[发明专利]一种基于ImagePy的数字土壤形态测量方法

说明书

本发明公开了一种基于ImagePy的数字土壤形态测量方法，以解决RGB颜色空间在图像处理的不足以及现有技术中对砾石含量测定的方法均有局限性的技术问题。包括以下步骤：获取土壤剖面、图像获取、比例尺设定与ROI选取、HSV颜色模型转化、图像分割、降噪、图像融合、图像筛选、图像再分割、砾石体积量化。本发明为砾石含量测定提供了新的方案，即数字量化，测定的砾石含量精度大，结果准确，可行性高，使用中的人工成本与材料成本低，对于砾石含量测定效率高。

技术领域

本发明涉及数字土壤技术领域，具体涉及基于ImagePy的数字土壤形态测量方法。

背景技术

土壤中的砾石根据其尺寸和外形在不同的分类系统中有不同的定义，通常认为直径≥2mm、相对独立且不易破碎的矿物质颗粒为砾石，含砾石的土壤称作石质土壤。砾石显著影响土壤的理化性质和水力特性，砾石的含量、大小以及空间分布等特征在土壤水文以及碳循环过程中发挥重要作用，但现有技术中对砾石含量测定的方法均有局限性。其中：

（1）环刀取样法：对于较大尺寸的砾石需要增大坑的体积，实际操作费时耗力，劳动强度大。

（2）Viro 插钎法：仅在砾石含量＜50% 才具有一定精度，当砾石含量＞50% 时测定结果精度较差。

（3）γ 射线法：在使用前要进行校正，但是在砾石尺寸和含量空间变异大的地方校正比较困难，而且放射性元素对人体有一定危害，设备比较重，在远离公路的地方不便应用。

（4）电阻率断层扫描法：实地含水量的变异性会使细土和砾石电阻率数值在一定范围内波动，从而影响对最终砾石含量估计的精度，因此这种方法可以在多大的误差范围内对土壤中砾石含量进行估计仍需进一步研究。

（5）探地雷达法（GPR）：在使用GPR测量石质土壤的砾石含量时，较深层次岩石对电磁波的反射会被上层岩石的反射所掩盖，使得所得到图像不能反映石质土壤内部的真实情况。当砾石含量较高时，由于反射界面较多使得反射波形混乱，使得石质土壤并非 GPR 的理想探测环境。另外，虽然各种商业软件的使用可以获得高精度的 GPR 扫描图像，但其精度是否满足区分砾石和细土还未得到有效验证。

在图像处理中，最常用的颜色空间是RGB模型，常用于颜色显示和图像处理、三维坐标的模型形式，RGB 是我们接触最多的颜色空间，由三个通道表示一幅图像，分别为红色(R)，绿色(G)和蓝色(B)。这三种颜色的不同组合可以形成几乎所有的其他颜色。

RGB 颜色空间是图像处理中最基本、最常用、面向硬件的颜色空间。RGB 颜色空间利用三个颜色分量的线性组合来表示颜色，任何颜色都与这三个分量有关，而且这三个分量是高度相关的，所以连续变换颜色时并不直观，想对图像的颜色进行调整需要更改这三个分量才行。自然环境下获取的图像容易受自然光照、遮挡和阴影等情况的影响，即对亮度比较敏感。而 RGB 颜色空间的三个分量都与亮度密切相关，即只要亮度改变，三个分量都会随之相应地改变，而没有一种更直观的方式来表达。但是人眼对于这三种颜色分量的敏感程度是不一样的，在单色中，人眼对红色最不敏感，蓝色最敏感，所以 RGB 颜色空间是一种均匀性较差的颜色空间。如果颜色的相似性直接用欧氏距离来度量，其结果与人眼视觉会有较大的偏差。对于某一种颜色，我们很难推测出较为精确的三个分量数值来表示。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于ImagePy的数字土壤形态测量方法，以解决现有技术中对砾石含量测定的方法均有局限性以及RGB 颜色空间在图像处理方面的不足的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种基于ImagePy的数字土壤形态测量方法，包括以下步骤：

（1）获取土壤剖面：在给定区域内挖取一个土壤剖面，剪断裸露在外的根系，清理出光滑的剖面，在垂直剖面上附加比例尺；

（2）图像获取：在光线充足的情况下，拍摄多张土壤剖面图像；