度α；

步驟4：在云臺上放置地質(zhì)羅盤儀，將N刻度位置對準(zhǔn)b軸，記錄正北方向到N刻度位置的旋轉(zhuǎn)角度γ；

步驟5：利用三維空間坐標(biāo)計算坡面與水平面的二面角θ₁，將其作為坡度；

步驟6：利用三維空間坐標(biāo)計算坡面法線在水平面上的投影方向θ₂，沿北方向順時針旋轉(zhuǎn)θ₂后的方向，將其作為坡向。

所述三腳架的兩個軸的刻度需首先刻度對準(zhǔn)0，并將三個支撐腳展開，調(diào)整成統(tǒng)一高度，是為了保證三腳架云臺在水平地面上能夠保持水平，即云臺與地面保持平行。從而放置在山地上，能夠準(zhǔn)確表示與山地平行的面，用以計算山地的坡度和坡向。

所述轉(zhuǎn)動角度β以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，順時針旋轉(zhuǎn)角度為正；轉(zhuǎn)動角度α，以順時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正；旋轉(zhuǎn)角度γ，以順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度。

所述計算坡面與水平面的二面角θ₁采用公式(3)，需要將公式(1)和公式(2)代入公式(3)，其中公式(1)中的ω為a軸與b軸轉(zhuǎn)動至水平時的夾角，公式(2)中的和代表了a軸與b軸未轉(zhuǎn)動時的空間向量值。

ω＝arccos(-tan(α)×tan(β)) (1)

所述計算坡面法線在水平面上的投影方向θ₂采用公式(5)或公式(6)，當(dāng)公式(4)的值大于或等于0時，采用公式(5)計算θ₂；當(dāng)公式(4)的值小于0時，采用公式(6)；

-cos(γ+ω)*tan(β)+cos(γ)*tan(α) (4)

由于在遮蓋度較高的山地條件下，空曠區(qū)域較少，無法采用傳統(tǒng)的兩點一線或四點多線的方法進(jìn)行坡度、坡向的測量。然而，本發(fā)明的坡度、坡向的測量方法，則不受遮蓋度的限制，僅需要單人即可完成精確的坡度、坡向測量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，更具有精確性、可行性和可操作性?？晒?jié)省人力和時間，提高野外調(diào)查工作的成效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例用三腳架示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例用三腳架在空間中的擺放示意圖；

圖3為本發(fā)明坡度和坡向的空間幾何表示圖；

圖4為本發(fā)明實施例光環(huán)境測量中羅盤儀擺放示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中Winscanopy軟件計算光照參數(shù)的設(shè)置圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

本發(fā)明具體包括以下內(nèi)容：

1)將百諾A650FHD3三腳架上標(biāo)有BENRO標(biāo)志的b軸和標(biāo)有HD3的a軸轉(zhuǎn)動到0刻度的位置，并將三腳架三個支撐腳完全展開，并調(diào)整成統(tǒng)一高度，放置在所需測量的山地表面。

2)轉(zhuǎn)動b軸，使得云臺上的水平氣泡在b軸方向水平，記錄轉(zhuǎn)動角度β。

3)轉(zhuǎn)動a軸，使得云臺上的水平氣泡在a軸方向同樣水平，即水平氣泡居中，記錄轉(zhuǎn)動角度α。

4)在云臺上放置地質(zhì)羅盤儀，將N刻度位置對準(zhǔn)b軸，記錄正北方向到N刻度位置的旋轉(zhuǎn)角度γ

5)利用三維空間坐標(biāo)計算坡面與水平面的二面角θ₁，將其作為坡度。

6)利用三維空間坐標(biāo)計算坡面法線在水平面上的投影方向θ₂，將其作為坡向。

參閱圖1，所述三腳架為百諾A650FHD3具有刻度的多軸轉(zhuǎn)動三腳架。

轉(zhuǎn)動角度β，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，順時針旋轉(zhuǎn)角度為正；轉(zhuǎn)動角度α，以順時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正；旋轉(zhuǎn)角度γ，以順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度。

參閱圖2和3，代表a軸未轉(zhuǎn)動時的空間向量值，代表a軸轉(zhuǎn)動至水平后的空間向量值，代表b軸未轉(zhuǎn)動時的空間向量，代表b軸轉(zhuǎn)動至水平時的空間向量值。面C為與坡面A平行的面，即與組成的面；面D為與水平面平行的面，即與組成的面，計算公式分別為：

由于a軸與b軸垂直，所以與垂直，兩者點積為0，如公式(11)，簡化為公式12。另外，與在水平面上的夾角為ω，因此與的點積為cos(ω)，如公式(13)，將公式(12)代入公式(13)中，便可得到公式(1)，具體計算公式如下：

sin(γ+ω)×sin(γ)+cos(γ+ω)×cos(γ)＝-tan(α)×tan(β) (12)

ω＝arccos(-tan(α)×tan(β)) (1)

與的叉積代表兩向量所代表面C(與坡面平行的面向量)的法線其計算公式為：

面C的法線與水平面D法線(垂直向量)的夾角為C面與D面的二面角，即坡面與水平面的夾角θ₁用于表示實際微地形坡度大小的程度，其計算公式為公式(3)，需要將公式(1)和公式(2)代入公式(3)，方可進(jìn)行運算：

面C的法線其在水平面上的投影向量與北方向的夾角θ₂，用于表示實際坡向的精確方位。在法向量在x方向上的值大于等于0，即公式(4)大于等于0時，采用公式(5)；在法向量在x方向上的值小于0，即公式(4)小于0時，采用公式(6)，具體計算公式如下：

-cos(γ+ω)*tan(β)+cos(γ)*tan(α) (4)

實施例1

由于森林內(nèi)幼苗和單木，對于地形變化的敏感度較高，而且幼微地形是影響幼苗更新和單木生長的重要外部環(huán)境因素。尤其是對于地形起伏變化較大的復(fù)雜山地，測量幼苗和單木所處的微地形，更是十分重要。本發(fā)明的坡度坡向測量方法，不受山地郁閉度程度的限制，能夠測量較小尺度上的坡度和坡向。

對幼苗和單木所處微地形的測量，具體實施步驟如下：

將百諾A650FHD3三腳架上標(biāo)有BENRO標(biāo)志的b軸和標(biāo)有HD3的a軸轉(zhuǎn)動到0刻度的位置，并將三個支撐腳完全展開，調(diào)整成統(tǒng)一高度。

將已調(diào)整好的三腳架，放置在幼苗上方或單木旁。首先調(diào)節(jié)三腳架b軸，使得水平氣泡在b軸方向居中，記錄b軸轉(zhuǎn)動的角度β＝19°，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以順時針旋轉(zhuǎn)角度為正。然后，調(diào)節(jié)三腳架a軸，使得水平氣泡在a軸方向也居中，即云臺重新水平，并記錄a軸旋轉(zhuǎn)的刻度α＝-33°，其中以順時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正。

將地質(zhì)羅盤儀放置在云臺上，并水平旋轉(zhuǎn)羅盤儀，使得地質(zhì)羅盤儀的N刻度位置對準(zhǔn)b軸，記錄正北方向到N刻度位置的旋轉(zhuǎn)角度γ＝339°，以順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度。

根據(jù)公式(1)計算ω＝77.1°。

根據(jù)公式(2)計算為(-0.80,0.05,0.97)。

根據(jù)公式(3)計算坡度θ₁為39.4°。

由于公式(4)的值為-0.80小于0，因此采用公式(6)計算坡向θ₂，θ₂為273.8°，即沿北方向順時針旋轉(zhuǎn)273.8°的方向為坡向。

實施例2

由于山地地表坡度和坡向不同，太陽光入射角度也會出現(xiàn)一定的差異，從而造成在地形起伏變化較大的區(qū)域，地表接收陽光照射時間和強度也會有較大波動。因此，精確的林下光照強度的計算，需要利用地表坡度和坡向進(jìn)行輔助。另外，本發(fā)明的坡度坡向的測量方法，不僅能夠準(zhǔn)確的計算出林下的坡度和坡向，而且已經(jīng)調(diào)節(jié)至水平的三腳架云臺，能夠為冠層照片的拍攝提供便利。

Winscanopy冠層分析軟件作為現(xiàn)今較為常用的冠層光照強度分析軟件，其在計算局部光照強度時，就需要坡度和坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助。因此，本發(fā)明以該軟件為基礎(chǔ)，具體描述山地光環(huán)境的測量步驟，具體步驟如下：

將百諾A650FHD3三腳架上標(biāo)有BENRO標(biāo)志的b軸和標(biāo)有HD3的a軸轉(zhuǎn)動到0刻度的位置，并將三個支撐腳完全展開，調(diào)整成統(tǒng)一高度。

將已調(diào)整好的三腳架，放置在測量光環(huán)境的區(qū)域。首先調(diào)節(jié)三腳架b軸，使得水平氣泡在b軸方向居中，記錄b軸轉(zhuǎn)動的角度β，其中以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以順時針旋轉(zhuǎn)角度為正。然后，調(diào)節(jié)三腳架a軸，使得水平氣泡在a軸方向也居中，即云臺重新水平，并記錄a軸旋轉(zhuǎn)的刻度α，其中以順時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正。

將用以拍攝冠層照片的相機上安裝180度魚眼鏡頭，安裝在三腳架的云臺上。

將地質(zhì)羅盤儀放置在相機鏡頭護鏡蓋上，如圖4所示。然后，水平旋轉(zhuǎn)羅盤儀，使得地質(zhì)羅盤儀的N刻度位置對準(zhǔn)b軸，記錄正北方向到N刻度位置的旋轉(zhuǎn)角度γ，其中以順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度。

記錄指北針沿順時針方向旋轉(zhuǎn)到鏡頭的EF-S卡口的白點的角度，用以標(biāo)記冠層照片的水平方位。

根據(jù)三維空間坐標(biāo)計算坡度，坡向。

將地質(zhì)羅盤儀取下，打開鏡頭護鏡蓋進(jìn)行拍攝。

在Winscanopy冠層分析軟件中，導(dǎo)入冠層照片，并輸入坡度、坡向，以及照片水平方位、時間、經(jīng)緯度、海拔等參數(shù)，如圖5所示，繪制太陽路徑和入射角度，從而通過Winscanopy軟件計算林下的光照強度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)中的測量技術(shù)相比，更具有精確性、可行性和可操作性?？晒?jié)省人力和時間，提高野外調(diào)查工作的成效。

實施例3

利用三維空間坐標(biāo)手動計算坡度、坡向較為繁雜，為此，本發(fā)明為了能更加簡便、快速地計算出坡度和坡向，在免費開源的R軟件上，編寫了代碼，具體代碼如下：

利用該代碼可以輕松快速地計算多區(qū)域的坡度和坡向。具體如下：

將百諾A650FHD3三腳架上標(biāo)有BENRO標(biāo)志的b軸和標(biāo)有HD3的a軸轉(zhuǎn)動到0刻度的位置，并將三個支撐腳完全展開，調(diào)整成統(tǒng)一高度。

將已調(diào)整好的三腳架，放置在需要測量坡度和坡向的區(qū)域。首先調(diào)節(jié)三腳架b軸，使得水平氣泡在b軸方向居中，記錄b軸轉(zhuǎn)動的角度β，其中以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以順時針旋轉(zhuǎn)角度為正。然后，調(diào)節(jié)三腳架a軸，使得水平氣泡在a軸方向也居中，即云臺重新水平，并記錄a軸旋轉(zhuǎn)的刻度α，其中以順時針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)，以逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正。

將地質(zhì)羅盤儀放置在云臺上，并水平旋轉(zhuǎn)羅盤儀，使得地質(zhì)羅盤儀的N刻度位置對準(zhǔn)b軸，記錄正北方向到N刻度位置的旋轉(zhuǎn)角度γ，其中以順時針旋轉(zhuǎn)為正角度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)角度。

將記錄好的α，β，γ數(shù)值，進(jìn)行根據(jù)區(qū)域進(jìn)行編號。

同樣利用以上步驟，記錄其它區(qū)域的α，β，γ數(shù)值，并進(jìn)行編號。

回到室內(nèi)，將R軟件打開，并將所附代碼復(fù)制進(jìn)R軟件中，敲擊回車。

在R軟件界面中，輸入slope.aspect(α，β，γ)，并再次敲擊回車，軟件將自動輸出aspect，即坡向，以及slope，即坡度。重復(fù)該步驟，就可以快速地算出不同區(qū)域的坡度和坡向。