利用鹽堿土裂紋長度實現電導率在線測量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種蘇打型鹽堿土電導率的在線測量方法，主要涉及根據實測的不同 蘇打鹽堿土樣本電導率與其裂紋長度的定量關系建立電導率的反演模型，實現自然條件下 蘇打鹽堿土電導率的無損在線測量。
【背景技術】
[0002] 在干旱和半干旱地區，土壤鹽堿化及土壤次生鹽堿化是一種非常嚴重的土地退化 過程，它嚴重破壞土壤性狀并且在很大程度上降低了農作物的產量，同時對生態環境也有 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的破壞逐年增加。因此，快速準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] 土壤電導率是指土壤溶液傳導電流的能力，是以數字形式來表示土壤溶液的導電 能力，它同時也是間接推測土壤溶液中各種離子成分總濃度的指標，土壤溶液中各種溶解 鹽類是以離子狀態存在的，他們都具有導電能力。土壤溶液中溶解的鹽類越多，鹽離子也越 多，其導電能力也就越大，因此可以通過測量土壤溶液的電導率，然后根據電導率與含鹽量 的回歸方程來間接測量土壤溶液中溶解的鹽分含量。目前國內外應用于土壤含鹽量快速測 量的方法很多都是通過對電導率的測量間接實現的，主要分為接觸式和非接觸式兩種。
[0004] 傳統的土壤電導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率，應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，操作過程費時費力，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是電導率非接觸在線測量最具代表性的儀 器，它是基于電磁感應的原理，通過測量原生磁場和誘導出的次生磁場的相對關系來快速 獲取土壤電導率，建立土壤電導率與土壤鹽漬化程度之間的定量關系實現對土壤鹽分含量 的在線快速測量，被廣泛的用于土壤質地的測量、土壤鹽堿化程度及分布的調查等領域。然 而，在實際應用中，EM-38造價也比較昂貴，而且儀器敏感度較高，其測量結果往往容易受 到土壤水分、質地、空氣溫度、土壤溫度等土壤物理特性及外界測量環境的影響。此外，EM38 反映的是土壤剖面內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。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決現有測土壤電導率測量方法操作過程費時費力且誤差 較大的技術問題，提供了一種利用鹽堿土裂紋長度實現電導率在線測量的方法。
[0006] 利用鹽堿土裂紋長度實現電導率在線測量的方法如下：
[0007] -、建立土壤電導率反演模型：
[0008] 在整個含鹽量區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行風 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 用于進行干縮開裂實驗，另一部分土壤樣本用于土壤電導率的實驗室測量；
[0009] 1、土壤開裂實驗：
[0010] 將用于進行干縮開裂實驗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，自然干燥至質量不再減少時，土壤樣品的干燥過程 結束，得開裂后的土壤樣品；
[0011] 將數碼相機安裝在一個固定的實驗平臺上，數碼相機鏡頭垂直向下，距離地面高 度為lm，以數碼相機鏡頭中心在地面上的投影為中心確定一個50厘米X50厘米的正方形 區域，將每個開裂后的土壤樣品放置在確定好的正方形區域中，用白色比色板進行相機的 白平衡定標，在開裂后的土壤樣品上覆蓋一塊50厘米X50厘米大小的黑白網格定標板并 對其拍照，并且將相機的感光度ISO設置為100~200,光圈大小設置為f4~f5. 6,快門速 度設置為l/125s~l/60s ;
[0012] 2、提取裂紋長度：
[0013] 采用多項式法對每個開裂土壤樣品照片進行幾何畸變校正，然后對照片進行剪切 獲取樣本的裂紋區域圖像；然后將每個開裂土壤樣品的彩色裂紋圖像轉化為灰度圖，再根 據其灰度直方圖選取0. 3作為閾值，進而對其進行二值化處理并進行取反操作，這樣就將 每個樣本的裂紋區域圖像分割為未開裂的塊區、收縮區域，其中黑色像元表示未開裂的塊 區，用白色像元表示收縮區域，收縮區域為裂紋部分和樣本盒內四周的收縮部分，對二值化 圖像進行腐蝕處理，去除噪聲點的影響；對腐蝕處理過的二值化圖像進行加運算實現對圖 像中間斷的裂紋進行連接；
[0014] 然后對加運算處理過的二值化圖像進行反復的骨架化操作直至裂紋部分收縮為 一個像元寬度的骨架，設置閾值30對骨架化處理產生的毛邊進行剔除，將小于30個像元大 小的裂紋骨架的小分支剪切掉，從而獲取一個像元寬度的裂紋骨架；利用樣品盒50厘米的 內徑長度對應的圖像像元個數為標準，通過提取裂紋骨架的像元個數確定每個樣本裂紋的 長度；
[0015] 3、測量土壤電導率：
[0016] 將另一部分用于土壤電導率的實驗室測量的土壤樣本與水按照1:5的質量比混 合，得土壤懸濁液，然后測量土壤懸濁液電導率，從而得到樣本的電導率值；
[0017] 4、建立反演模型：
[0018] 將樣本裂紋的長度與樣本的電導率值進行線性擬合，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果，Y表示在線測量過程中 利用裂紋長度提取結果帶入模型中得到的野外樣本電導率預測值，k為斜率，表示涵蓋電導 率范圍的實驗樣本電導率測量結果與實驗樣本裂紋長度提取結果的比例關系，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率：
[0021] 針對野外鹽堿化土壤電導率的在線測量，將相機放置在移動平臺上，調整平臺高 度使相機中心與地面垂直高度為lm，將相機的感光度ISO設置為100~200,光圈大小設置 為f4~f5. 6,快門速度設置為l/125s~l/60s，然后用一個50cmX50cm的木框放在測量 區域內，調整相機時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行拍照，然 后對相片進行幾何畸變的校正，根據室內樣本拍照對應的50cmX50cm區域大小及位置剪 切野外照片，從而獲取裂紋照片，然后對裂紋照片進行灰度圖轉化和二值化處理，對處理結 果進行去噪處理及采用加運算實現間斷裂紋的橋接處理，最后對橋接后的樣本二值化圖像 進行骨架化和毛邊去除，獲取一個像元寬度的裂紋骨架圖像，設置閾值30對骨架化處理產 生的毛邊進行剔除，將小于30個像元大小的裂紋骨架的小分支剪切掉，從而獲取一個像元 寬度的裂紋骨架；利用樣品盒50厘米的內徑長度對應的圖像像元個數為標準，通過提取裂 紋骨架的像元個數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算結果帶 入反演模型，從而實現該樣本電導率的在線測量；
[0022] 三、修正土壤電導率測量結果：
[0023] 在所有的在線測量樣本中，選擇在線計算的裂紋長度最小值對應的土壤樣本Sl 和在線計算裂紋長度最大值對應的土壤樣本S2,對這兩個土壤樣本的電導率值進行精確測 量，在線計算的裂紋長度最小值對應的土壤樣本Sl的電導率在線測量結果為Al ;在線計算 的裂紋長度最大值對應的土壤樣本S2的電導率在線測量結果為A2 ;在線計算的裂紋長度