一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法，裝置計算機、信號傳輸導線、攝像機構(gòu)、照明機構(gòu)、螺旋鉆頭、第一套筒、第二套筒、滾珠、電源、遙控開關(guān)、馬達、第三套筒；第二套筒固定套設(shè)在第一套筒上，第二套筒的內(nèi)壁表面凹槽內(nèi)嵌有若干攝像機構(gòu)、照明機構(gòu)，均通過信號傳輸導線與計算機連接通信；第三套筒通過滾珠可水平旋轉(zhuǎn)地套設(shè)在第二套筒上；電源、遙控開關(guān)、馬達串聯(lián)連接，電源、遙控開關(guān)、馬達均設(shè)置第三套筒內(nèi)壁上，用于驅(qū)動第三套筒旋轉(zhuǎn)；第三套筒的下部固定安裝有螺旋鉆頭，鉆頭工作時，帶動第三套筒一起旋轉(zhuǎn)鉆入土體。本發(fā)明能直接進行現(xiàn)場土樣微觀視頻評估，提高測試精度。
【專利說明】
一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于土體性能監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土體生物活性演變的微距微觀 視頻圖像實時在線評估裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土體中除含固體顆粒、液體與氣體以外，還存在細菌、真菌等微生物。微生物的分 泌物主要為多糖，一方面它具有較大的比表面積，可直接吸附在土顆粒表面，形成不溶于水 的有機膠膜，并通過膠膜將土顆粒膠結(jié)在一起;另一方面它含有大量的功能團，這些功能團 有很強的離子交換性，與土體中的離子發(fā)生物理化學反應，形成一種膠凝物質(zhì)，將分散的土 顆粒膠結(jié)在一起。由此可以看出微生物的分泌物對土體的物理力學性能起著重要的作用。 當土體被污染后，微生物將會大量死亡，其分泌物的量同時大量減少，這將導致土體中微生 物的活性大幅下降，并且改變土體的物理力學性能。
[0003] 微生物改善土體性能的機理主要是通過微生物的分泌物來改變土體的微觀結(jié)構(gòu)。 目前主要利用電子顯微鏡掃描觀察微生物對土體顆粒結(jié)構(gòu)特征的改變，并利用X射線衍射 分析微生物分泌在土體中的物質(zhì)。但是這些方法需將待檢測的土樣從現(xiàn)場運回實驗室進行 測試，土樣在運輸?shù)倪^程中，土的性質(zhì)會發(fā)生變化，這將導致最后的測試結(jié)果不準確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種土體生物活性演變的微距微觀視頻圖 像實時在線評估裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是:一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別 裝置，其特征在于:包括計算機、信號傳輸導線、攝像機構(gòu)、照明機構(gòu)、螺旋鉆頭、第一套筒、 第二套筒、滾珠、電源、遙控開關(guān)、馬達、第三套筒;所述第一套筒為中空透明硬管，所述第二 套筒、第三套筒均采用PVC硬管;所述第二套筒固定套設(shè)在所述第一套筒上，第二套筒的內(nèi) 壁表面凹槽內(nèi)嵌有若干攝像機構(gòu)、照明機構(gòu);所述攝像機構(gòu)、照明機構(gòu)均通過所述信號傳輸 導線與所述計算機連接通信；
[0006] 所述第三套筒通過滾珠可水平旋轉(zhuǎn)地套設(shè)在第二套筒上;所述電源、遙控開關(guān)、馬 達串聯(lián)連接，所述電源、遙控開關(guān)、馬達均設(shè)置所述第三套筒內(nèi)壁上，用于驅(qū)動所述第三套 筒旋轉(zhuǎn);所述第三套筒的下部固定安裝有螺旋鉆頭，鉆頭工作時，帶動第三套筒一起旋轉(zhuǎn)鉆 入土體。
[0007] 作為優(yōu)選，所述第一套筒和第三套筒之間設(shè)置有擋板，所述螺旋鉆頭鉆出的土，隨 著螺紋一直到達螺旋鉆頭的上部，在所述擋板的作用下，土體進入所述的第一套筒中空部 分，最終將從第一套筒上部排出。
[0008] 作為優(yōu)選，所述照明機構(gòu)為LED白光燈。
[0009] 作為優(yōu)選，所述攝像機構(gòu)為電子顯微鏡。
[0010] 本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是:一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別 方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011]步驟1:對土體中發(fā)生的不同凝聚狀態(tài)微距微觀圖像進行采集，同時實時記錄土體 溫度;然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉(zhuǎn)成微距微觀視頻灰度圖像，建立微距微觀視頻 灰度圖像數(shù)據(jù)庫；
[0012] 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到流體中晶體核的輪廓；
[0013] 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的 對應關(guān)系；
[0014] 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關(guān)系，根據(jù)事先設(shè)置的凝聚 態(tài)濃度閾值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度閾值；
[0015] 步驟5:在對流體中的凝聚狀態(tài)進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度閾值相差 大于預設(shè)值時，采集此時的凝聚狀態(tài)圖像；
[0016] 步驟6:輸入待監(jiān)測土體中的凝聚狀態(tài)的原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處理得到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于閾值，立即 采取有效措施，從而及時建立實時預警機制。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟1中是利用電子顯微鏡，在自設(shè)光源條件下，對土體中凝聚過程進 行拍攝成像。
[0018] 作為優(yōu)選，步驟3中所述晶體核形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比 to
[0019] 作為優(yōu)選，步驟3中所述晶體核形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的定量關(guān)系為：
[0022] 其中也，1?，1?和1^4均為常數(shù)。
[0023] 作為優(yōu)選，步驟4中所述凝聚態(tài)濃度c與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關(guān)系為：
[0024] c = k5Jrr2/1 ；
[0025] 其中：k5均為常數(shù)。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0027] 1，土體周邊生態(tài)環(huán)境改變，尤其土體中微生物大量死亡是生態(tài)發(fā)生巨變的特征； 相應的土體中微生物分泌物大量減少，將導致土顆粒狀態(tài)變化，特別是土顆粒凝聚態(tài)演變 的停滯，土體生物活性降低，土體的物理、化學性能都隨之改變。通過設(shè)置土體中微生物分 泌物與土顆粒的凝聚狀態(tài)結(jié)構(gòu)閾值來確保土體生物活性的相對穩(wěn)定，以及土體穩(wěn)定的物理 和化學性能，并以此建立土體喪失生物活性和穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境的預警機制；
[0028] 2,該裝置深入到土體內(nèi)部，對土體中微生物分泌物與土顆粒的凝聚狀態(tài)進行實時 長期監(jiān)測，進行土體生物活性演變評估。這種方法不需要經(jīng)過現(xiàn)場土體擾動采樣到實驗室 測試的過程，而是直接進行現(xiàn)場土樣微觀視頻評估，提高測試精度；
[0029] 3,可實現(xiàn)大范圍的實時快速土樣的微觀攝像-實時在線微距微觀視頻圖像分析。 可以對某一地區(qū)的土體進行長期連續(xù)實時在線監(jiān)測，得到該地區(qū)土體中微生物分泌物與土 顆粒的凝聚狀態(tài)的演變規(guī)律，從而對該區(qū)域土體生物活性和生態(tài)演變狀況進行實時評估。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明實施例的裝置剖視圖；
[0032]圖3為圖1中虛線框內(nèi)的詳圖；
[0033]圖4為本發(fā)明實施例的裝置A-A橫截面圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實施例的裝置B-B橫截面圖；
[0035] 圖中，1為計算機、2為信號傳輸導線、3為攝像機構(gòu)、4為照明機構(gòu)、5為螺旋鉆頭、6 為第一套筒、7為第二套筒、8為滾珠、9為電源、10為遙控開關(guān)、11為馬達、12為擋板、13為第 三套筒、14為第二套筒與第三套筒之間的間隙。
【具體實施方式】
[0036] 為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā) 明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0037]請見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5,本發(fā)明提供的一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖 像識別裝置，包括計算機1、信號傳輸導線2、電子顯微鏡3、LED白光燈4、螺旋鉆頭5、第一套 筒6、第二套筒7、滾珠8、電源9、遙控開關(guān)10、馬達11、擋板12、第三套筒13;第一套筒6為中空 透明硬管，第二套筒7、第三套筒13均采用PVC硬管;第二套筒7固定套設(shè)在第一套筒6上，第 二套筒7的內(nèi)壁表面凹槽內(nèi)嵌有若干電子顯微鏡3、LED白光燈4;電子顯微鏡3、LED白光燈4 均通過信號傳輸導線2與計算機1連接通信;第二套筒7、第三套筒13之間有間隙14,第三套 筒13通過滾珠可水平旋轉(zhuǎn)地套設(shè)在第二套筒7上；電源9、遙控開關(guān)10、馬達11串聯(lián)連接，電 源9、遙控開關(guān)10、馬達11均設(shè)置第三套筒13內(nèi)壁上，用于驅(qū)動第三套筒13旋轉(zhuǎn);第三套筒13 的下部固定安裝有螺旋鉆頭5,鉆頭工作時，帶動第三套筒13-起旋轉(zhuǎn)鉆入土體;第一套筒6 和第三套筒13之間設(shè)置有擋板12,螺旋鉆頭5鉆出的土，隨著螺紋一直到達螺旋鉆頭5的上 部，在擋板12的作用下，土體進入的第一套筒6中空部分，最終將從第一套筒6上部排出。 [0038]本實施例的計算機1用于控制圖像的采集、傳輸和LED燈光的強弱;計算機1上安裝 有信號發(fā)射器，可以控制遙控開關(guān)10開或關(guān)。計算機上1裝有微距微觀視頻圖像識別分析系 統(tǒng)，能現(xiàn)場實時在線迅速獲取原始微距微觀視頻圖像數(shù)據(jù)并及時處理，得到評估結(jié)論。 [0039]本發(fā)明提供的一種土體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，包括以下步驟：
[0040] 步驟1:在自設(shè)光源條件下，利用微距微觀視頻圖像采集設(shè)備對土體中的整個凝聚 過程進行監(jiān)測，即對土體中發(fā)生的不同凝聚狀態(tài)進行拍攝成像，同時記錄溫度。然后，將原 始真彩微距微觀視頻圖像轉(zhuǎn)成微距微觀視頻灰度圖像，建立微距微觀視頻灰度圖像數(shù)據(jù) 庫；
[0041] 步驟2 :二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得 到土體中晶體核的輪廓；
[0042] 本實施例在二值化過程中將流體中的凝聚態(tài)的晶體核和其他物質(zhì)各視為一種物 質(zhì)，再進行其后的操作;橋接和去雜處理是通過開操作和閉操作去除凝聚態(tài)圖像中孤立的 噪聲點，同時保留圖像中本來的細節(jié)結(jié)構(gòu);細化處理是將圖像中晶體核的輪廓變成單像素 厚度組成的細線，骨化處理是保留圖像中心線的細化。
[0043] 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的 對應關(guān)系；
[0044] 所述晶體核的形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t;所述晶體核的 形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的對應關(guān)系為：
[0047] 其中也，1?，1?和1^4均為常數(shù)；
[0048] 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關(guān)系，根據(jù)事先設(shè)置的凝聚 態(tài)濃度閾值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度閾值；
[0049] 所述凝聚態(tài)濃度c與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關(guān)系為：
[0050] c = k5Jrr2/1
[0051] 其中:1?為常數(shù)；
[0052]假設(shè)凝聚態(tài)濃度閾值為cq時，晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值ro和to,溫度閾值為To。
[0053] 將步驟3中的兩個公式代入步驟4中的公式可得：
[0055]解得溫度閾值為
[0057]故晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值ro和to為
[0060]步驟5:在對土體中的凝聚狀態(tài)進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度閾值相差 大于預設(shè)值時，利用微距微觀視頻圖像采集設(shè)備對其進行拍攝成像；
[0061] 步驟6:輸入待監(jiān)測土體中的凝聚狀態(tài)的原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處理得到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于閾值，立即 采取有效措施，從而建立實時預警機制。
[0062] 盡管本說明書較多地使用了計算機1、信號傳輸導線2、防水鏡頭3、LED白光燈4、螺 旋鉆頭5、第一套筒6、第二套筒7、滾珠8、電源9、遙控開關(guān)10、馬達11、擋板12、第三套筒13、 第二套筒與第三套筒之間的間隙14等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些 術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本 發(fā)明精神相違背的。
[0063] 應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0064] 應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本 發(fā)明專利保護范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán) 利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā) 明的請求保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。
【主權(quán)項】
1. 一種±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:包括計算機（1)、信 號傳輸導線（2)、攝像機構(gòu)(3)、照明機構(gòu)(4)、螺旋鉆頭(5)、第一套筒(6)、第二套筒(7)、滾 珠(8)、電源(9)、遙控開關(guān)(10)、馬達(11)、第Ξ套筒(13); 所述第一套筒(6)為中空透明硬管，所述第二套筒(7)、第Ξ套筒（13)均采用PVC硬管； 所述第二套筒(7)固定套設(shè)在所述第一套筒(6)上，第二套筒(7)的內(nèi)壁表面凹槽內(nèi)嵌有若 干攝像機構(gòu)（3 )、照明機構(gòu)(4);所述攝像機構(gòu)（3 )、照明機構(gòu)（4)均通過所述信號傳輸導線 (2)與所述計算機(1)連接通信； 所述第Ξ套筒（13)通過滾珠(8)可水平旋轉(zhuǎn)地套設(shè)在第二套筒(7)上;所述電源(9)、遙 控開關(guān)(10)、馬達(11)串聯(lián)連接，所述電源(9)、遙控開關(guān)(10)、馬達(11)均設(shè)置所述第Ξ套 筒（13)內(nèi)壁上，用于驅(qū)動所述第Ξ套筒（13)旋轉(zhuǎn);所述第Ξ套筒（13)的下部固定安裝有螺 旋鉆頭(5 )，鉆頭工作時，帶動第Ξ套筒(13) -起旋轉(zhuǎn)鉆入±體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:所 述第一套筒(6)和第Ξ套筒（13)之間設(shè)置有擋板（12)，所述螺旋鉆頭(5)鉆出的±，隨著螺 紋一直到達螺旋鉆頭(5)的上部，在所述擋板（12)的作用下，±體進入所述的第一套筒(6) 中空部分，最終將從第一套筒(6)上部排出。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:所 述照明機構(gòu)(4)為L邸白光燈。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別裝置，其特征在于:所 述攝像機構(gòu)(3)為電子顯微鏡。5. -種±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟1:對±體中發(fā)生的不同凝聚狀態(tài)微距微觀圖像進行采集，同時實時記錄±體溫 度;然后，將原始真彩微距微觀視頻圖像轉(zhuǎn)成微距微觀視頻灰度圖像，建立微距微觀視頻灰 度圖像數(shù)據(jù)庫； 步驟2:二值化微距微觀視頻灰度圖像，然后進行橋接、去雜、細化和骨化處理，得到流 體中晶體核的輪廓； 步驟3:根據(jù)晶體核的輪廓確定它的形態(tài)學參數(shù)，并且建立該形態(tài)學參數(shù)與溫度的對應 關(guān)系； 步驟4:建立晶體核的形態(tài)學參數(shù)與凝聚態(tài)濃度的定量關(guān)系，根據(jù)事先設(shè)置的凝聚態(tài)濃 度闊值反推出晶體核的形態(tài)學參數(shù)臨界值和溫度闊值； 步驟5:在對流體中的凝聚狀態(tài)進行監(jiān)測的過程中，當監(jiān)測的溫度與溫度闊值相差大于 預設(shè)值時，采集此時的凝聚狀態(tài)圖像； 步驟6:輸入待監(jiān)測±體中的凝聚狀態(tài)的原始真彩微距微觀視頻圖像，經(jīng)過步驟1-3處 理得到晶體核的形態(tài)學參數(shù)，然后，將其與形態(tài)學參數(shù)臨界值比較，如果大于闊值，立即采 取有效措施，從而及時建立實時預警機制。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的±體生物活性演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在于:步 驟1中是利用電子顯微鏡，在自設(shè)光源條件下，對±體中凝聚過程進行拍攝成像。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的流體中凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在 于:步驟3中所述晶體核形態(tài)學參數(shù)包括長度a、寬度b、等效半徑r和長寬比t。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體中凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在 于:步驟3中所述晶體核形態(tài)學參數(shù)與溫度T(°C)的定量關(guān)系為：其中：kl，k2，k3和k期為常數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流體中凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)演變實時監(jiān)測的圖像識別方法，其特征在 于:步驟4中所述凝聚態(tài)濃度C與晶體核的形態(tài)學參數(shù)的定量關(guān)系為： c = k53irVt; 其中:ks均為常數(shù)。
【文檔編號】G01N21/84GK106093047SQ201610588975
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610588975.X, CN 106093047 A, CN 106093047A, CN 201610588975, CN-A-106093047, CN106093047 A, CN106093047A, CN201610588975, CN201610588975.X
【發(fā)明人】王若林, 朱道佩, 李 杰, 桑農(nóng)
【申請人】武漢大學