[发明专利]一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定量表征方法

说明书

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体说，涉及一种基于多重分形的土壤孔隙 分布非均匀性定量表征方法。

背景技术

土壤是一个非均质的、多相的、分散和多孔的复杂系统。自然界的三相， 即固相、液相和气相共存于土壤之中。其中固相构成土壤的骨架，其结构通 常是用固体颗粒的大小、形状以及其空间排列来描述的。由于构成土壤的颗 粒和孔隙大小不同，形状各异，并且它们可能是以各种方式连接起来的。因 此土壤结构性状十分复杂，但全面认识和了解土壤结构性状并定量描述土壤 结构的复杂性又极其重要，因为它决定着总孔隙度以及孔隙的形状和大小分 布及连通情况，所以也影响着土壤中水分和空气的保持与传导，包括入渗与 通气，还影响土壤的机械性质，这对于种子萌发，根系生长，土壤耕作，陆 上交通和土壤侵蚀和其他一些问题的研究也是不可缺少的。

没有土壤结构定量化问题的解决，更多的土壤学研究的其他问题，特别 是与土壤结构密切相关的土壤持水和水分运动的问题，也就难以定量解决。 目前解决土壤持水和水分运动的问题仍只能大量地采用经验公式、经验参数 来描述，并且这些公式仅在较小的范围适用。对土壤结构性状和土壤持水和 水分运动规律的描述和研究一直是土壤科学最为活跃的研究领域之一。

目前，现有的土壤结构表征方法多数是从土壤粒径分布的角度来考虑， 对于土壤结构的研究较多的集中在土壤团粒结构的研究，对于土壤孔隙结构 的研究一般采用孔隙度来表征，对于土壤孔隙结构的非均匀性研究较少，而 已有的研究成果显示，关于土壤孔隙的研究方法，目前主要采用的是单分形 的方法，但由于土壤结构多尺度非均质性，当在更大尺度上研究土壤结构时， 小尺度上的非均质性并未自动消失，而采用基于平均意义上的的单分形方 法，不能描述小尺度孔隙的分布状况，因而，无法识别孔隙非均匀程度，不 能准确定量表征土壤孔隙结构的非均匀程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定 量表征方法，以解决上述技术问题。

本发明的实施例提供了一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定 量表征方法，包括：

将土壤切片的灰度图像转换为二值图像；

利用不同尺度的盒子覆盖二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中 土壤孔隙分布的概率测度；

利用概率测度构造配分函数，根据概率测度及配分函数计算土壤孔隙分 布的多重分形谱参数；

根据土壤孔隙分布的多重分形谱参数计算多重分形谱的宽度和对称性 参数，用以定量表征土壤结构的非均匀性。

进一步，将土壤切片的灰度图像转换为二值图像，包括：

根据土壤切片灰度图像的分形特征选择图像分割阈值，将土壤切片的灰 度图像转换为二值图像。

进一步，利用不同尺度的盒子覆盖所述二值图像，按计盒维数法计算不 同尺度盒子中土壤孔隙分布的概率测度，具体包括：

用尺度为ε的盒子覆盖所述二值图像；其中，盒子的尺度为所述二值图 像的大小；

将每个ε尺度的方格细分成s×s个小方格，统计每个ε尺度下s×s个 小方格中存在土壤孔隙的小方格的格子数目N_i；

用N_i除以整个二值图像的总的小方格子数∑N_i，得到每个尺度为δ的方 格中二值图像的占据率，即概率测度P_i(ε)，公式如下：

Pi(ϵ)=NiΣNi---(1).]]>

进一步，利用概率测度构造配分函数，根据概率测度及配分函数计算土 壤孔隙分布的多重分形谱参数，具体包括：