一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，尤其涉及室內(nèi)鹽堿化土壤含 鹽量反演模型的建立及通過在線測量鹽堿土紋理特征實現(xiàn)土壤含鹽量的在線測量方法。
【背景技術】
[0002] 土壤鹽堿化是成為世界性的土地退化過程，它嚴重破壞土壤性狀并且在很大程度 上降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時對生態(tài)環(huán)境也有較大的危害。因此，快速準確的測量土壤含鹽 量水平對于確定土壤鹽堿化程度、指導鹽堿化土壤的改良具有重要的現(xiàn)實意義。目前，傳 統(tǒng)的含鹽量測量方法主要針對野外采樣、室內(nèi)測量土壤內(nèi)各鹽離子的總含量來確定的，這 種土壤含鹽量的測量方法費時費力且不能實時反應含鹽量的野外真實狀況，遙感手段雖然 具有大面積實時的特點，但是遙感數(shù)據(jù)本身的空間分辨率和光譜分辨率有限，使其局限于 大面積的含鹽量程度的確定和制圖應用，而小尺度的單點含鹽量測量精度卻很差。松嫩平 原的蘇打型鹽堿土是一種典型的鹽堿化土壤，其土壤粘粒含量較高具有很強的膨脹收縮特 性。因此在降水過后，土壤表面隨水分的蒸發(fā)而出現(xiàn)的干縮開裂現(xiàn)象非常普遍。截至目前， 已有很多研宄關注于土壤裂紋特征的識別和測量以及土壤理化參數(shù)、環(huán)境條件等對開裂程 度的影響等方面。鹽分含量作為鹽堿化土壤主要的化學特性，對土壤的開裂過程和裂紋特 征也有很大程度的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有鹽堿化土壤含鹽量的測量方法采樣費時費力，含鹽 量的在線測量精度較低的問題，而提供一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法。
[0004] 本發(fā)明鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法按下列步驟實現(xiàn)：
[0005] -、建立土壤含鹽量反演模型
[0006] 1、土壤開裂實驗
[0007] 選擇不同鹽分含量的多組土壤樣本，對所有的土壤樣本進行風干、研磨處理并過 2mm孔徑的篩子，然后將每組過篩后的土壤樣本分為土壤樣本A和土壤樣本B，將其中的土 壤樣本A進行干縮開裂實驗，所述的干縮開裂實驗是先將所有的土壤樣本A分別配置成含 水量相同的飽和泥漿，把每組配置好的飽和泥漿分別倒入50厘米X 50厘米X 3厘米大小 的木質(zhì)樣本盒中，抹平泥漿后放置在實驗室中進行自然干燥以產(chǎn)生干縮裂紋，直至樣本盒 中樣品的質(zhì)量不再減少時，得到干燥開裂的土壤樣本A ;
[0008] 將數(shù)碼相機安裝在固定的實驗平臺上，數(shù)碼相機距離地面高度為lm，以數(shù)碼相機 鏡頭在地面上的投影為中心確定50厘米X 50厘米的正方形區(qū)域以保證所有干燥開裂的土 壤樣本A拍照過程的幾何畸變影響相同，將50厘米X 50厘米的黑白網(wǎng)格定標板覆蓋在干 燥開裂的土壤樣本A表面，然后使用數(shù)碼相機對干燥開裂的土壤樣本A進行拍照，獲取開裂 土壤樣本照片；
[0009] 2、提取紋理特征
[0010] 對每張開裂土壤樣本照片進行幾何畸變校正，對幾何畸變校正后的樣本圖像進行 剪切以獲取樣本的彩色裂紋區(qū)域圖像，然后將每張彩色裂紋區(qū)域圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，再根 據(jù)灰度直方圖選取閾值進而進行二值化處理，取反操作后則將每個開裂土壤樣本的裂紋圖 像分割為未開裂的塊區(qū)（用黑色象元表示）和收縮區(qū)域（包括裂紋部分和樣本盒內(nèi)四周的 收縮部分，用白色象元表示）；
[0011] 計算每個開裂土壤樣本二值化圖像的灰度共生矩陣，將距離步長設置為40,4個 方向分別為0°、45°、90°和135°，然后將四個方向得到的歸一化灰度共生矩陣進行算 數(shù)平均從而以去除方向的影響，根據(jù)每個開裂土壤樣本灰度共生矩陣計算各統(tǒng)計紋理特征 值，各統(tǒng)計紋理特征值的計算公式如下：
[0012] 1)對比度：
[0013]
【主權項】
1. 一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于鹽堿化土壤含鹽量的在線測量 方法是按下列步驟實現(xiàn)： 一、建立土壤含鹽量反演模型 1、 土壤開裂實驗 選擇不同鹽分含量的多組土壤樣本，對所有的土壤樣本進行風干、研磨處理并過2mm 孔徑的篩子，然后將每組過篩后的土壤樣本分為土壤樣本A和土壤樣本B，將其中的土壤樣 本A進行干縮開裂實驗，所述的干縮開裂實驗是先將所有的土壤樣本A分別配置成含水量 相同的飽和泥漿，把每組配置好的飽和泥漿分別倒入50厘米X 50厘米X 3厘米大小的木 質(zhì)樣本盒中，抹平泥漿后放置在實驗室中進行自然干燥以產(chǎn)生干縮裂紋，直至樣本盒中樣 品的質(zhì)量不再減少時，得到干燥開裂的土壤樣本A ; 將數(shù)碼相機安裝在固定的實驗平臺上，數(shù)碼相機距離地面高度為lm，以數(shù)碼相機鏡頭 在地面上的投影為中心確定50厘米X 50厘米的正方形區(qū)域以保證所有干燥開裂的土壤樣 本A拍照過程的幾何畸變影響相同，將50厘米X 50厘米的黑白網(wǎng)格定標板覆蓋在干燥開 裂的土壤樣本A表面，然后使用數(shù)碼相機對干燥開裂的土壤樣本A進行拍照，獲取開裂土壤 樣本照片； 2、 提取紋理特征 對每張開裂土壤樣本照片進行幾何畸變校正，對幾何畸變校正后的樣本圖像進行剪切 以獲取樣本的彩色裂紋區(qū)域圖像，然后將每張彩色裂紋區(qū)域圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖，再根據(jù)灰 度直方圖選取閾值進而進行二值化處理，取反操作后則將每個開裂土壤樣本的裂紋圖像分 割為未開裂的塊區(qū)和收縮區(qū)域； 計算每個開裂土壤樣本二值化圖像的灰度共生矩陣，將距離步長設置為40,4個方向 分別為0°、45°、90°和135°，然后將四個方向得到的歸一化灰度共生矩陣進行算數(shù)平 均從而以去除方向的影響，根據(jù)每個開裂土壤樣本灰度共生矩陣計算各統(tǒng)計紋理特征值， 各統(tǒng)計紋理特征值的計算公式如下： 1)對比度：
12)相關信息特征2 : Inforofcorrelation2 = {1-exp [-2* (HXY2-HXY) ]}1/2, (12) 其中： P (i，j)是歸一化灰度共生矩陣（i，j)位置元素值，即圖像灰度級i，j同時出現(xiàn)的概率 值，Ng是共生矩陣灰度級數(shù)，i、j均為正整數(shù)，
μχ，μ# P x(i)，py(j)均值，σ χ，σ 3 p x(i)，py(j)方差，η 為灰度級； 3、 測量土壤鹽分 將每個土壤樣本B配置成土壤浸提液，分別測量土壤樣本B中的Ca2+、Mg2+、Cl' CCT和 HC03_含量，計算每個土壤樣本B中Ca 2+、Mg2+、Cl_、C02lP HCO 3_含量的總和，即為土壤樣本B 的含鹽量； 4、 建立反演模型 利用土壤樣本B的含鹽量及計算得到的各統(tǒng)計紋理特征值建立線性模型，其中線性模 型中的橫坐標為紋理特征量，縱坐標為含鹽量，選擇與土壤樣本B含鹽量擬合關系最好的 紋理特征量，建立土壤含鹽量野外在線測量的標準線性反演模型； 二、 在線測量野外土壤含鹽量 針對待測野外鹽堿化土壤的在線測量，將數(shù)碼相機放置在移動平臺上，調(diào)整平臺高度 使數(shù)碼相機與地面垂直高度為lm，設置數(shù)碼相機參數(shù)與土壤開裂實驗時參數(shù)相同，然后對 野外的開裂鹽堿化土壤進行拍照，對野外的開裂鹽堿化土壤相片進行幾何畸變校正，根據(jù) 土壤樣本A拍照對應的50cm*50cm區(qū)域大小及位置剪切野外照片，從而獲取標準裂紋照片， 再然后對標準裂紋照片進行灰度圖轉(zhuǎn)化和二值化處理，計算歸一化灰度共生矩陣和相應擬 合關系最好的紋理特征值，將擬合關系最好的紋理特征值的計算結果帶入標準線性反演模 型中，從而實現(xiàn)鹽堿化土壤含鹽量的初步在線測量； 三、 修正土壤含鹽量測量結果 在所有的在線測量野外土壤樣本中，選擇在線計算的紋理特征最小值對應的土壤樣本 min和在線計算的紋理特征最大值對應的土壤樣本max，分別精確測量土壤樣本min和土壤 樣本max的含鹽量，設土壤樣本min含鹽量在線測量結果為Cl，土壤樣本max含鹽量在線測 量結果為C2, 土壤樣本min含鹽量的精確測量結果為D1，土壤樣本max含鹽量的精確測量 結果為D2,利用（Cl，Dl)，（C2，D2)建立線性定標模型，然后根據(jù)線性定標模型對所有在線 測量結果進行修正，從而完成土壤含鹽量的在線測量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 提取紋理特征部分中采用多項式法對每張開裂土壤樣本照片進行幾何畸變校正。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 測量土壤鹽分部分中土壤浸提液中土壤質(zhì)量與水分的質(zhì)量比為1:5。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 測量土壤鹽分部分中采用火焰光度計法測量土壤樣本B中Na +和K +含量。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 測量土壤鹽分部分中采用EDTA絡合滴定法測量土壤樣本B中Ca 2+和Mg 2+含量。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 測量土壤鹽分部分中采用AgNO3溶液滴定法測量土壤樣本B中C廠含量。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，其特征在于步驟一 測量土壤鹽分部分中采用雙指示劑中和法測量土壤樣本B中CCT和HCO ^含量。
【專利摘要】一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，本發(fā)明涉及一種鹽堿化土壤含鹽量的在線測量方法，它為了解決現(xiàn)有鹽堿化土壤含鹽量的測量方法采樣費時費力，含鹽量的在線測量精度較低的問題。在線測量方法：一、通過土壤開裂實驗獲取開裂土壤樣本照片，然后提取紋理特征，再測量土壤中鹽分含量，建立土壤含鹽量反演模型；二、在線測量野外土壤含鹽量，計算野外土壤歸一化灰度共生矩陣和相應擬合關系最好的紋理特征值，得到土壤含鹽量的初步在線測量結果；三、通過土壤樣本含鹽量的最大值和最小值，修正土壤含鹽量測量結果。本發(fā)明基于鹽堿土含鹽量對土壤干縮開裂程度的影響，建立開裂樣本的紋理特征量與樣本含鹽量的定量模型，提高測量精度。
【IPC分類】G06F19-00, G01N33-24
【公開號】CN104634943
【申請?zhí)枴緾N201510033130
【發(fā)明人】任建華, 趙凱, 李曉潔
【申請人】中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月22日