一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，尤其涉及室内盐碱化土壤含 盐量反演模型的建立及通过在线测量盐碱土纹理特征实现土壤含盐量的在线测量方法。
【背景技术】
[0002] 土壤盐碱化是成为世界性的土地退化过程，它严重破坏土壤性状并且在很大程度 上降低了农作物的产量，同时对生态环境也有较大的危害。因此，快速准确的测量土壤含盐 量水平对于确定土壤盐碱化程度、指导盐碱化土壤的改良具有重要的现实意义。目前，传 统的含盐量测量方法主要针对野外采样、室内测量土壤内各盐离子的总含量来确定的，这 种土壤含盐量的测量方法费时费力且不能实时反应含盐量的野外真实状况，遥感手段虽然 具有大面积实时的特点，但是遥感数据本身的空间分辨率和光谱分辨率有限，使其局限于 大面积的含盐量程度的确定和制图应用，而小尺度的单点含盐量测量精度却很差。松嫩平 原的苏打型盐碱土是一种典型的盐碱化土壤，其土壤粘粒含量较高具有很强的膨胀收缩特 性。因此在降水过后，土壤表面随水分的蒸发而出现的干缩开裂现象非常普遍。截至目前， 已有很多研宄关注于土壤裂纹特征的识别和测量以及土壤理化参数、环境条件等对开裂程 度的影响等方面。盐分含量作为盐碱化土壤主要的化学特性，对土壤的开裂过程和裂纹特 征也有很大程度的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有盐碱化土壤含盐量的测量方法采样费时费力，含盐 量的在线测量精度较低的问题，而提供一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法。
[0004] 本发明盐碱化土壤含盐量的在线测量方法按下列步骤实现：
[0005] -、建立土壤含盐量反演模型
[0006] 1、土壤开裂实验
[0007] 选择不同盐分含量的多组土壤样本，对所有的土壤样本进行风干、研磨处理并过 2mm孔径的筛子，然后将每组过筛后的土壤样本分为土壤样本A和土壤样本B，将其中的土 壤样本A进行干缩开裂实验，所述的干缩开裂实验是先将所有的土壤样本A分别配置成含 水量相同的饱和泥浆，把每组配置好的饱和泥浆分别倒入50厘米X 50厘米X 3厘米大小 的木质样本盒中，抹平泥浆后放置在实验室中进行自然干燥以产生干缩裂纹，直至样本盒 中样品的质量不再减少时，得到干燥开裂的土壤样本A ;
[0008] 将数码相机安装在固定的实验平台上，数码相机距离地面高度为lm，以数码相机 镜头在地面上的投影为中心确定50厘米X 50厘米的正方形区域以保证所有干燥开裂的土 壤样本A拍照过程的几何畸变影响相同，将50厘米X 50厘米的黑白网格定标板覆盖在干 燥开裂的土壤样本A表面，然后使用数码相机对干燥开裂的土壤样本A进行拍照，获取开裂 土壤样本照片；
[0009] 2、提取纹理特征
[0010] 对每张开裂土壤样本照片进行几何畸变校正，对几何畸变校正后的样本图像进行 剪切以获取样本的彩色裂纹区域图像，然后将每张彩色裂纹区域图像转化为灰度图，再根 据灰度直方图选取阈值进而进行二值化处理，取反操作后则将每个开裂土壤样本的裂纹图 像分割为未开裂的块区（用黑色象元表示）和收缩区域（包括裂纹部分和样本盒内四周的 收缩部分，用白色象元表示）；
[0011] 计算每个开裂土壤样本二值化图像的灰度共生矩阵，将距离步长设置为40,4个 方向分别为0°、45°、90°和135°，然后将四个方向得到的归一化灰度共生矩阵进行算 数平均从而以去除方向的影响，根据每个开裂土壤样本灰度共生矩阵计算各统计纹理特征 值，各统计纹理特征值的计算公式如下：
[0012] 1)对比度：
[0013]
【主权项】
1. 一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于盐碱化土壤含盐量的在线测量 方法是按下列步骤实现： 一、建立土壤含盐量反演模型 1、 土壤开裂实验 选择不同盐分含量的多组土壤样本，对所有的土壤样本进行风干、研磨处理并过2mm 孔径的筛子，然后将每组过筛后的土壤样本分为土壤样本A和土壤样本B，将其中的土壤样 本A进行干缩开裂实验，所述的干缩开裂实验是先将所有的土壤样本A分别配置成含水量 相同的饱和泥浆，把每组配置好的饱和泥浆分别倒入50厘米X 50厘米X 3厘米大小的木 质样本盒中，抹平泥浆后放置在实验室中进行自然干燥以产生干缩裂纹，直至样本盒中样 品的质量不再减少时，得到干燥开裂的土壤样本A ; 将数码相机安装在固定的实验平台上，数码相机距离地面高度为lm，以数码相机镜头 在地面上的投影为中心确定50厘米X 50厘米的正方形区域以保证所有干燥开裂的土壤样 本A拍照过程的几何畸变影响相同，将50厘米X 50厘米的黑白网格定标板覆盖在干燥开 裂的土壤样本A表面，然后使用数码相机对干燥开裂的土壤样本A进行拍照，获取开裂土壤 样本照片； 2、 提取纹理特征 对每张开裂土壤样本照片进行几何畸变校正，对几何畸变校正后的样本图像进行剪切 以获取样本的彩色裂纹区域图像，然后将每张彩色裂纹区域图像转化为灰度图，再根据灰 度直方图选取阈值进而进行二值化处理，取反操作后则将每个开裂土壤样本的裂纹图像分 割为未开裂的块区和收缩区域； 计算每个开裂土壤样本二值化图像的灰度共生矩阵，将距离步长设置为40,4个方向 分别为0°、45°、90°和135°，然后将四个方向得到的归一化灰度共生矩阵进行算数平 均从而以去除方向的影响，根据每个开裂土壤样本灰度共生矩阵计算各统计纹理特征值， 各统计纹理特征值的计算公式如下： 1)对比度：
12)相关信息特征2 : Inforofcorrelation2 = {1-exp [-2* (HXY2-HXY) ]}1/2, (12) 其中： P (i，j)是归一化灰度共生矩阵（i，j)位置元素值，即图像灰度级i，j同时出现的概率 值，Ng是共生矩阵灰度级数，i、j均为正整数，
μχ，μ# P x(i)，py(j)均值，σ χ，σ 3 p x(i)，py(j)方差，η 为灰度级； 3、 测量土壤盐分 将每个土壤样本B配置成土壤浸提液，分别测量土壤样本B中的Ca2+、Mg2+、Cl' CCT和 HC03_含量，计算每个土壤样本B中Ca 2+、Mg2+、Cl_、C02lP HCO 3_含量的总和，即为土壤样本B 的含盐量； 4、 建立反演模型 利用土壤样本B的含盐量及计算得到的各统计纹理特征值建立线性模型，其中线性模 型中的横坐标为纹理特征量，纵坐标为含盐量，选择与土壤样本B含盐量拟合关系最好的 纹理特征量，建立土壤含盐量野外在线测量的标准线性反演模型； 二、 在线测量野外土壤含盐量 针对待测野外盐碱化土壤的在线测量，将数码相机放置在移动平台上，调整平台高度 使数码相机与地面垂直高度为lm，设置数码相机参数与土壤开裂实验时参数相同，然后对 野外的开裂盐碱化土壤进行拍照，对野外的开裂盐碱化土壤相片进行几何畸变校正，根据 土壤样本A拍照对应的50cm*50cm区域大小及位置剪切野外照片，从而获取标准裂纹照片， 再然后对标准裂纹照片进行灰度图转化和二值化处理，计算归一化灰度共生矩阵和相应拟 合关系最好的纹理特征值，将拟合关系最好的纹理特征值的计算结果带入标准线性反演模 型中，从而实现盐碱化土壤含盐量的初步在线测量； 三、 修正土壤含盐量测量结果 在所有的在线测量野外土壤样本中，选择在线计算的纹理特征最小值对应的土壤样本 min和在线计算的纹理特征最大值对应的土壤样本max，分别精确测量土壤样本min和土壤 样本max的含盐量，设土壤样本min含盐量在线测量结果为Cl，土壤样本max含盐量在线测 量结果为C2, 土壤样本min含盐量的精确测量结果为D1，土壤样本max含盐量的精确测量 结果为D2,利用（Cl，Dl)，（C2，D2)建立线性定标模型，然后根据线性定标模型对所有在线 测量结果进行修正，从而完成土壤含盐量的在线测量。
2. 根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 提取纹理特征部分中采用多项式法对每张开裂土壤样本照片进行几何畸变校正。
3. 根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 测量土壤盐分部分中土壤浸提液中土壤质量与水分的质量比为1:5。
4. 根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 测量土壤盐分部分中采用火焰光度计法测量土壤样本B中Na +和K +含量。
5. 根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 测量土壤盐分部分中采用EDTA络合滴定法测量土壤样本B中Ca 2+和Mg 2+含量。
6. 根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 测量土壤盐分部分中采用AgNO3溶液滴定法测量土壤样本B中C厂含量。
7.根据权利要求1所述的一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，其特征在于步骤一 测量土壤盐分部分中采用双指示剂中和法测量土壤样本B中CCT和HCO ^含量。
【专利摘要】一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，本发明涉及一种盐碱化土壤含盐量的在线测量方法，它为了解决现有盐碱化土壤含盐量的测量方法采样费时费力，含盐量的在线测量精度较低的问题。在线测量方法：一、通过土壤开裂实验获取开裂土壤样本照片，然后提取纹理特征，再测量土壤中盐分含量，建立土壤含盐量反演模型；二、在线测量野外土壤含盐量，计算野外土壤归一化灰度共生矩阵和相应拟合关系最好的纹理特征值，得到土壤含盐量的初步在线测量结果；三、通过土壤样本含盐量的最大值和最小值，修正土壤含盐量测量结果。本发明基于盐碱土含盐量对土壤干缩开裂程度的影响，建立开裂样本的纹理特征量与样本含盐量的定量模型，提高测量精度。
【IPC分类】G06F19-00, G01N33-24
【公开号】CN104634943
【申请号】CN201510033130
【发明人】任建华, 赵凯, 李晓洁
【申请人】中国科学院东北地理与农业生态研究所
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月22日