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土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法
【專利摘要】土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法，涉及土壤裂紋參數(shù)在線測量領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)的土壤裂紋參數(shù)的測量方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、誤差大及提取參數(shù)單一的問題。本發(fā)明所述一、獲得土壤裂紋照片，二、實(shí)時(shí)提取土壤裂紋參數(shù)。它可用于土壤裂紋參數(shù)的實(shí)時(shí)、無損的在線測量。
【專利說明】土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種土壤裂紋參數(shù)的在線標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)，尤其涉及野外土壤裂紋照片的標(biāo)準(zhǔn)在線測量裝置及實(shí)時(shí)的裂紋參數(shù)提取。

【背景技術(shù)】
[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(xiàn)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(yīng)加劇及長期干旱的背景下，土壤開裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重。土壤干縮開裂是一個(gè)復(fù)雜的過程，其影響范圍分布于土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等眾多領(lǐng)域。其中，以農(nóng)業(yè)和工程地質(zhì)受到的影響最為嚴(yán)重。在農(nóng)業(yè)中，干縮裂紋增加了土壤水分的蒸發(fā)，控制了地下水的滲流及污染物的擴(kuò)散，其大小和形狀還會(huì)改變地表水徑流及土壤中水分、養(yǎng)分和微生物的運(yùn)移情況，從而影響根系對(duì)土壤有用物質(zhì)的吸收并降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。在工程地質(zhì)方面，土壤裂紋的產(chǎn)生會(huì)極大的改變土壤的工程性質(zhì)，土壤裂紋降低了土壤強(qiáng)度、土壤承載能力和土體的穩(wěn)定性，同時(shí)也增加了土體的滲透性，導(dǎo)致各種工程問題的發(fā)生。如增加堤壩垮塌的風(fēng)險(xiǎn)和汛情發(fā)生的概率，誘導(dǎo)滑坡的發(fā)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(zhì)的入滲風(fēng)險(xiǎn)，不僅破壞了工程結(jié)構(gòu)，而且還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此，對(duì)裂紋的調(diào)查、測量和統(tǒng)計(jì)工作是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量，提取其力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)，具有重要的實(shí)際意義。而目前對(duì)土壤裂紋的野外調(diào)查和現(xiàn)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(shù)也比較單一。而數(shù)碼攝像及數(shù)字圖像處理技術(shù)和識(shí)別技術(shù)及相應(yīng)提取算法的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)快速高效的裂紋測量提供了一種可能途徑，本發(fā)明正是從這一技術(shù)基礎(chǔ)出發(fā)，發(fā)明了野外裂紋參數(shù)的在線測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種表征土壤裂紋狀況參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的定量在線測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)的土壤裂紋參數(shù)的測量方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、誤差大及提取參數(shù)單一的問題。現(xiàn)提供土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)及采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)的提取。
[0004]土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)，它包括三腳架、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、環(huán)形燈、數(shù)字光度計(jì)、取樣框、黑白比色板和黑白格網(wǎng)定標(biāo)板，
[0005]數(shù)碼相機(jī)固定在三腳架上，所述數(shù)碼相機(jī)的攝像區(qū)域?yàn)槠湔路?，環(huán)形燈用于給數(shù)碼相機(jī)的攝像區(qū)域提供照明，黑白比色板用于對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行白平衡處理和灰度值拉伸處理，數(shù)字光度計(jì)用于測量每次拍攝時(shí)的背景環(huán)境光照強(qiáng)度，取樣框放置在數(shù)碼相機(jī)的攝像區(qū)域內(nèi)，用于拍攝照片時(shí)確定標(biāo)準(zhǔn)的裂紋區(qū)域尺寸，數(shù)碼相機(jī)通過數(shù)據(jù)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(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)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(qū)域位于所述取樣框內(nèi)，通過三腳架將數(shù)碼相機(jī)固定在取樣框的正上方，使得數(shù)碼相機(jī)的攝像區(qū)域覆蓋取樣框，并且取樣框的中心與數(shù)碼相機(jī)鏡頭中心正下方的投影點(diǎn)重合，采用固定環(huán)形燈對(duì)取樣框所在區(qū)域進(jìn)行照明；
[0008]步驟二、利用數(shù)字光度計(jì)測量被測土壤樣本上方的環(huán)境光照強(qiáng)度，根據(jù)所述光照強(qiáng)度設(shè)置數(shù)碼相機(jī)的ISO、光圈尺寸和曝光時(shí)間的參數(shù)，保證不同環(huán)境下光照對(duì)相片的影響相同，利用黑白比色板對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行白平衡處理和灰度值拉伸處理，將對(duì)比度和色差對(duì)照片的影響減到最??；
[0009]步驟三、控制數(shù)碼相機(jī)連續(xù)采集圖像信息，每次土壤裂紋拍照后，在取樣框內(nèi)放置黑白格網(wǎng)定標(biāo)板后再次拍照，用于對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行幾何畸變校正；
[0010]步驟四、數(shù)碼相機(jī)對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行幾何定標(biāo)，對(duì)標(biāo)定后的照片按取樣框尺寸進(jìn)行裁剪，用于提取取樣框內(nèi)土壤裂紋參數(shù)；
[0011 ] 筆記本電腦內(nèi)部嵌入有土壤裂紋參數(shù)提取軟件，該土壤裂紋參數(shù)提取軟件對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行圖像處理操作以獲得土壤裂紋參數(shù)的提取為:
[0012]利用圖像處理方法，將裁剪后的裂紋照片進(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)換和二值處理，計(jì)算代表裂紋區(qū)域的像素個(gè)數(shù)，提取裁剪后的取樣框內(nèi)總像素個(gè)數(shù)并按取樣框尺寸比例計(jì)算土壤裂紋面積；
[0013]根據(jù)取樣框尺寸計(jì)算取樣框面積，結(jié)合提取的土壤裂紋面積計(jì)算土壤面裂紋率；
[0014]利用圖像處理方法設(shè)置紋理提取灰度級(jí)、方向和步長，計(jì)算圖像的灰度共生矩陣，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算的灰度共生矩陣提取取樣框內(nèi)開裂土壤的各個(gè)統(tǒng)計(jì)紋理特征量參數(shù)，公式如下:

【權(quán)利要求】
1.土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)，其特征在于，它包括三腳架(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、筆記本電腦(3)、環(huán)形燈(4)、數(shù)字光度計(jì)(5)、取樣框(6)、黑白比色板(7)和黑白格網(wǎng)定標(biāo)板(8)， 數(shù)碼相機(jī)(2)固定在三腳架(1)上，所述數(shù)碼相機(jī)(2)的攝像區(qū)域?yàn)槠湔路剑h(huán)形燈(4)用于給數(shù)碼相機(jī)(2)的攝像區(qū)域提供照明，黑白比色板(7)用于對(duì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行白平衡處理和灰度值拉伸處理，數(shù)字光度計(jì)(5)用于測量每次拍攝時(shí)的背景環(huán)境光照強(qiáng)度，取樣框(6)放置在數(shù)碼相機(jī)(2)的攝像區(qū)域內(nèi)，用于拍攝照片時(shí)確定標(biāo)準(zhǔn)的裂紋區(qū)域尺寸，數(shù)碼相機(jī)(2)通過數(shù)據(jù)連接線將拍攝的照片傳送給筆記本電腦(3)。
2.采用權(quán)利要求1所述的土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)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(qū)域位于所述取樣框(6)內(nèi)，通過三腳架(1)將數(shù)碼相機(jī)(2)固定在取樣框(6)的正上方，使得數(shù)碼相機(jī)(2)的攝像區(qū)域覆蓋取樣框(6)，并且取樣框(6)的中心與數(shù)碼相機(jī)(2)鏡頭中心正下方的投影點(diǎn)重合，采用固定環(huán)形燈(4)對(duì)取樣框(6)所在區(qū)域進(jìn)行照明； 步驟二、利用數(shù)字光度計(jì)(5)測量被測土壤樣本上方的環(huán)境光照強(qiáng)度，根據(jù)所述光照強(qiáng)度設(shè)置數(shù)碼相機(jī)(2)的ISO、光圈尺寸和曝光時(shí)間的參數(shù)，保證不同環(huán)境下光照對(duì)相片的影響相同，利用黑白比色板(7)對(duì)數(shù)碼相機(jī)(2)進(jìn)行白平衡處理和灰度值拉伸處理，將對(duì)比度和色差對(duì)照片的影響減到最小； 步驟三、控制數(shù)碼相機(jī)(2)連續(xù)采集圖像信息，每次土壤裂紋拍照后，在取樣框(6)內(nèi)放置黑白格網(wǎng)定標(biāo)板(8)后再次拍照，用于對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行幾何畸變校正； 步驟四、數(shù)碼相機(jī)(2)對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行幾何定標(biāo)，對(duì)標(biāo)定后的照片按取樣框(6)尺寸進(jìn)行裁剪，用于提取取樣框(6)內(nèi)土壤裂紋參數(shù)； 筆記本電腦(3)內(nèi)部嵌入有土壤裂紋參數(shù)提取軟件，該土壤裂紋參數(shù)提取軟件對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行圖像處理操作以獲得土壤裂紋參數(shù)的提取為: 利用圖像處理方法，將裁剪后的裂紋照片進(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)換和二值處理，計(jì)算代表裂紋區(qū)域的像素個(gè)數(shù)，提取裁剪后的取樣框(6)內(nèi)總像素個(gè)數(shù)并按取樣框(6)尺寸比例計(jì)算土壤裂紋面積； 根據(jù)取樣框(6)尺寸計(jì)算取樣框面積，結(jié)合提取的土壤裂紋面積計(jì)算土壤面裂紋率； 利用圖像處理方法設(shè)置紋理提取灰度級(jí)、方向和步長，計(jì)算圖像的灰度共生矩陣，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算的灰度共生矩陣提取取樣框出)內(nèi)開裂土壤的各個(gè)統(tǒng)計(jì)紋理特征量參數(shù)，公式如下: 1)對(duì)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(jí)數(shù)，1、j均為正整數(shù)，
/,,(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(jí)， 選擇各紋理特征量4個(gè)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(quán)利要求2所述的土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法，其特征在于，它還包括采用土壤裂紋參數(shù)提取軟件對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行圖像處理操作以獲得開裂土壤的各個(gè)小波分解紋理特征參數(shù)的步驟如下: 利用圖像處理方法選擇小波分解函數(shù)，設(shè)置小波分解級(jí)數(shù)對(duì)裂紋圖像進(jìn)行小波分解，進(jìn)而提取取樣框內(nèi)開裂土壤的各個(gè)小波分解紋理特征參數(shù)，計(jì)算公式如下: 14)水平LI范數(shù):
其中，i為分解層數(shù)，pH(x, y)、pV(x, y)、pD (x, y)分別為(x，y)位置上水平、垂直及對(duì)角方向的小波分解系數(shù)，選擇各紋理特征量4個(gè)方向0°、45°、90°和135°的均值作為最終的各個(gè)小波分解紋理特征量。
4.采用權(quán)利要求2所述的土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法，其特征在于，它還包括采用土壤裂紋參數(shù)提取軟件對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)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(jìn)行灰度圖轉(zhuǎn)換和二值處理，將處理后的二值圖像進(jìn)行骨架化處理，得到I個(gè)像素寬的裂紋主干，計(jì)算裂紋主干像素個(gè)數(shù)，提取裁剪后的取樣框￠)內(nèi)總像素個(gè)數(shù)，并按取樣框(6)尺寸比例計(jì)算土壤裂紋長度； 根據(jù)取樣框(6)尺寸計(jì)算取樣框(6)面積，結(jié)合提取的土壤裂紋長度計(jì)算土壤線裂紋率。
5.采用權(quán)利要求2所述的土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法，其特征在于，步驟二中利用黑白比色板(7)對(duì)數(shù)碼相機(jī)(2)進(jìn)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(jī)的白平衡捕獲功能測量白色比色板作為相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)白點(diǎn)對(duì)比參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)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(shè)置為255和O作為灰度定標(biāo)參數(shù)，然后按照灰度值定標(biāo)參數(shù)對(duì)拍攝的樣本照片進(jìn)行線性拉伸從而實(shí)現(xiàn)灰度值拉伸處理。
6.采用權(quán)利要求2所述的土壤裂紋參數(shù)在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤裂紋參數(shù)提取方法，其特征在于，步驟三中在取樣框(6)內(nèi)放置黑白格網(wǎng)定標(biāo)板(8)后再次拍照，用于對(duì)土壤裂紋照片進(jìn)行幾何畸變校正的具體過程為: 在autoCAD軟件中按照取樣框￠)內(nèi)徑大小繪制大小固定、黑白相間的國際象棋棋盤式格網(wǎng)，將其打印并粘在硬紙板上進(jìn)行制作的，在每一次樣本拍照前，將黑白格網(wǎng)定標(biāo)板重疊放置在樣本上進(jìn)行拍照，用于對(duì)拍攝相片的標(biāo)準(zhǔn)裂紋區(qū)域進(jìn)行幾何畸變校正，校正過程是在Matlab軟件中標(biāo)注已知的黑白格網(wǎng)交點(diǎn)作為幾何校正點(diǎn)，然后根據(jù)校正點(diǎn)建立多項(xiàng)式，然后針對(duì)樣本照片，根據(jù)定標(biāo)多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)對(duì)測量的相應(yīng)土壤樣本照片進(jìn)行幾何畸變校正。
【文檔編號(hào)】G01B11/28GK104165892SQ201410360055
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】任建華, 李曉潔, 趙凱 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所