一种利用图像识别实现TEP定性定量的方法

本发明提供一种利用图像识别实现tep定性定量的方法，属于环境监测。

背景技术：

1、海洋在全球碳循环中起着至关重要的作用，海水中存在多种颗粒有机碳(poc)和溶解有机碳(doc)。凝胶状颗粒对海洋有机碳的动态调控具有重要影响。由酸性多糖组成的透明胞外聚合颗粒物(transparent exopolymerparticles，tep)是海洋环境中含量最多的凝胶状颗粒，主要由海洋中的浮游植物和细菌或通过doc的自组装产生，具有孔隙度、低密度和一定粘度。tep在海洋中是必不可少的，因为它们可以促进有机碳的垂直迁移和固存，也是海洋食物网的关键组成部分。tep对全球海洋碳循环有重要影响，在海洋生态学中得到了广泛的分析。

2、除海洋外，tep普遍存在于地表水中，在水处理中受到越来越多的关注。作为一种多糖，tep可以通过在水处理过程中去除化学需氧量(cod)和总有机碳(toc)的过程来去除。然而，tep具有独特的性能，可以影响水处理装置的过程。如在混凝过程中降低混凝效果，增加混凝剂用量。在膜过滤技术中，tep会导致膜表面的膜污染。此外，作为饮用水处理消毒过程中消毒副产物的前体，tep对人体具有潜在的致癌性。tep在水处理单元过程中的作用机理逐渐受到研究者的关注，该领域仍有许多挑战有待解决。

3、tep在操作上被定义为0.4毫米的轨迹蚀刻聚碳酸酯过滤器保留的颗粒，并用阿利新蓝染色。随着时间的推移，人们提出并改进了许多tep的检测方法。由于不同学科的解释和应用不同，tep的定义可能略有不同。在水处理中，tep通常被认为是一种透明的凝胶状多糖。在探索tep在各种水处理单元过程中的作用以及研究其对海洋生态碳循环的影响时，其形态结构是一个至关重要的考虑因素。tep的特点是透明，高粘度，低密度和可变性。因此，观察tep粒子的密度分布可能具有挑战性。此外，tep的形态特征和密度分布在不同的水环境中存在显著差异，这与研究者观察到的现象密切相关。例如，水环境中含有一系列离子，研究发现钙离子和镁离子对tep分子交联有不同的影响。

4、虽然对tep的测量已经有了系统的研究，但目前还没有系统的方法来提供对tep颗粒的直观、高效的描述，包括准确描述单个tep的大小和形状以及tep群的内部密实度分布和大小形状。

5、根据tep与阿利新蓝结合的位置，tep的测定方法可分为“分离染色法”和“直接染色法”两大类。最流行的方法是passow和alldredge在1995年提出的分光光度法，发展到现在引入了一些变化，包括使用孔径较小的过滤器和校准过程的修改。此方法的主要过程是，首先用过滤器分离tep，然后在过滤器上用阿利新蓝染色，随后用分光光度法测定水中未反应的阿利新蓝。添加到样品中的总阿利新蓝与剩余阿利新蓝之间的差值表示样品中阿利新蓝反应“tep”的量。这些方法可以以黄原胶为标准物，对水样中tep的含量进行半定量评价。到目前为止，这些过滤染色法仍然是定量tep最广泛使用的方法。

6、现有测量方法可以对水样中的tep进行半定量评价，例如测量出不同水样中tep含量是不同的，但是却不能表征出不同水样中tep颗粒的自身特征的差异，例如具体到某一颗tep的尺寸大小、形状特点和内部密实度分布情况。考虑到tep存在于水样中，且尺寸微小呈现半透明状，干燥处理后会破坏tep的内部结构，因此常见的表征设备如扫描电子显微镜(sem)也并不容易得到它的特征信息。

技术实现思路

1、为了能够从二维和三维的角度全面系统且能定性定量地描述tep颗粒的特征，本发明提供一种利用图像识别实现tep定性定量的方法，利用图像分析和统计处理来表征tep颗粒，生成描述单个tep和群体tep颗粒的形态特征的参数，提供对tep粒度、形状和内部密度分布的全面和可视化的有效描述。

2、具体技术方案为：

3、一种利用图像识别实现tep定性定量的方法，包括以下步骤：

4、s1、tep观测及图像采集

5、tep样品用阿利新蓝染色，然后记录；

6、所有样品均使用同一批阿利新8gx(0.02％)(sigma,usa)溶液，溶解于0.06％醋酸中。选择50mg/l海藻酸盐(toc＝20.45mg/l)来匹配通常在水环境中发现的总有机碳(toc)浓度。添加了浓度为1.00、5.00和10.00mm的ca2+和mg2+，将具有相同ca2+和mg2+水平的海藻酸盐溶液混合至少2小时，获得稳定且均匀的tep样品。

7、随后，观察并记录tep样品。首先，将一部分tep溶液样品(20～50μl)置于玻片上，然后加入阿利新蓝溶液。tep样品与阿利新蓝的比值为1：1，使用亮场显微镜(keyence,japan)获取新鲜制备的ca-tep和mg-tep样品的图像。

8、s2、图像预处理

9、(1)灰度预处理

10、将摄像机拍摄获得的照片原图转换为灰度图；

11、(2)阈值预处理

12、选择阈值来保留tep粒子轮廓，即阈值预处理；

13、s3、tep图像分析

14、二维参数用于描述tep颗粒在图像平面上的特征，包括，粒度参数：最大弗雷特直径、最小弗雷特直径、周长、面积、等效直径；形态参数：形状因子、延伸长度、分形维数；

15、三维参数，tep颗粒的形态特征还要考虑其内部密度分布，这是三维特征。使用图像的灰度值生成形貌图、断面图和伪彩色图以说明三维特征。

16、组参数：利用图像分析技术获得基本种群参数、平均分形维数、等效直径-数量直方图、粒径分布、粒径曲线、长轴和短轴散点图参数。

17、利用image j、matlab和photoshop图像处理软件，从二维和三维角度对tep颗粒进行全面分析；

18、将二值图导入到image j软件中进行分析，得到最大费雷特直径、最小费雷特直径、面积和周长，这些参数被称为基本参数。用基本参数进行计算获得其他描述tep颗粒尺寸或者形状的直观的参数；

19、分形维数是图形复杂性的度量。image j软件运用盒计数法来确定不规则形状的分形维数。将二值图中的目标颗粒单独导出得到目标图像，将目标图像导入image j软件中即获得颗粒对应的分形维数。

20、tep颗粒三维特征的获取，只需要用到灰度图，matlab通过灰度图生成灰度值矩阵，之后将其转换成反灰度值矩阵之后，用matlab绘制出反灰度伪形貌图。

21、选定反灰度纵断面图的切面之后，在灰度值矩阵中找到对应的那列数据，根据切面数据列绘制反灰度纵断面图。

22、image j软件将灰度图中的灰度值对应到特定的彩色便生成了假彩色图；

23、s4、参数和数据图的具体计算/绘制

24、(1)单颗tep的费雷特直径(二维)

25、tep颗粒的尺寸参数，包括最大费雷特直径、最小费雷特直径、面积和周长，使用matlab和image j图像分析软件进行测量。除此之外，等效直径也是一个有用的尺寸参数，它表示与图像中tep颗粒面积相同的圆的半径。等效直径用于估算tep颗粒的大小。

26、(2)单颗tep的粒度

27、等效直径的计算公式为：

28、

29、式中，deq为tep颗粒的等效直径，a为tep颗粒的面积。

30、(3)tep颗粒群体的粒度

31、使用与测量单个tep相同的方法确定tep群体的粒度参数。将一组tep颗粒中各tep的参数值取平均值，即得到该tep群体的参数值；选取了占总面积中80％的tep颗粒作为目标tep颗粒。

32、(4)等效直径-数量直方图和颗粒级配曲线

33、等效直径-数量直方图和颗粒级配曲线反映tep颗粒群中大小颗粒的数量和大小分布。

34、通过假设一组不同网目尺寸的筛网，对以等效直径描述的tep颗粒进行筛分，绘制出一个tep群体的颗粒级配曲线。x轴表示筛孔尺寸，y轴表示能通过筛孔尺寸的tep颗粒占总颗粒数的百分比。颗粒级配曲线陡，表明tep粒径相似且均匀；颗粒级配曲线缓，表明tep粒径多样且不均匀。

35、(5)tep颗粒群体的d50和k80

36、颗粒级配曲线提供的其中一个附加参数是d50，对应于累积粒度数量百分比达到50％时的粒度，d50参数称为中值直径，用于表示tep颗粒的平均粒径。另一个参数是d97，对应于样品累积粒度分布百分比达到97％时的粒度，表示tep颗粒中大颗粒的粒径指数。还有反映一组tep群体颗粒均匀性的参数是k80

37、

38、k80定义为d80与d10之比，k80值反映了tep粒径的不均匀性，值越大，tep颗粒的粒径越不均匀。相反，k80值越接近1，则tep颗粒的粒径越均匀。

39、(6)单颗tep的形状因子

40、使用形状因子、伸长度和分形维数来描述tep颗粒的形态特征。形状因子和伸长率从最大弗雷特直径、面积和周长计算出来；

41、形状因子ff用于描述tep颗粒的圆度。ff越接近1，tep粒子越接近圆形。形状因子的计算公式为：

42、

43、式中，p为tep颗粒的周长。

44、(7)单颗tep的伸长度

45、伸长度el的物理意义是最大弗雷特直径与tep颗粒面积相同的圆直径的比值。el值越小，tep粒子越长。伸长率计算公式为：

46、

47、式中，fmax表示最大弗雷特直径。

48、(8)单颗tep的分形维数

49、分形维数是图形复杂性的度量。盒计数和面积-周长法用来确定不规则形状的分形维数。盒子计数法如下：(i)按照二维参数图像预处理步骤，生成二值图；(ii)覆盖图像上的非目标tep颗粒；(iii)使用image j软件的分形盒计数插件计算分形维数。

50、(9)tep颗粒群体的形状参数

51、采用面积-周长法测量tep群体的分形维数。根据下式将tep粒径参数中的面积和周长数值绘制在图上，拟合线的斜率为该组tep颗粒的平均分形维数。

52、loga＝da-p·logp+b  (5)

53、式中da-p表示群体的平均分形维数。

54、为了分析一组tep颗粒的形状特征，在x轴上绘制最大弗雷特直径，在y轴上绘制最小弗雷特直径，得到的散点图称为长轴短轴散点图。当tep粒子主要为圆形时，其对应的散点将聚集在图的45°线附近。另一方面，如果tep粒子大多呈拉长状，则其对应的散点将分布在图右下角x轴附近。

55、(10)单颗tep的反灰度伪形貌图

56、“反灰度值”范围从0到255，其中黑色为255，白色为0。“形貌图”为tep的三维图像，其中z轴数据赋予tep颗粒类似地貌起伏的特征。“伪”是指tep形貌图所反映的起伏，是密度、结构复杂程度、厚度等相关特征的综合反映。反灰度伪形貌图直接反映tep颗粒的三维形貌；

57、利用matlab生成反灰度伪形貌图，步骤如下：(i)通过三维参数图像预处理生成灰度图像。(ii)将灰度图像输入到matlab中，使用“imread”函数输出灰度值矩阵。矩阵中的每个值表示图像上每个像素单元对应的灰度值，矩阵中每个值的位置表示像素单元在图像上的位置。(iii)用矩阵运算将灰度值按下式转换为反灰度值：

58、inverse gray value＝255-gray value  (6)

59、(iv)在matlab中调用surf函数创建三维地图。将反灰度矩阵作为z轴数据，在x轴和y轴上标记与图像上像素网格位置对应的反灰度值。

60、(11)单颗tep的反灰度纵断面图

61、绘制反灰度纵断面图来补充伪形貌图。在反灰度伪形貌图上垂直或水平画一条宽度为1像素的线来指明剖面的位置。反灰度纵断面图的y轴表示反灰度值，x轴表示图像的相对位置。

62、生成反灰度纵断面图的步骤如下：(1)利用图像处理软件确定待切割的位置(像素值)；(ii)使用所述三维参数图像预处理步骤创建灰度图；(iii)将灰度图输入到matlab中，使用imread函数输出图像的灰度值矩阵；(iv)运用矩阵运算将灰度值变换为反灰度值；(v)输出目标行/列的反灰度值即步骤(i)中的像素线指示的位置；(vi)以反灰度值的位置为x轴，以对应的灰度逆值为y轴，绘制反灰度纵断面图。

63、(12)单颗tep的假彩色图

64、将灰度图像中每个像素的灰度值映射到相应的一组颜色上，生成假彩色图像。

65、s5、参数和数据图的分析

66、从个体和群体的角度对这tep颗粒的参数进行计算和分析。在分析某一颗单独tep时，在每张图片中选取三个具有代表性的大tep颗粒，并给予序号，计算单个tep参数。

67、本发明技术可以作为一个工具箱，用于从二维和三维的角度全面系统且能定性定量地描述tep颗粒的特征，生成描述单个tep和群体tep颗粒的形态特征的参数，提供对tep粒度、形状和内部密度分布的全面和可视化的有效描述。

68、提出的基于图像分析的tep颗粒表征工具箱可应用于任何领域的tep图像研究。例如，在海洋生态学中，这个工具箱可以用来研究具有不同形态特征的tep在食物网中的作用。同样，工具箱也可以用来研究tep在水处理过程中对无机颗粒和天然有机物(nom)混凝的促进机制。

69、此外，该工具箱还可用于研究其他类似tep的半透明颗粒。该工具箱旨在简化描述过程，节省数据处理时间，促进环境领域的研究。