犁耕土壤表面的三维分形插值重构-农业机械学报.PDF

２０１４年 ３月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 ３期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０３．０２６ 犁耕土壤表面的三维分形插值重构 １，２ １ ３ １ 刘奕贯 　鲁植雄 　ＨｏｏｇｍｏｅｄＷＢ　李晓勤 （１．南京农业大学工学院，南京 ２１００３１； ２．南京交通职业技术学院，南京 ２１１１８８； ３．瓦赫宁根大学及研究中心农场技术组，瓦赫宁根 ６７００） 摘要：利用非接触式激光地面不平度仪测量三维犁耕地面不平度，采用不同的剔除率，对剔除后的犁耕地面不平度 数据进行了三维分形插值重构，使用统计特性参数及分形特性参数对原始测量的犁耕地面不平度与插值重构后的 犁耕地面不平度进行对比分析。研究结果表明：在剔除率小于８０％的前提下，使用三维分形插值方法可重构出三 维犁耕土壤表面，真实表达了原始的三维犁耕表面；并可得出犁耕土壤不平度的纵向无标度区间为４５９ｍｍ，横向无 标度区间为２３ｍｍ。这对三维犁耕地面不平度的最小测量间距提供了理论依据，为三维犁耕地面不平度重构提供 了实用方法。 关键词：土壤不平度　分形　迭代函数系统　三维分形插值 中图分类号：Ｓ１５２９；Ｓ１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０３０１５２０６ 　　引言 １　材料与研究方法 分形理论［１－１０］自１９７５年创立以来就为许多不 如图１所示，研究方法主要包括：利用不平度测 规则、在某种尺度范围内局部与整体存在自相似性 试仪获取３Ｄ犁耕土壤高程数据，根据不同的剔除 的集合或无序系统提供了强大的研究工具。农田土 率对原土壤高程数据进行部分剔除，保存剔除后的 壤地表是具有趋向性的随机表面，且具有一定程度 数据，再利用分形插值方法对采样数据进行重构，以 的自仿射和标度不变性，许多学者将分形方法应用 及对比重构效果。 到土壤表面的定量表征中来［１１－１２］。农业车辆在现 代农业中的使用越来越广，研究车辆与土壤的相互 作用对于提高车辆在耕作时的通过性和平顺性具有 图１　犁耕土壤表面重构的流程图 Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｐｌｏｕｇｈｅｄｓｏｉｌｓｕｒｆａｃｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 十分重要的意义。车辆的性能可通过建立车辆与土 　 壤模型来分析，目前土壤模型的获取多依赖于仿真 １１　数据测量方法 分析软件中的现成模型，如张志峰［１３］及任茂文［１４］ 土壤高程数据采用激光式不平度测试仪进行测 等均利用 Ｄｒｕｃｋｅｒ Ｐｒａｇｅｒ弹塑性模型对车轮与土 试，在测量时，本着保证测量精度与工作量适中的原 壤的相互作用进行了有限元分析。这类模型虽然能 则，首先选取一块犁耕后的田块，然后在田块间随机 较好模拟土壤的弹塑性，但不能很好反映土壤的细 选取一块沿机具作业方向（纵向）长 １７ｍ，垂直于作 微结构，而分形插值方法在构建土壤模型时可生成 业方向（横向）宽 １ｍ的地面，最后使用不平度测试 细微的具有自相似性的土壤结构，更有利于准确分 仪，对选取的土壤表面进行扫描式测量。扫描式测 析车辆与土壤的耦合过程。本文通过测量土壤的不 量的方法是：先初始选定一个纵向位置后，在横向以 平度，再利用三维分形插值的方法来重构土壤表面， 一定的间距测量土壤的竖直