[发明专利]一种定量分析土柱中不同大小3D孔隙空间分布的方法

说明书

本发明公开了一种定量分析土柱中不同大小3D孔隙空间分布的方法，属于土壤结构探究技术领域，包括：(1)获取土壤土柱的CT数字图像，去除不包含土柱信息的多余图像，得到土壤土柱图像；(2)将土壤土柱图像进行分割，区分出图像中的孔隙部分；(3)通过最大内切球法，使用不同尺寸的内切球球对土壤孔隙的局部结构进行拟合，计算出土壤孔径大小；(4)筛选出不同大小的孔隙；(5)对不同尺寸孔隙空间分布信息进行提取和可视化处理。具有操作简单，分析精度高的特点，且能够实现不同大小孔隙的3D空间分布的可视化。使用本发明，无需编写复杂代码。只需熟悉相应的软件操作，具有使用方便，易于推广的优势。

技术领域

本发明涉及土壤结构探究技术领域，具体地说，涉及一种定量分析土柱中不同大小3D孔隙空间分布的方法。

背景技术

土粒与土粒或者团聚体之间以及团聚体内部的孔洞，叫做土壤孔隙。土壤孔隙是容纳水分和空气的空间，也是植物根系伸展和土壤动物，及微生物活动的地方。土壤中孔隙的数量及质量，影响到土壤、水、气、热等诸因素，所以为了满足作物对水分和空气等的需要，有利于根系的伸展和活动，不但要求土壤尤其是土壤耕作层有适量的孔隙。而且大小孔隙的比例也要适宜。

土壤孔隙以数量(孔隙率)和大小分布表示。对于土壤的导水(透水)和持水性来说，孔隙大小比孔隙率更为重要，它还影响土壤通气性、养分释放和移动、微生物活动和热特性等。按孔隙大小，分大孔隙(大于100μm)，亦叫“通气孔隙”或“非毛管孔隙”，有通气、排水作用；中孔隙(100～30μm)，有导水性，毛管水运动快；小孔隙(30～3μm)，有持水性，毛管水运动慢。土壤孔隙决定了土壤质地、团粒化程度、有机质含量，以及耕作、施肥、干湿交替条件等。

土壤孔隙结构是与土壤的众多关键过程如土壤呼吸、植物根系生长、优先流路径等密切相关，是评价土壤质量和生产力的关键指标。不同大小的孔隙结构在土壤中扮演完全不同的角色；如土壤中的小孔隙通常与土壤固碳和保水保肥有关；而土壤中大孔隙通常与土壤水分和养分交换以及微生物的迁移相关。科学研究中无法对整个土壤进行研究；因而对大尺度土壤结构的研究来说，一般通过采集土柱的方式对土壤孔隙结构进行分析。因此，对土壤中不同大小孔隙的空间分布进行定量分析具有极为重要的科学意义。

然而受到图像处理技术的限制，目前国内外公开发表的论文和专利中尚无有效的方法对土柱中不同大小的3D孔隙的空间分布进行定量分析。

发明内容

本发明的目的为提供一种定量分析土柱中不同大小3D孔隙空间分布的方法，能够完成土壤功能空间变异分析以及土壤结构对环境响应的敏感性等，对土壤结构的研究有重要的促进作用。

为了实现上述目的，本发明提供的定量分析土柱中不同大小3D孔隙空间分布的方法，包括以下步骤：

(1)获取土壤的CT数字图像，去除不包含土柱信息的多余图像，得到土壤土柱图像；

(2)将土壤土柱图像进行分割，区分出图像中的孔隙部分和固相部分；

(3)通过最大内切球法，使用不同尺寸的内切球对土壤孔隙的局部结构进行拟合，计算出土壤孔径大小；

(4)筛选出不同大小的孔隙；

(5)对不同尺寸孔隙的空间分布信息进行提取和可视化处理。

上述技术方案，具有操作简单，分析精度高的特点，且能够实现不同大小孔隙的3D空间分布的可视化。使用本发明，无需编写复杂代码。只需熟悉相应的软件操作，具有使用方便，易于推广的优势。

作为优选，步骤(2)中，根据CT图像灰度值的不同，对图像中的土柱的孔隙部分进行识别和提取。

作为优选，步骤(4)中，筛选出不同大小的孔隙的方法为：每个像素的点的数值就是该像素所在的孔隙的孔径大小。

作为优选，筛选出不同大小的孔隙的方法包括：