土壤裂紋參數(shù)在線測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、誤差大及提取參數(shù)單一的問(wèn)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(wú)損的在線測(cè)量。
【專利說(shuō)明】土壤裂紋參數(shù)在線測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，尤其涉及野外土壤裂紋照片的標(biāo)準(zhǔn)在線測(cè)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(kāi)裂現(xiàn)象非常普遍，尤其是近年來(lái)隨著全球氣候變暖、城市熱島效應(yīng)加劇及長(zhǎng)期干旱的背景下，土壤開(kāi)裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重。土壤干縮開(kāi)裂是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(wèn)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(guò)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(cè)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(chǎng)測(cè)量還是以手工測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、誤差大及提取參數(shù)單一的問(wèn)題?，F(xiàn)提供土壤裂紋參數(shù)在線測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)土壤裂紋區(qū)域位于所述取樣框內(nèi)，通過(guò)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(cè)量被測(cè)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)照片的影響減到最小；
[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(zhǎng)，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(kāi)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(cè)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?，環(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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)土壤裂紋區(qū)域位于所述取樣框(6)內(nèi)，通過(guò)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(cè)量被測(cè)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(zhǎng)，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(kāi)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(cè)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(guò)程為: 白平衡處理是利用相機(jī)的白平衡捕獲功能測(cè)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(guò)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(cè)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(guò)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(guó)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(guò)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(cè)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(kāi)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(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所