野外测量（精选3篇）
野外测量 篇1
在风沙科学的研究中, 输沙率 (量) 是直接表征地表风蚀和荒漠化的主要参数, 也是制定防沙治沙工程措施的重要依据。目前国内外许多学者通过野外试验、风洞实验和数值模拟的方法定量的研究了输沙率, 提出了数十个理论和经验公式[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。其中有很多公式可表示为摩阻风速的函数关系, 其中以拜格诺提出的输沙率与摩阻风速成三次方的关系最为出名。在评估某一地区较大范围或者较长时间的荒漠化进程或者沙漠化进程时, 计算输沙量通常需要借助于长期观测的平均风速, 所以建立平均风速和摩阻风速的函数关系很有必要。而目前关于摩阻风速与风速关系的研究较少且多基于风洞实验[8,11,12,13], 而很少有野外测量。因此, 摩阻风速的野外测量直接关系到输沙率 (量) 的度量以及荒漠化的评估与治理。
在风沙科学里, 常用的摩阻风速的测量方法有涡动相关法和空气动力学方法。两种方法的相同点都是一种近似方法:由于壁面湍流的粘性底层和过渡区的厚度都很薄, 都没有考虑粘性底层和过渡区的的厚度及其对湍流的影响, 并且, 都是认为在湍流发展充分的核心区, 因粘性切应力趋于零而不再考虑, 均是以雷诺切应力来近似等于壁面切应力这一前提来计算摩阻风速的。两种方法在测量上是有一定的差别, 在近地表中性层结, 各个高度的雷诺应力保持一致, 所以涡动相关法只需要测量出距地面某一高度的来流风速和垂向风速, 根据雷诺时均的方法计算出雷诺应力[14], 结合摩阻风速的定义[15]计算出该高度的摩阻风速, 从而认为是该地表的摩阻风速, 涡动相关法计算雷诺应力的方法不仅适用于稳态湍流, 而且也适用于非稳态的湍流。但涡动相关法运用的测量仪器一般比较复杂精细昂贵, 对风速要有快速高频的响应。而空气动力学方法则是引入普朗特的混合长度理论假设, 得到雷诺应力和平均风速的关系。根据实验观察和量纲分析, 普朗特提出固壁附近混合长度与离固壁的距离成正比的经验公式, 并引入了卡门常数这一实验参数[15], 得到充分发展的稳态湍流中近壁面的对数律公式。因此根据空气动力学方法计算摩阻风速则需要测量两个或两个以上高度处的来流风速, 为了准确测量摩阻风速, 通常需要布置更多仪器, 测量不同的高度的风速, 如程宏等人在测量种植用地、林地和杂草地的摩阻风速时测量了8个不同高度的风速[12], 按照对数廓线计算出摩阻风速, 即认为是该地表的摩阻风速。空气动力学方法对仪器的要求相对较低, 但只适用于对数廓线存在的稳态湍流。
由于采用空气动力学方法测量摩阻风速, 需要布置多个测量风速的仪器, 固定和安装的操作都比较复杂, 特别是在野外风沙环境中风速多为非稳态湍流, 而且动床面上的卡门常数的具有不稳定性[16,17], 使空气动力学方法的野外广泛应用受到了一定的限制。而涡动相关法不依靠任何假设, 不需要采用任何经验关系式, 不需要在流场中安装多个风速仪测量风速。随着涡动相关技术的发展及测量仪器的不断完善, 涡动相关法成为精确测量摩阻风速的首选方法。为此, 在甘肃省民勤地区的沙漠边缘进行了近地表单点的三维风速的长期观测, 采用涡动相关法计算摩阻风速, 并探讨摩阻风速和风速的关系, 为评估民勤地区的荒漠化进程及其治理提供参考。
1 研究方法
1.1 测量地点与时间
观测地点位于甘肃省民勤县, 民勤县 (海拔1300～1500m) 是石羊河流域下游的一片狭长的绿洲, 犹如楔子插入巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠之间, 阻挡着两大沙漠的合拢。民勤县大陆性沙漠气候特征十分明显, 年均降水量仅为110mm, 蒸腾量高达2644mm。民勤县总面积1.6万km2, 荒漠和荒漠化土地面积为1.456万km2, 占全县总面积的91%, 是中国荒漠化形势最为严峻的地区之一。据对该地区1998～2003年的沙化普查监测结果显示:5年间民勤县监测区内耕地的风蚀沙化面积增加了110.35km2, 且荒漠化程度正在由中、轻度向重度和极重度逐步加剧发展, 荒漠边缘以每年3～4m的速度向绿洲推进, 致使民勤县成我国四大沙尘暴的策源地之一[18]。观测点为在甘肃省民勤县治沙综合站3#塔 (东经103.08°, 北纬38.62°) 附近的一平坦沙面。该观测点位于沙漠和农田的之间的过渡区域, 是研究荒漠化进程的理想场所。民勤地区3～5月份, 通常为风沙活动剧烈的季节, 这期间一般没有有效降雨。试验观测时间2010年4月23日到5月20日。
1.2 观测仪器与测量原理
1.2.1 仪器与装置
观测采用的仪器为三维超声风速仪 (CSAT-3D) , 测量频率为50Hz。在水平地表固定一个2.5m高的三维超声风速仪的架子, 然后在架子上安装两个三维超声风速仪, 使超声探头的中心分别位于0.5m和1.0m的高度。并利用超声探头上自带的水平仪对超声风速仪进行水平调整。并在每次测量完成后确认超声探头是否水平。两个超声风速仪共用一个型号为CR3000的数据采集器, 保证两个超声风速仪的数据同步测量三维风速。在无风或者风速较小时更换CR3000的数据卡。
1.2.2 测量原理
涡动相关法又叫直接相关法, 即由实验仪器测量某高度的来流风速u和垂向风速w, 然后根据雷诺时均法[14], 求出这两个方向的脉动速度u′、w′, 计算出雷诺应力, 由于壁面湍流的粘性底层和过渡区的厚度都很薄, 没有考虑粘性底层和过渡区的的厚度及其对湍流的影响, 认为在湍流发展充分的核心区, 因粘性切应力趋于零而不再考虑, 以雷诺切应力来近似等于壁面切应力[15], 然后根据摩阻风速的定义联立求解, 即由式子
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联立求解得到,
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1.3 数据处理
在数据统计和分析前, 首先进行了野点排除处理。风速的野点排除的方法:计算出某一时段 (本文选择10min) 的均值和标准差, 将高于或低于该时段均值4倍的标准差的测量值替换为前后两点的差值。然后根据水平风速计算出风向, 为了减小风向对摩阻风速结果的影响, 选取风向波动相对较小的样本来研究。实测的风速ux、vy和wz是三位超声风速仪坐标系下的x、y、z下的时间序列。以10min为时间间隔, 用undefined、undefined、undefined来表示三个方向的平均风速值。则主风向的风速值U和风向角θ的计算方法为:
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将超声风速仪坐标旋转角度θ, 使得来流风速u和主风向U一致, 得到一新的坐标系。在新的坐标系下实测的来流风速u、侧向风速v及垂向风速w的计算公式:
同样, 仍采用10min为时间间隔计算来流风速、侧向风速和垂向风速的平均值undefined、undefined和undefined。因此, 瞬时的来流风速的脉动u′、侧向风速的脉动v′和垂向风速的脉动w′的计算公式:
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然后, 根据涡动相关法, 计算出10min内的平均雷诺应力, 进而求出两个高度的摩阻风速, 分别记为u*0.5、u*1.0。
2 结果分析
根据上面的分析, 选取的研究样本为A:2010年4月27日早晨5∶00～15∶00, B:5月4日2∶30～10∶00, C:5月5日0∶00～13∶00, D:5月8日7∶00～23∶00, 由于风向的测量时360°和0°重合, 所以为了画图的方便当风向在270°～360°的范围时, 转化为-90°～0°。
2.1 0.5m处的来流风速 (10min平均)
由图1可以看出, 所选的四个样本0.5m处来流风速随时间变化: (1) 4月27日测量的10个小时里风速从3.1m/s增大到11.5m/s; (2) 5月4日测量的7.5个小时里风速从2.5m/s增大到10.0m/s然后减小到4m/s; (3) 5月5日测量的13个小时里风速从1.5m/s增大到8.5m/s; (4) 5月8日测量的16个小时里风速从6.3m/s增大到9.7m/s然后逐渐减小到2.0m/s;在测量地区, 当地表0.5m处的风速达到5m/s左右时, 地表就开始起沙, 所以在所选择四个时段里, 均包括了地表没有起沙 (净风场) 和地表起沙 (含沙风场) 两种情况。在这两种情况下都计算出摩阻风速, 从而使摩阻风速的测量更具有完整性。
2.2 0.5m处的风向 (10min平均)
因为野外风速具有脉动性和复杂性的特点, 所以风向也呈现出脉动性和复杂性。由图2可以看出, 所选取的四个样本0.5m处的风向随时间变化: (1) 4月27日测量的10个小时里风向的变化范围-10.2°～39.3°; (2) 5月4日测量的7.5个小时里风向的变化范围-14.5°～24.9°; (3) 5月5日测量的13个小时里风向变化范围1.9°～44.7°; (4) 5月8日测量的16个小时里风向变化范围-28.3°～7.8°。由于选择的测量地表平坦和均匀性, 每个样本的风向变化范围都在50°的范围内, 四个样本之间的总的风向的变化范围在75°内。所以在计算地表摩阻风速时, 可以近似的忽略风向的影响。
2.3 0.5m处的摩阻风速和1.0m处的摩阻风速 (10min平均)
由图3可以看出, 四个样本中无论在净风场还是在沙子运动以后的含沙风场, 采用涡动相关法测量的0.5m和1.0m的摩阻风速在时间序列大小保持一致。反映出在近地表0.5m和1.0m两处的雷诺应力也保持一致。用涡动相关法在0.5m和1.0m测量地表摩阻风速没有差别, 这与涡动相关法的理论保持一致, 即在近地面中性层结的大气中, 雷诺应力的测量通常没有高度的限制, 在各个高度上雷诺应力保持一致。所以认为测量的0.5m处的摩阻风速和1.0m处的风速即为当地的摩阻风速。
2.4 摩阻风速与风速的函数关系
图4表明求摩阻风速和0.5m处的风速具有很好的线性关系。采用最小二乘法, 得到摩阻风速与风速呈线性关系, 拟合的具体参数参见表1。拟合的结果表明摩阻风速随风速呈线性关系, 这与风洞测量的结果一致[8,11,12,13]。在民勤地区拟合的结果摩阻风速随0.5m处来流风速的线性变化的斜率在0.06的附近波动;而截距为接近0的负值, 这可能与野外垂向风速的脉动情况及地表粗糙度情况有关。拟合的线性相关系数均在0.96以上, 这表明摩阻风速和风速的拟合的线性关系是可行的。四次测量的摩阻风速和风速的线性关系的参数和截距相差不大, 说明实验结果具有很好的重复性, 从而说明采用涡动相关法测量摩阻风速具有很稳定的可靠性。
为了更简便的适合防沙治沙工程应用, 采用最小二乘法拟合时, 选取固定斜率0.06, 拟合的具体参数参见表2, 截距在范围内波动, 拟合的相关系数也均在0.96以上。根据民勤地区近地表的摩阻风速与风速拟合的线性关系, 及输沙率 (量) 与摩阻风速的函数关系, 通过长期观测民勤地区的来流风速和风向的变化来评估如民勤地区长时间的荒漠化进程。这种方法还可以推广到其他荒漠化的地区。通过观测近地表单点的三维风速, 计算出来流风速和垂向风速, 获得摩阻风速, 拟合出摩阻风速和该高度的风速的线性函数关系, 借助于气象观测的风速风向资料, 根据目前对输沙率 (量) 的研究。从而可以评估该地区长时间的荒漠化进程, 为荒漠化的治理与防治提供参考依据。
3 结论
1) 用涡动相关法测量近地表湍流边界层壁面摩阻风速的方法, 是通过测量湍流边界层近地表某高度的来流风速和垂向风速, 然后按照雷诺时均的方法计算出雷诺应力, 根据摩阻风速的定义计算出摩阻风速。这种方法测量技术成熟, 操作简便, 不依靠任何假设, 不需要采用任何经验关系式, 不需要在流场中安装多个风速仪测量风速, 对流场无干扰或者干扰较小, 不需要考虑动床面上的卡门常数的不稳定问题。测量表明在风向变化范围在75°内时, 无论是在含沙风场或者是净风场, 0.5m处的摩阻风速与1.0m处的摩阻在时间序列上大小保持一致性。
2) 在防沙治沙工程中多采用输沙率 (量) 这一宏观量来表征某一地区荒漠化或者沙漠化的进程。而输沙率 (量) 多以摩阻风速作为特征量来计算, 摩阻风速的测量对输沙率的研究显得非常重要, 特别的, 为了评价某一地区较长时间的荒漠化或者沙漠化的进程时, 弄清该地区摩阻风速与风速的函数关系很有必要。在民勤地区利用涡动相关法测量近地表的摩阻风速, 通过拟合得到摩阻风速与0.5m处的风速具有很好的线性关系, 从而为评估民勤地区长时间的荒漠化进程及其治理提供参考。
摘要：在民勤地区的沙漠边缘利用三维超声风速仪进行了近地表0.5m、1.0m三维风速的长期观测, 根据涡动相关法计算出近地表的摩阻风速。该方法在精确测量单点三维风速的基础上, 不需要考虑动床面上的卡门常数的不稳定问题, 实现了近地表摩阻风速的无干扰或者干扰较小的测量。测量表明, 风向变化范围在75°内时, 无论是在含沙风场或者是净风场, 0.5m处的摩阻风速与1.0m处的摩阻在时间序列上大小保持一致;摩阻风速与0.5m处的风速具有很好的线性关系, 为评估某民勤地区荒漠化进程及其治理提供了参考。
关键词：工程力学,摩阻风速,荒漠化,涡动相关法
野外测量 篇2
本文介绍从便携式数码调绘到野外作业的.便携式测量系统应用与发展.按规模化生产的要求,总结“国家1: 50 000地形数据库更新”项目的调绘17万km2调绘生产经验后.提出以数据库为核心的数据更新的野外测量方案,利用便携式测量系统解决摄影测量外业像片刺点、控制测量、碎部测量和调绘在大比例尺地形图外业方面应用.
作 者：陶守相 祝乃龙 郭卫民 刘四宁 TAO Shou-xiang ZHU Nai-ling GUO Wei-min LIU Si-ning 作者单位：陶守相,TAO Shou-xiang(武汉市城市防洪勘测设汁院,武汉,430014)
祝乃龙,ZHU Nai-ling(辽宁省第二测绘院,沈阳,110043)
郭卫民,GUO Wei-min(北京天恒昕业科技发展有限公司,北京,100107)
刘四宁,LIU Si-ning(中国测绘科学研究院,北京,100039)
野外作业中测量仪器的使用与维修 篇3
随着地质事业的发展, 测量人员和仪器逐渐增多。管好用好测量仪器, 对于完成生产任务、提高效率、保证质量、降低成本, 安全生产具有重要意义。但过去由于忽视对仪器设备的安全教育, 仪器管理制不严格, 致使有些人员不重视在野外条件下的仪器维护与保养。例如, 乘通勤车时将仪器和脚架往车里一放等等。这样漫不经心的工作态度严重影响仪器的精度和使用寿命。据1980年冬检统计, 黑龙江省有色金属地质勘查研究总院有多数测量仪器因发生不同程度的损坏而送交修理。其中有仪器箱掉盖的, 也有微动螺旋丢失或其他螺旋拧脱扣等情况发生。据了解这种情况也或多或少存在于同行业的其他单位。
2 掌握正确使用仪器的原则
1) 经常进行仪器的检查和校正, 这样可以发现仪器经过长期使用或运输中各轴系之间关系的变化, 使之达到允许范围的程度。
2) 采取保证精度的限差措施。如用水平方向2C值来检查仪器的稳定性。2C变化是反映外界条件对仪器横轴、数轴、视准轴之间的关系变化及仪器本身系统误差的影响。例如, 采用对称观察法;顺转和逆转, 盘左和盘右, 等距点, 等高点观测法, 或者给予特定的观测条件, 选择适宜的观测时间, 规定观测程序, 以及换置及测微器位置等。使系统变为偶然, 使误差改变符。
3) 观测人员要精心正确地操作仪器。例如, 观测水平方向时, 使用微动螺旋按旋进方向照准目标。微动螺旋应使用其中间部分。制动螺旋不要宁得太紧, 照准部的旋转要平稳等。如温度变化, 测站地质条件, 三角架的安放牢固程度等对观测精度带来的影响, 也应密切注意。
3 仪器的维护与保养
3.1 仪器的保存和使用之前的检查事项
仪器保存:仪器应存放在通风、干燥、温度稳定的房间里。各种仪器均不可受压、受冻、受潮或受高温, 仪器柜不要靠近火炉或暖气管、片, 不可靠近强磁场。存放仪器时, 特别是在夏天和车内, 应保证温度在一定的范围之内 (-20°~+50°) 。注意防止未经许可的人员接触仪器。
因工作需要搬动仪器时, 为维护仪器安全, 要先按下列各项进行检查:
1) 仪器在箱内是否已安放妥当;
2) 各制动螺旋是否松开;
3) 磁针是否固定;
4) 稳目卡螺丝或其它卡固装置是否卡固;
5) 零件和附件是否齐全;
6) 仪器箱是否已扣严, 锁好, 钥匙是否保存妥当;
7) 背带和扣环是否安全牢固;
8) 携带或背运仪器如发觉箱内有振摇, 应立即开箱检查整理好。
9) 乘车运送仪器时, 应专人携带坐抱在腿上, 或在仪器下方及周围垫软物并捆牢, 如路面不平要慢行。
10) 应有专人在场照顾装卸车, 要轻拿轻放, 仪器箱不得倒放或侧放, 各种工具不得扔上抛下。
11) 水准尺等尺面向内, 花杆理齐并捆扎结实, 平板面贴面, 三脚架须交错摆放整齐, 卷尺、测钎等小工具要装入包内, 装卸车时, 都要点清捆扎件数, 以防丢失。
3.2 使用时的注意事项
1) 长途搬运最好有方锥形防震外包装箱, 目前很多仪器却不具备, 所以携带仪器乘火车时, 可以放到行李架上, 两边用背包挤好, 以免被人碰击。乘汽车应背在背上或坐着抱在怀里。不管乘什么车都必须保持仪器在直立或水平状态。
2) 仪器取出与装箱, 要用双手握住支架或基座部分小心取放。装箱要注意仪器的安放位置, 不得使仪器在箱内活动, 旋紧制动螺旋。取出前必须熟悉仪器各部分在箱槽内的位置, 并松开仪器制动螺旋及箱槽上之夹钳后, 才能将仪器取出。要随时检查箱内附件是否齐全, 背带提手连接螺丝是否活动脱帽。仪器箱盖须上锁。
3) 仪器搬站时可视距离远近、道路好坏决定是否装箱。当连同脚架搬站时一定使望远镜垂向盘心, 拧紧制动螺旋。经过村庄、树林、灌木丛一定要手托仪器于胸前, 把脚架斜挟在腋下。开阔平坦地带可以扛在肩前, 应尽量保持仪器直立状态。
4) 仪器要用伞遮住, 防止太阳暴晒, 严谨冒雨作业。
5) 仪器存放时, 库房要干燥明亮通风良好, 清洁卫生, 室温不能剧烈变化, 并有消防设备。仪器要处理清洁, 箱内放上干燥剂方能保存。野外临时存放仪器也要选择安全干燥, 远离炉子之处, 避免放在热炕上。寒冷季节室内外温差太大, 仪器应保存在与作业区温度相差不大的地方, 以避免仪器上霜光学部件生霉。当仪器由寒冷地方搬至暖和地方时, 须将仪器箱关闭数小时, 待箱内温度和外面大致相等时, 方可开箱。
6) 每天工作结束后, 要用毛刷刷去灰尘, 刷不掉的可用脱脂棉干擦或沾一点汽油擦。镜片上的灰尘也可用软毛刷轻轻刷去。水渍油污可用干净的镜头纸、绒布、优质脱脂棉蘸少许酒精或乙醚呈潮湿状轻轻揩擦, 严防用力过大, 擦掉物镜镀膜层, 酒精与乙醚不能流至胶合层, 以免镜片脱胶。
7) 三脚架要防止雨淋、摔磕, 伸缩木质滑动部分可经常用白腊擦磨, 防止水分对木头的渗蚀引起变形。脚尖部分要注意防锈。运输和休息时不要坐压, 不能脚踩, 更不能无人看管。
4 结论
总之, 应认真遵循测量仪器的保养及使用规则, 保持仪器完整无损和正常运转, 以利于测绘工作正常进行。
摘要：管好、用好测量仪器, 对于完成生产任务、提高效率、保证质量、降低成本, 安全生产具有重要意义。认真遵循测量仪器的保养及使用规则, 保持仪器完整无损和正常运转, 以利于测绘工作正常进行。