專利名稱：一種基于圖像處理的土壤剖面分析裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤分析領(lǐng)域，尤其是基于圖像采集處理的土壤剖面分析裝置及方法。
背景技術(shù)：
林業(yè)調(diào)查中，土壤分析是一種常用手段，用于測定土壤的空隙及根系分布以及土壤性質(zhì)等信息。傳統(tǒng)土壤分析方法是通過人工采集土壤，通過觀察得到土壤的顏色，空隙， 石礫和根莖分布情況等信息。由于完全通過人工進行分類與識別，傳統(tǒng)土壤剖面方法存在速度慢，效率低，精度低，主觀性強等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種土壤剖面分析裝置及方法，可以克服現(xiàn)有的人工土壤剖面分析存在的速度慢，效率低，精度低，主觀性強等缺點。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，包括圖像采集單元和中央處理單元；所述圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明；圖像采集設(shè)備，其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理；人機接口，其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果；所述中央處理單元控制所述圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述主控制器包括圖像采集單元、圖像分割模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，其分別用于對土壤剖面樣本進行圖像采集并對其圖像進行圖像分割以及數(shù)據(jù)處理，得到所需研究組分的分布，計算得到其面積，分布等數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種土壤剖面分析方法，所述方法包括步驟Sl 準(zhǔn)備土壤剖面樣本；S2:裝置啟動及初始化；S3 土壤剖面圖像采集；S4:圖像處理分析；S5:結(jié)果輸出。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選所述步驟S4包括S41:圖像顯示；S42:選擇待分析區(qū)域；S43 對所選區(qū)域進行圖像分割；
S44 分析分割結(jié)果的面積、分布參數(shù)。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選所述步驟S41還包括對多種顏色標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選在同一地點采集的相似圖像中使用同一劃分顏色標(biāo)準(zhǔn)。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟S41還包括對多種顏色相似度的設(shè)定。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟S3包括調(diào)節(jié)裝置及照明設(shè)備位置，用于采集清晰的土壤剖面圖像。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述方法還包括步驟S6 后期數(shù)據(jù)處理。(三)有益效果上述技術(shù)方案所提供的基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像采集單元和中央處理單元；所述圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明； 圖像采集設(shè)備，其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理；人機接口，其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果；所述中央處理單元控制所述圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。同時本發(fā)明還提供了一種土壤剖面分析方法，本技術(shù)方案使用成像設(shè)備獲得土壤樣本剖面的圖像后，通過圖像數(shù)據(jù)處理及分析等方法，將其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質(zhì)的土壤部分分離，從而可以得到相應(yīng)的土壤定量化分析數(shù)據(jù)。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。同時由于采用了量化的分析方法，使得分析結(jié)果更加公正客觀，可信度更高。


圖1是本發(fā)明實施例的土壤剖面分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的土壤剖面分析方法的流程示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的圖像處理分析的流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。結(jié)合附圖1，本實施例提供了一種基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，包括圖像采集單元和中央處理單元；圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明，以便能夠得到土壤剖面樣本清晰的圖像；圖像采集設(shè)備，其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集，將其圖像轉(zhuǎn)換成為數(shù)字化數(shù)據(jù)用于傳輸與處理；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元，進行處理分析；中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理，接收用戶指令及輸出分析結(jié)果等功能；人機接口， 其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果，接收用戶操作以及顯示圖像和處理結(jié)果等功能；中央處理單元控制圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。主控制器包括圖像采集單元、圖像分割模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，其分別用于對土壤剖面樣本進行圖像采集并對其圖像進行圖像分割以及數(shù)據(jù)處理，得到所需研究組分的分布，計算得到其面積，分布等數(shù)據(jù)。結(jié)合圖2，本發(fā)明實施例還提供了一種應(yīng)用上述土壤剖面分析裝置的土壤剖面分析方法，該方法包括步驟Sl 準(zhǔn)備土壤剖面樣本，選擇合適的地點采集土壤剖面并制作土壤剖面樣本，使其能夠反映所在地區(qū)土壤的各種組分分布的典型情況，選取代表性高并且適合圖像采集的合適的土壤剖面樣本進行采集方便后續(xù)步驟。S2:裝置啟動及初始化，并等待系統(tǒng)自動完成初始化并進入工作狀態(tài)，如一些初始化參數(shù)的設(shè)置。S3 土壤剖面圖像采集，將土壤剖面樣本放置在圖像采集單元前方合適位置，并根據(jù)光照情況適當(dāng)調(diào)整照明設(shè)備，使土壤中各個部分的色彩差異明顯，從而能夠采集得到清晰明亮的圖像。然后通過中央處理單元控制圖像采集單元對土壤剖面樣本進行圖像采集， 得到土壤剖面圖像。步驟S3包括調(diào)節(jié)裝置及照明設(shè)備位置，用于采集清晰的土壤剖面圖像。將土壤剖面樣本置于合適的位置并調(diào)節(jié)照明至適合圖像采集，中央處理單元通過同攝像模塊進行通信，控制其進行圖像采集工作，并接收圖像數(shù)據(jù)。S4:圖像處理分析，具體的，人工選擇圖像中需要分析的組分區(qū)域，例如其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質(zhì)的土壤，系統(tǒng)自動按照選擇的部分對圖像進行分割。本實施例中的圖像處理分析方法為，基于顏色分割的圖像分割算法。該算法將圖像的各個部分分割提取，根據(jù)人工選擇的各個部分在圖像中尋找顏色相似的部分進行劃分，并對其區(qū)域進行分析并處理分割后的區(qū)域，得到分析結(jié)果分別得到每個部分的分布區(qū)域，包括分布、比例等所需的參數(shù)。S5:結(jié)果輸出，根據(jù)所需研究具體情況對處理結(jié)果進行進一步處理分析得到初步分析結(jié)果后。該方法還包括步驟S6 后期數(shù)據(jù)處理。得到初步分析結(jié)果后，可以將分析結(jié)果以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并傳輸至其他設(shè)備中進行后續(xù)處理，以使用不同的處理方法達到不同的研究目的。采用基于顏色的圖像分割算法進行前期處理，得到土壤中各個部分的分布以及分析結(jié)果，具體過程如下，結(jié)合圖3，本實施例中圖像處理分析步驟S4具體包括S41 圖像顯示；中央處理單元接收到圖像數(shù)據(jù)后可以將圖像顯示出來供操作者判斷圖像質(zhì)量，并選擇質(zhì)量較高的圖像進行后續(xù)處理工作。步驟S41還包括對多種顏色標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，在同一地點采集的相似圖像中使用同一劃分顏色標(biāo)準(zhǔn)。在同一地點采集的相似圖像中使用同一組劃分顏色標(biāo)準(zhǔn)，從而可以統(tǒng)一圖像分割標(biāo)準(zhǔn)，提高圖像處理效率與速度，減少操作人員工作量。步驟S41還包括對多種顏色相似度的設(shè)定，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。對圖像進行分割時，可以由操作人員設(shè)定不同的分割顏色相似度，根據(jù)不同的樣本圖像情況使用不同的相似度進行分割，從而提高分割的準(zhǔn)確度。S42:選擇待分析區(qū)域，根據(jù)所需在圖中由操作人員標(biāo)示出不同組分的典型區(qū)域例如上述的土壤中的空隙，石爍，根莖以及不同性質(zhì)的土壤即初始點的標(biāo)識，以這些區(qū)域的顏色作為標(biāo)準(zhǔn)在圖中尋找顏色相似的區(qū)域，從而對圖像進行分割。S43 對所選區(qū)域進行圖像分割，具體的算法為根據(jù)分割區(qū)域的顏色對圖像整體按照成分進行分割。在全圖中搜索與標(biāo)記的部分顏色匹配的部分，并將其區(qū)域進行分割。采用這種方法可以減少人工工作量并增加效率，可以在同一批的相似樣本中使用同一組區(qū)域顏色數(shù)據(jù)進行劃分，這樣在保證分割精度的同時能夠減少人工選擇次數(shù)，提高分析速度。分別提取所選區(qū)域的顏色數(shù)據(jù)，作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在圖像中尋找所有和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相近的點，作為分割區(qū)域。其中分割時所用的顏色相似度可以調(diào)節(jié)，從而可以由操作人員確定合適的相似度進行分割，以達到較準(zhǔn)確的分割結(jié)果。。S44:得到分割的區(qū)域后，可以對區(qū)域進行計算面積，分布等分析，得到分析結(jié)果， 用于后續(xù)所需的處理分析工作。本發(fā)明的土壤剖面分析裝置以及處理分析算法能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤樣本的快速準(zhǔn)確的分析工作，得到準(zhǔn)確客觀的數(shù)據(jù)，簡化了土壤剖面分析過程，節(jié)省了處理分析時間，同時由于本系統(tǒng)實現(xiàn)了全過程數(shù)字化自動化，提高了操作人員的效率。由以上實施例可以看出，本發(fā)明實施例通過采用基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像采集單元和中央處理單元；所述圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明；圖像采集設(shè)備，其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理；人機接口，其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果；所述中央處理單元控制所述圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。同時本發(fā)明還提供了一種土壤剖面分析方法，本技術(shù)方案使用成像設(shè)備獲得土壤樣本剖面的圖像后，通過圖像數(shù)據(jù)處理及分析等方法，將其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質(zhì)的土壤部分分離，從而可以得到相應(yīng)的土壤定量化分析數(shù)據(jù)。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。同時由于采用了量化的分析方法， 使得分析結(jié)果更加公正客觀，可信度更高。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，其特征在于，包括圖像采集單元和中央處理單元；所述圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明；圖像采集設(shè)備， 其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理；人機接口，其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果；所述中央處理單元控制所述圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤剖面分析裝置，其特征在于，所述主控制器包括圖像采集單元、圖像分割模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，其分別用于對土壤剖面樣本進行圖像采集并對其圖像進行圖像分割以及數(shù)據(jù)處理。
3.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述裝置的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述方法包括步驟51準(zhǔn)備土壤剖面樣本；52裝置啟動及初始化；53土壤剖面圖像采集；54圖像處理分析；55結(jié)果輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步驟S4包括541圖像顯示；542選擇待分析區(qū)域；543對所選區(qū)域進行圖像分割；544分析分割結(jié)果的面積、分布參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步驟S41包括對多種顏色標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，在同一地點采集的相似圖像中使用同一劃分顏色標(biāo)準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，步驟S41包括對多種顏色相似度的設(shè)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步驟S3包括調(diào)節(jié)裝置及照明設(shè)備位置，用于采集清晰的土壤剖面圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述方法還包括步驟S6 后期數(shù)據(jù)處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像采集單元和中央處理單元；圖像采集單元包括照明設(shè)備，其用于為待測土壤剖面提供照明；圖像采集設(shè)備，其用于對土壤剖面樣本進行圖像采集；以及圖像數(shù)據(jù)傳輸接口，其用于將圖像數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元；中央處理單元包括主控制器，其用于控制整個裝置運行、人機交互以及數(shù)據(jù)處理；人機接口，其用于接收用戶指令以及顯示圖像及處理結(jié)果；中央處理單元控制圖像采集單元運行并接收其采集的圖像數(shù)據(jù)。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。本發(fā)明還提供了一種土壤剖面分析方法，由于采用了量化的分析方法，使得分析結(jié)果更加公正客觀，可信度更高。
文檔編號G01N21/84GK102565058SQ20111044115
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者余新曉, 張振明, 樊登星, 谷建才, 陸貴巧, 陳麗華 申請人:北京林業(yè)大學(xué)