專利名稱：土壤孔隙度檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)及計算機圖像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種土壤孔隙度檢測方法。
背景技術(shù)：
土壤孔隙度及顆粒組成是土壤重要的物理性質(zhì)參數(shù)，是研究土壤最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料，尤其是在土壤模型研究和土工試驗方面。其中顆粒分布與土壤結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)地有密切關(guān)系，孔隙度直接影響水氣二相在土體中的遷移與根系在土壤中的生長。目前，測量土壤孔隙度的方法主要分為兩種，一種是傳統(tǒng)的實驗法，一種是計算機
圖形學方法。傳統(tǒng)的實驗法以烘干法為代表，實驗步驟為首先用環(huán)刀取所需土樣并稱重，然后放入烘箱中于105°C下烘干24小時，取出后稱重。計算過程如下I、土壤容重的計算 rs=￥^L·)rs表示土壤容重(克/立方厘米)，g表示環(huán)刀內(nèi)濕土重(克)，V表示環(huán)刀容積(立方厘米)，w表示土壤含水率(g/kg)(如含水率為200g/kg應寫成O. 2)。2、土壤含水率的計算
gW = ——
I + w3、土壤總孔隙度的計算
^ /Js — 、/(%)=-——Xioo
‘ K ds Jds表示土粒密度(一般認為耕地土壤表土的土粒密度為2. 65克/立方厘米，土粒密度與土壤比重的數(shù)值相等，密度單位為克/立方厘米，比重無單位)。計算機圖形學方法為，首先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像如圖I中(a)所示，然后選取閾值將圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，如圖I中(b)所示，閾值以上即為孔隙，最后計算二值圖像中孔隙面積與總面積的比值即為孔隙度。土壤顆粒分布的測量方法主要是吸管法，由篩分和靜水沉降組成。通過2_篩孔的土樣經(jīng)化學和物理方法處理成懸浮液定容后，根據(jù)司篤克斯(Stokes)定律及土粒在靜水中的沉降規(guī)律，大于O. 25mm的各級顆粒由一定孔徑的篩子篩分，小于O. 25mm的粒級顆粒則用吸管從其中吸取一定量的各級顆粒，烘干稱量，計算各級顆粒含量的百分數(shù)。無相關(guān)計算機圖形學方法。以上所述方法缺陷分別為傳統(tǒng)方法速度慢、試驗周期長，烘干法需要10小時左右，吸管法則需數(shù)天；操作復雜，對實驗員操作水平有較高要求；而且實驗結(jié)果相對誤差較大。通過計算機圖形學計算土壤孔隙度的方法最大的限制在于，閾值的選取沒有公認的標準，不同的閾值選取會得到不同的孔隙度結(jié)果，對研究者的經(jīng)驗依賴較強
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)問題是如何快速而又較為準確的測量土壤孔隙度。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種土壤孔隙度檢測方法，包括以下步驟SI :采集土壤樣品的顯微圖像，并對所述顯微圖像進行預處理，以將所述顯微圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像并去除噪聲；S2 :生成去噪后灰度圖像的灰度共生矩陣；S3 :計算灰度共生矩陣的特征值對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT ；S4 :根據(jù)事先設(shè)定的擬合指標對所述對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT·進行擬合得到孔隙度的擬合方程；S5 :將待測土壤的灰度共生矩陣的對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT代入所述擬合方程得到所述待測土壤的孔隙度。其中，所述步驟SI中對所述顯微圖像進行預處理包括灰度轉(zhuǎn)化，閾值濾波去除噪聲，灰度直方歸一化，其中，灰度轉(zhuǎn)化公式為Gray=O. 3Rd+0. 59Grn+0. IlBl其中，Gray為轉(zhuǎn)化后灰度值,Rd為紅色通道值,Grn為綠色通道值,BI為藍色通道值。其中，所述步驟S2中灰度共生矩陣的生成方法如下對于灰度圖像中任一個像素點，以該像素點為中心，定義該像素點所在的水平方向為0°，逆時針旋轉(zhuǎn)依次定義為45°、90°和135°，沿該四個角度統(tǒng)計灰度值為i，j，距離為d的像素點對，以得到四個不同的灰度共生矩陣。其中，所述距離d取8 32范圍之內(nèi)的值。其中，所述步驟S3具體計算方式如下對比度
權(quán)利要求
1.一種土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 Si:采集土壤樣品的顯微圖像，并對所述顯微圖像進行預處理，以將所述顯微圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像并去除噪聲； 52:生成去噪后灰度圖像的灰度共生矩陣； 53:計算灰度共生矩陣的特征值對比度CON、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT ； 54:根據(jù)事先設(shè)定的擬合指標對所述對比度CON、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT進行擬合得到孔隙度的擬合方程； 55:將待測土壤的灰度共生矩陣的對比度CON、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT代入所述擬合方程得到所述待測土壤的孔隙度。
2.如權(quán)利要求I所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述步驟SI中對所述顯微圖像進行預處理包括灰度轉(zhuǎn)化，閾值濾波去除噪聲，灰度直方歸一化，其中，灰度轉(zhuǎn)化公式為Gray=O. 3Rd+0. 59Grn+0. IlBl 其中，Gray為轉(zhuǎn)化后灰度值，Rd為紅色通道值，Grn為綠色通道值，BI為藍色通道值。
3.如權(quán)利要求I所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述步驟S2中灰度共生矩陣的生成方法如下 對于灰度圖像中任一個像素點，以該像素點為中心，定義該像素點所在的水平方向為0°，逆時針旋轉(zhuǎn)依次定義為45°、90°和135°，沿該四個角度統(tǒng)計灰度值為i，j，距離為d的像素點對，以得到四個不同的灰度共生矩陣。
4.如權(quán)利要求3所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述距離d取8 32范圍之內(nèi)的值。
5.如權(quán)利要求I所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述步驟S3具體計算方式如下 對比度 CON Z1 = Σν: 2 ! 2 Pd JMi-Jl= O)}相關(guān)性 COR f2=( Σ i Σ j(ij)p(i，j) μ χ-μ y) / σ χ σ y逆差矩 IDM :f3=( Σ i Σ jP(i, j))/(l+(i_j)2)熵 ENT f4=- Σ i Σ jp(i, j) log(p(i, j)) 其中，μ x，μ y是口,，Py的均值，σ χ, σ y是口,#的標準差,px, py為p(i, j)的邊緣概率密度，P(i，j)為灰度值分別為i、j的像素對出現(xiàn)的次數(shù)組成的矩陣歸一化后得到的灰度共生矩陣，Ng為灰度圖像的灰度等級，η取值為O Ng_1; (ij)表示i點乘j。
6.如權(quán)利要求I所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括 S4. I :從對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT中任選其一按多元回歸方程進行擬合，并計算出測定系數(shù)、校正測定系數(shù)和標準差三種擬合指標； S4. 2 :加入一種特征值再次擬合，計算擬合指標與前次進行比較，若校正測定系數(shù)減小說明新加的特征值與多元回歸方程的因變量無關(guān)；若校正測定系數(shù)增加，說明新加值與因變量有關(guān)，改變特征值距離，直到測定系數(shù)不再增加；當校正測定系數(shù)和測定系數(shù)變化不超過5%時選擇標準差最小時的一組特征值參與擬合； S4. 3 :繼續(xù)步S4. 2直到四種特征值都經(jīng)過擬合，從而得到孔隙度的擬合方程如下F0=O. 00191C0N32+159. 3COR16-51. 055ENT16_3545. 13IDM16+267. 18 其中，F(xiàn)q 為孔隙度，CON32表示d為32時的灰度共生矩陣的對比度，COR16表示d為16時的灰度共生矩陣的相關(guān)性，ENT16表示d為16時的灰度共生矩陣的熵，IDM16表示d為16時的灰度共生矩陣的逆差矩。
7.如權(quán)利要求I 6中任一項所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，步驟S3之后還包括 根據(jù)事先設(shè)定的擬合指標對所述對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT進行擬合得到土壤顆粒含量的擬合方程； 將待測土壤的灰度共生矩陣的對比度C0N、相關(guān)性C0R、逆差矩IDM和熵ENT代入所述土壤顆粒含量擬合方程得到所述待測土壤的顆粒含量。
8.如權(quán)利要求7所述的土壤孔隙度檢測方法，其特征在于，所述土壤顆粒含量的擬合方程為O,=2. 1232C0N32+22265C0R32+675. 45ENT16+31427IDM32 — 26041D2=-2. 485ICON32 - 26126C0R32 一 748. 06ENT16 一 34964IDMS2+30386D3=O. 36186C0N32+3680. 7C0R32+72. 612ENT16+3537. 2IDM32 一 4245, 其中，D1表示2 0. 05mm顆粒含量，D2表示O. 05 O. 002mm顆粒含量，D3表示小于O. 002mm顆粒含量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤孔隙度檢測方法，涉及農(nóng)業(yè)及計算機圖像技術(shù)領(lǐng)域，包括S1采集土壤樣品的顯微圖像，并對所述顯微圖像進行預處理，以將所述顯微圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像并去除噪聲；S2生成去噪后灰度圖像的灰度共生矩陣；S3計算灰度共生矩陣的特征值對比度CON、相關(guān)性COR、逆差矩IDM和熵ENT；S4根據(jù)事先設(shè)定的擬合指標對所述對比度CON、相關(guān)性COR、逆差矩IDM和熵ENT進行擬合得到孔隙度的擬合方程；S5將待測土壤的灰度共生矩陣的對比度CON、相關(guān)性COR、逆差矩IDM和熵ENT代入所述擬合方程得到所述待測土壤的孔隙度。本發(fā)明能夠更加快速而準確的計算出土壤的孔隙度。
文檔編號G01N15/08GK102901697SQ20121036465
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者溫維亮, 郭新宇, 王虓, 王傳宇, 杜建軍 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心