利用鹽堿土裂紋長度實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率在線測量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種蘇打型鹽堿土電導(dǎo)率的在線測量方法，主要涉及根據(jù)實(shí)測的不同 蘇打鹽堿土樣本電導(dǎo)率與其裂紋長度的定量關(guān)系建立電導(dǎo)率的反演模型，實(shí)現(xiàn)自然條件下 蘇打鹽堿土電導(dǎo)率的無損在線測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 在干旱和半干旱地區(qū)，土壤鹽堿化及土壤次生鹽堿化是一種非常嚴(yán)重的土地退化 過程，它嚴(yán)重破壞土壤性狀并且在很大程度上降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時(shí)對生態(tài)環(huán)境也有 較大的危害。已有研宄表明地球表面將近7%的面積已經(jīng)受到土壤鹽堿化和次生鹽堿化的 影響，而且其面積還隨著人類活動(dòng)的破壞逐年增加。因此，快速準(zhǔn)確的確定鹽堿化土壤面 積，測量土壤含鹽量水平就顯得尤為迫切和重要。
[0003] 土壤電導(dǎo)率是指土壤溶液傳導(dǎo)電流的能力，是以數(shù)字形式來表示土壤溶液的導(dǎo)電 能力，它同時(shí)也是間接推測土壤溶液中各種離子成分總濃度的指標(biāo)，土壤溶液中各種溶解 鹽類是以離子狀態(tài)存在的，他們都具有導(dǎo)電能力。土壤溶液中溶解的鹽類越多，鹽離子也越 多，其導(dǎo)電能力也就越大，因此可以通過測量土壤溶液的電導(dǎo)率，然后根據(jù)電導(dǎo)率與含鹽量 的回歸方程來間接測量土壤溶液中溶解的鹽分含量。目前國內(nèi)外應(yīng)用于土壤含鹽量快速測 量的方法很多都是通過對電導(dǎo)率的測量間接實(shí)現(xiàn)的，主要分為接觸式和非接觸式兩種。
[0004] 傳統(tǒng)的土壤電導(dǎo)率測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量，接觸式測量主要利 用電極式傳感器測量土壤電導(dǎo)率，應(yīng)用最廣泛的是二極法和四極法，但這些方法需要挖坑 或打孔將電極或鹽分傳感器埋入不同深度的土層中，操作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，要求儀器探頭與 土壤接觸良好，因此很容易引起操作誤差。EM-38是電導(dǎo)率非接觸在線測量最具代表性的儀 器，它是基于電磁感應(yīng)的原理，通過測量原生磁場和誘導(dǎo)出的次生磁場的相對關(guān)系來快速 獲取土壤電導(dǎo)率，建立土壤電導(dǎo)率與土壤鹽漬化程度之間的定量關(guān)系實(shí)現(xiàn)對土壤鹽分含量 的在線快速測量，被廣泛的用于土壤質(zhì)地的測量、土壤鹽堿化程度及分布的調(diào)查等領(lǐng)域。然 而，在實(shí)際應(yīng)用中，EM-38造價(jià)也比較昂貴，而且儀器敏感度較高，其測量結(jié)果往往容易受 到土壤水分、質(zhì)地、空氣溫度、土壤溫度等土壤物理特性及外界測量環(huán)境的影響。此外，EM38 反映的是土壤剖面內(nèi)一定深度的土壤剖面總體含鹽量狀況，而對于常用的0-20cm的土壤 表層含鹽量狀況敏感性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測土壤電導(dǎo)率測量方法操作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且誤差 較大的技術(shù)問題，提供了一種利用鹽堿土裂紋長度實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率在線測量的方法。
[0006] 利用鹽堿土裂紋長度實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率在線測量的方法如下：
[0007] -、建立土壤電導(dǎo)率反演模型：
[0008] 在整個(gè)含鹽量區(qū)間均勻選擇不同鹽分含量的土壤樣本，對所有的土壤樣本進(jìn)行風(fēng) 干、研磨并過2mm孔徑的篩子，然后將過篩后的土壤樣本平均分為兩部分，一部分土壤樣本 用于進(jìn)行干縮開裂實(shí)驗(yàn)，另一部分土壤樣本用于土壤電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)室測量；
[0009] 1、土壤開裂實(shí)驗(yàn)：
[0010] 將用于進(jìn)行干縮開裂實(shí)驗(yàn)的土壤樣本配制成相同含水量的泥漿并分別倒入長50 厘米、寬50厘米、高3厘米的樣本盒中，自然干燥至質(zhì)量不再減少時(shí)，土壤樣品的干燥過程 結(jié)束，得開裂后的土壤樣品；
[0011] 將數(shù)碼相機(jī)安裝在一個(gè)固定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，數(shù)碼相機(jī)鏡頭垂直向下，距離地面高 度為lm，以數(shù)碼相機(jī)鏡頭中心在地面上的投影為中心確定一個(gè)50厘米X50厘米的正方形 區(qū)域，將每個(gè)開裂后的土壤樣品放置在確定好的正方形區(qū)域中，用白色比色板進(jìn)行相機(jī)的 白平衡定標(biāo)，在開裂后的土壤樣品上覆蓋一塊50厘米X50厘米大小的黑白網(wǎng)格定標(biāo)板并 對其拍照，并且將相機(jī)的感光度ISO設(shè)置為100~200,光圈大小設(shè)置為f4~f5. 6,快門速 度設(shè)置為l/125s~l/60s ;
[0012] 2、提取裂紋長度：
[0013] 采用多項(xiàng)式法對每個(gè)開裂土壤樣品照片進(jìn)行幾何畸變校正，然后對照片進(jìn)行剪切 獲取樣本的裂紋區(qū)域圖像；然后將每個(gè)開裂土壤樣品的彩色裂紋圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，再根 據(jù)其灰度直方圖選取0. 3作為閾值，進(jìn)而對其進(jìn)行二值化處理并進(jìn)行取反操作，這樣就將 每個(gè)樣本的裂紋區(qū)域圖像分割為未開裂的塊區(qū)、收縮區(qū)域，其中黑色像元表示未開裂的塊 區(qū)，用白色像元表示收縮區(qū)域，收縮區(qū)域?yàn)榱鸭y部分和樣本盒內(nèi)四周的收縮部分，對二值化 圖像進(jìn)行腐蝕處理，去除噪聲點(diǎn)的影響；對腐蝕處理過的二值化圖像進(jìn)行加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對圖 像中間斷的裂紋進(jìn)行連接；
[0014] 然后對加運(yùn)算處理過的二值化圖像進(jìn)行反復(fù)的骨架化操作直至裂紋部分收縮為 一個(gè)像元寬度的骨架，設(shè)置閾值30對骨架化處理產(chǎn)生的毛邊進(jìn)行剔除，將小于30個(gè)像元大 小的裂紋骨架的小分支剪切掉，從而獲取一個(gè)像元寬度的裂紋骨架；利用樣品盒50厘米的 內(nèi)徑長度對應(yīng)的圖像像元個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過提取裂紋骨架的像元個(gè)數(shù)確定每個(gè)樣本裂紋的 長度；
[0015] 3、測量土壤電導(dǎo)率：
[0016] 將另一部分用于土壤電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)室測量的土壤樣本與水按照1:5的質(zhì)量比混 合，得土壤懸濁液，然后測量土壤懸濁液電導(dǎo)率，從而得到樣本的電導(dǎo)率值；
[0017] 4、建立反演模型：
[0018] 將樣本裂紋的長度與樣本的電導(dǎo)率值進(jìn)行線性擬合，得到反演模型：Y = kXX+b ;
[0019] 其中，X表示在線測量過程中野外樣本裂紋長度提取結(jié)果，Y表示在線測量過程中 利用裂紋長度提取結(jié)果帶入模型中得到的野外樣本電導(dǎo)率預(yù)測值，k為斜率，表示涵蓋電導(dǎo) 率范圍的實(shí)驗(yàn)樣本電導(dǎo)率測量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)樣本裂紋長度提取結(jié)果的比例關(guān)系，b為截距，表 示模型建立過程中的誤差值；
[0020] 二、在線測量野外土壤電導(dǎo)率：
[0021] 針對野外鹽堿化土壤電導(dǎo)率的在線測量，將相機(jī)放置在移動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)整平臺(tái)高 度使相機(jī)中心與地面垂直高度為lm，將相機(jī)的感光度ISO設(shè)置為100~200,光圈大小設(shè)置 為f4~f5. 6,快門速度設(shè)置為l/125s~l/60s，然后用一個(gè)50cmX50cm的木框放在測量 區(qū)域內(nèi)，調(diào)整相機(jī)時(shí)期將鏡頭中心與木框中心重合，對野外的開裂鹽堿化土壤進(jìn)行拍照，然 后對相片進(jìn)行幾何畸變的校正，根據(jù)室內(nèi)樣本拍照對應(yīng)的50cmX50cm區(qū)域大小及位置剪 切野外照片，從而獲取裂紋照片，然后對裂紋照片進(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)化和二值化處理，對處理結(jié) 果進(jìn)行去噪處理及采用加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)間斷裂紋的橋接處理，最后對橋接后的樣本二值化圖像 進(jìn)行骨架化和毛邊去除，獲取一個(gè)像元寬度的裂紋骨架圖像，設(shè)置閾值30對骨架化處理產(chǎn) 生的毛邊進(jìn)行剔除，將小于30個(gè)像元大小的裂紋骨架的小分支剪切掉，從而獲取一個(gè)像元 寬度的裂紋骨架；利用樣品盒50厘米的內(nèi)徑長度對應(yīng)的圖像像元個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過提取裂 紋骨架的像元個(gè)數(shù)確定野外開裂土壤樣本的裂紋長度值，然后將該裂紋長度值計(jì)算結(jié)果帶 入反演模型，從而實(shí)現(xiàn)該樣本電導(dǎo)率的在線測量；
[0022] 三、修正土壤電導(dǎo)率測量結(jié)果：
[0023] 在所有的在線測量樣本中，選擇在線計(jì)算的裂紋長度最小值對應(yīng)的土壤樣本Sl 和在線計(jì)算裂紋長度最大值對應(yīng)的土壤樣本S2,對這兩個(gè)土壤樣本的電導(dǎo)率值進(jìn)行精確測 量，在線計(jì)算的裂紋長度最小值對應(yīng)的土壤樣本Sl的電導(dǎo)率在線測量結(jié)果為Al ;在線計(jì)算 的裂紋長度最大值對應(yīng)的土壤樣本S2的電導(dǎo)率在線測量結(jié)果為A2 ;在線計(jì)算的裂紋長度