土壤裂紋參數在線測量系統及采用該系統實現土壤裂紋參數提取方法
【專利摘要】土壤裂紋參數在線測量系統及采用該系統實現土壤裂紋參數提取方法，涉及土壤裂紋參數在線測量領域。本發明是為了解決傳統的土壤裂紋參數的測量方式費時、費力、誤差大及提取參數單一的問題。本發明所述一、獲得土壤裂紋照片，二、實時提取土壤裂紋參數。它可用于土壤裂紋參數的實時、無損的在線測量。
【專利說明】土壤裂紋參數在線測量系統及采用該系統實現土壤裂紋參數提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種土壤裂紋參數的在線標準測量系統，尤其涉及野外土壤裂紋照片的標準在線測量裝置及實時的裂紋參數提取。
【背景技術】
[0002]自然界中由于膨脹性土壤失水收縮引起的土壤表面開裂現象非常普遍，尤其是近年來隨著全球氣候變暖、城市熱島效應加劇及長期干旱的背景下，土壤開裂現象更加嚴重。土壤干縮開裂是一個復雜的過程，其影響范圍分布于土壤學、農業、工程地質、水文地質等眾多領域。其中，以農業和工程地質受到的影響最為嚴重。在農業中，干縮裂紋增加了土壤水分的蒸發，控制了地下水的滲流及污染物的擴散，其大小和形狀還會改變地表水徑流及土壤中水分、養分和微生物的運移情況，從而影響根系對土壤有用物質的吸收并降低農作物的產量。在工程地質方面，土壤裂紋的產生會極大的改變土壤的工程性質，土壤裂紋降低了土壤強度、土壤承載能力和土體的穩定性，同時也增加了土體的滲透性，導致各種工程問題的發生。如增加堤壩垮塌的風險和汛情發生的概率，誘導滑坡的發生，而在城市垃圾處理及核廢料的處理過程中，干縮裂紋還增加了污染物質的入滲風險，不僅破壞了工程結構，而且還對環境造成嚴重的污染。因此，對裂紋的調查、測量和統計工作是評價土壤質量，提取其力學參數的基礎，具有重要的實際意義。而目前對土壤裂紋的野外調查和現場測量還是以手工測量方法為主，不僅工作效率底，易受自然條件的影響，引起的誤差較大且測量參數也比較單一。而數碼攝像及數字圖像處理技術和識別技術及相應提取算法的發展為實現快速高效的裂紋測量提供了一種可能途徑，本發明正是從這一技術基礎出發，發明了野外裂紋參數的在線測量系統，實現對多種表征土壤裂紋狀況參數進行標準化的定量在線測量。
【發明內容】
[0003]本發明是為了解決傳統的土壤裂紋參數的測量方式費時、費力、誤差大及提取參數單一的問題。現提供土壤裂紋參數在線測量系統及采用該系統實現土壤裂紋參數的提取。
[0004]土壤裂紋參數在線測量系統，它包括三腳架、數碼相機、筆記本電腦、環形燈、數字光度計、取樣框、黑白比色板和黑白格網定標板，
[0005]數碼相機固定在三腳架上，所述數碼相機的攝像區域為其正下方，環形燈用于給數碼相機的攝像區域提供照明，黑白比色板用于對數碼相機進行白平衡處理和灰度值拉伸處理，數字光度計用于測量每次拍攝時的背景環境光照強度，取樣框放置在數碼相機的攝像區域內，用于拍攝照片時確定標準的裂紋區域尺寸，數碼相機通過數據連接線將拍攝的照片傳送給筆記本電腦。
[0006]采用土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，所述方法為:
[0007]步驟一、將取樣框放置在土壤上，使得待檢測土壤裂紋區域位于所述取樣框內，通過三腳架將數碼相機固定在取樣框的正上方，使得數碼相機的攝像區域覆蓋取樣框，并且取樣框的中心與數碼相機鏡頭中心正下方的投影點重合，采用固定環形燈對取樣框所在區域進行照明；
[0008]步驟二、利用數字光度計測量被測土壤樣本上方的環境光照強度，根據所述光照強度設置數碼相機的ISO、光圈尺寸和曝光時間的參數，保證不同環境下光照對相片的影響相同，利用黑白比色板對數碼相機進行白平衡處理和灰度值拉伸處理，將對比度和色差對照片的影響減到最小；
[0009]步驟三、控制數碼相機連續采集圖像信息，每次土壤裂紋拍照后，在取樣框內放置黑白格網定標板后再次拍照，用于對土壤裂紋照片進行幾何畸變校正；
[0010]步驟四、數碼相機對土壤裂紋照片進行幾何定標，對標定后的照片按取樣框尺寸進行裁剪，用于提取取樣框內土壤裂紋參數；
[0011 ] 筆記本電腦內部嵌入有土壤裂紋參數提取軟件，該土壤裂紋參數提取軟件對土壤裂紋照片進行圖像處理操作以獲得土壤裂紋參數的提取為:
[0012]利用圖像處理方法，將裁剪后的裂紋照片進行灰度圖轉換和二值處理，計算代表裂紋區域的像素個數，提取裁剪后的取樣框內總像素個數并按取樣框尺寸比例計算土壤裂紋面積；
[0013]根據取樣框尺寸計算取樣框面積，結合提取的土壤裂紋面積計算土壤面裂紋率；
[0014]利用圖像處理方法設置紋理提取灰度級、方向和步長，計算圖像的灰度共生矩陣，進而根據計算的灰度共生矩陣提取取樣框內開裂土壤的各個統計紋理特征量參數，公式如下:
【權利要求】
1.土壤裂紋參數在線測量系統，其特征在于，它包括三腳架(1)、數碼相機(2)、筆記本電腦(3)、環形燈(4)、數字光度計(5)、取樣框(6)、黑白比色板(7)和黑白格網定標板(8)， 數碼相機(2)固定在三腳架(1)上，所述數碼相機(2)的攝像區域為其正下方，環形燈(4)用于給數碼相機(2)的攝像區域提供照明，黑白比色板(7)用于對數碼相機進行白平衡處理和灰度值拉伸處理，數字光度計(5)用于測量每次拍攝時的背景環境光照強度，取樣框(6)放置在數碼相機(2)的攝像區域內，用于拍攝照片時確定標準的裂紋區域尺寸，數碼相機(2)通過數據連接線將拍攝的照片傳送給筆記本電腦(3)。
2.采用權利要求1所述的土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，其特征在于，所述方法為: 步驟一、將取樣框(6)放置在土壤上，使得待檢測土壤裂紋區域位于所述取樣框(6)內，通過三腳架(1)將數碼相機(2)固定在取樣框(6)的正上方，使得數碼相機(2)的攝像區域覆蓋取樣框(6)，并且取樣框(6)的中心與數碼相機(2)鏡頭中心正下方的投影點重合，采用固定環形燈(4)對取樣框(6)所在區域進行照明； 步驟二、利用數字光度計(5)測量被測土壤樣本上方的環境光照強度，根據所述光照強度設置數碼相機(2)的ISO、光圈尺寸和曝光時間的參數，保證不同環境下光照對相片的影響相同，利用黑白比色板(7)對數碼相機(2)進行白平衡處理和灰度值拉伸處理，將對比度和色差對照片的影響減到最小； 步驟三、控制數碼相機(2)連續采集圖像信息，每次土壤裂紋拍照后，在取樣框(6)內放置黑白格網定標板(8)后再次拍照，用于對土壤裂紋照片進行幾何畸變校正； 步驟四、數碼相機(2)對土壤裂紋照片進行幾何定標，對標定后的照片按取樣框(6)尺寸進行裁剪，用于提取取樣框(6)內土壤裂紋參數； 筆記本電腦(3)內部嵌入有土壤裂紋參數提取軟件，該土壤裂紋參數提取軟件對土壤裂紋照片進行圖像處理操作以獲得土壤裂紋參數的提取為: 利用圖像處理方法，將裁剪后的裂紋照片進行灰度圖轉換和二值處理，計算代表裂紋區域的像素個數，提取裁剪后的取樣框(6)內總像素個數并按取樣框(6)尺寸比例計算土壤裂紋面積； 根據取樣框(6)尺寸計算取樣框面積，結合提取的土壤裂紋面積計算土壤面裂紋率； 利用圖像處理方法設置紋理提取灰度級、方向和步長，計算圖像的灰度共生矩陣，進而根據計算的灰度共生矩陣提取取樣框出)內開裂土壤的各個統計紋理特征量參數，公式如下: 1)對比度:
其中: p(i, j)是歸一化灰度共生矩陣(i，j)位置元素值，Ng是共生矩陣灰度級數，1、j均為正整數，
/,,(0 = ?/,(、/.),
μ x, μ y 為 px(i)，Py (j)均值，σ χ，σ y 為 Px(i)，py(j)方差，n 為灰度級， 選擇各紋理特征量4個方向0°、45°、90°和135°的均值作為最終的各紋理特征量。
3.采用權利要求2所述的土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，其特征在于，它還包括采用土壤裂紋參數提取軟件對土壤裂紋照片進行圖像處理操作以獲得開裂土壤的各個小波分解紋理特征參數的步驟如下: 利用圖像處理方法選擇小波分解函數，設置小波分解級數對裂紋圖像進行小波分解，進而提取取樣框內開裂土壤的各個小波分解紋理特征參數，計算公式如下: 14)水平LI范數:
其中，i為分解層數，pH(x, y)、pV(x, y)、pD (x, y)分別為(x，y)位置上水平、垂直及對角方向的小波分解系數，選擇各紋理特征量4個方向0°、45°、90°和135°的均值作為最終的各個小波分解紋理特征量。
4.采用權利要求2所述的土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，其特征在于，它還包括采用土壤裂紋參數提取軟件對土壤裂紋照片進行圖像處理操作以獲得土壤裂紋長度和土壤線裂紋率的步驟如下: 利用圖像處理方法，將裁剪后的裂紋照片進行灰度圖轉換和二值處理，將處理后的二值圖像進行骨架化處理，得到I個像素寬的裂紋主干，計算裂紋主干像素個數，提取裁剪后的取樣框￠)內總像素個數，并按取樣框(6)尺寸比例計算土壤裂紋長度； 根據取樣框(6)尺寸計算取樣框(6)面積，結合提取的土壤裂紋長度計算土壤線裂紋率。
5.采用權利要求2所述的土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，其特征在于，步驟二中利用黑白比色板(7)對數碼相機(2)進行白平衡處理和灰度值拉伸處理的過程為: 白平衡處理是利用相機的白平衡捕獲功能測量白色比色板作為相機的標準白點對比參數，從而實現對相機的白平衡處理， 灰度拉伸處理是通過拍攝白色比色板和黑色比色板并分別將其灰度值設置為255和O作為灰度定標參數，然后按照灰度值定標參數對拍攝的樣本照片進行線性拉伸從而實現灰度值拉伸處理。
6.采用權利要求2所述的土壤裂紋參數在線測量系統實現土壤裂紋參數提取方法，其特征在于，步驟三中在取樣框(6)內放置黑白格網定標板(8)后再次拍照，用于對土壤裂紋照片進行幾何畸變校正的具體過程為: 在autoCAD軟件中按照取樣框￠)內徑大小繪制大小固定、黑白相間的國際象棋棋盤式格網，將其打印并粘在硬紙板上進行制作的，在每一次樣本拍照前，將黑白格網定標板重疊放置在樣本上進行拍照，用于對拍攝相片的標準裂紋區域進行幾何畸變校正，校正過程是在Matlab軟件中標注已知的黑白格網交點作為幾何校正點，然后根據校正點建立多項式，然后針對樣本照片，根據定標多項式實現對測量的相應土壤樣本照片進行幾何畸變校正。
【文檔編號】G01B11/28GK104165892SQ201410360055
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】任建華, 李曉潔, 趙凱 申請人:中國科學院東北地理與農業生態研究所
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