一種重構(gòu)土壤ct圖片三維重建及土壤孔隙搜索方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維圖形生成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種重構(gòu)土壤CT圖片三維重建及 土壤孔隙搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中國(guó)是全世界最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，近年來，我國(guó)露天礦煤炭產(chǎn)量已經(jīng)從 4%提升到了 30%。露天煤礦大多分布在黃土高原等生態(tài)脆弱區(qū)，該地區(qū)自然條件嚴(yán)酷，土 壤貧瘠，植被稀疏，水資源極度匱乏，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是典型的干旱、半干旱地區(qū)。而露 天煤炭的開采破壞了地表植被，加劇了土壤流失和退化，損毀了礦區(qū)的生態(tài)景觀，給生態(tài)系 統(tǒng)帶來很大的威脅，嚴(yán)重制約著礦區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。有關(guān)部門預(yù)測(cè)到2020年，中國(guó)露天 開采煤損毀土地〇. 22hm2/t，隨著露天煤礦的建設(shè)和發(fā)展，對(duì)礦區(qū)土地資源和生態(tài)環(huán)境的破 壞日趨嚴(yán)重。因此，做好黃土高原礦區(qū)的復(fù)墾工作具有重要意義。露天煤礦導(dǎo)致的廢棄地 多為排土場(chǎng)，因而必須做好該地區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)土地的復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)工作，以恢復(fù)礦 區(qū)的生態(tài)景觀、減緩?fù)寥懒魇Ш屯嘶?，促進(jìn)礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
[0003] 露天煤礦排土場(chǎng)土地復(fù)墾包括地貌重塑、土壤重構(gòu)和植被重建。其中土壤重構(gòu)是 礦區(qū)土地復(fù)墾的基礎(chǔ)階段，也是復(fù)墾的重點(diǎn)和核心。復(fù)墾后的土壤質(zhì)量直接關(guān)系到復(fù)墾的 生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益，構(gòu)造一個(gè)最優(yōu)的土壤物理、化學(xué)和生物條件是土地復(fù)墾中最基本的也是最 重要的要求。其中土壤孔隙的大小、數(shù)目、形狀、空間分布、連通狀況、孔隙度等也反映著重 構(gòu)土壤的質(zhì)量狀況，其對(duì)水分溶質(zhì)的運(yùn)移、滲透，土壤肥力等都有很大的影響。
[0004] 而礦區(qū)排土場(chǎng)經(jīng)過大型機(jī)械的碾壓，土壤顆粒重新排列，土壤緊實(shí)度增大，致使土 壤孔隙度減小、充氣孔隙的數(shù)量減小，從而改變了土壤的三相比，直接影響土壤的物理化學(xué) 性質(zhì)、通氣及水分運(yùn)移狀況等，進(jìn)而影響到礦區(qū)土地復(fù)墾的效果。因此，對(duì)礦區(qū)排土場(chǎng)土壤 孔隙的研宄具有重要意義，不僅能夠預(yù)測(cè)土壤的水力學(xué)性質(zhì)，還能夠指導(dǎo)復(fù)墾選擇合適的 植被恢復(fù)措施。但是土壤孔隙具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的土壤孔隙研宄方法局限于二維平面， 不能直觀準(zhǔn)確的反映土壤孔隙狀況，且多用的是土壤切片法，利用無損且精度較高的CT掃 描技術(shù)的較少，因此結(jié)合CT掃描技術(shù)，對(duì)重構(gòu)土壤孔隙的三維立體及定量研宄是一項(xiàng)亟需 突破的新技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)土 壤的三維立體圖，直觀觀察孔隙的空間形態(tài)分布及連通性，搜索土壤孔隙團(tuán)的個(gè)數(shù)及體積 大小，可為排土場(chǎng)土壤重構(gòu)方法及植被恢復(fù)措施的選擇提供依據(jù)，為土地復(fù)墾提供指導(dǎo)，提 高礦區(qū)土地復(fù)墾的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的重構(gòu)土壤CT圖片三維重建及土壤孔隙搜索方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種重構(gòu)土壤CT圖片三維重建及土 壤孔隙搜索方法，包括如下步驟：
[0007] (1) 土壤CT掃描：選取測(cè)試地土壤進(jìn)行CT掃描，得到多張連續(xù)的多維度CT掃描 圖片；
[0008] ⑵構(gòu)建三維重建圖：將步驟⑴得到的CT圖片中選取連續(xù)的CT掃描圖19~25 張，輸入圖像處理平臺(tái)，把CT圖片作為采樣數(shù)據(jù)，選取每張圖片相同位置，根據(jù)等時(shí)間間隔 對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，構(gòu)建出三維重建圖；
[0009] (3)重構(gòu)土壤孔隙三維立體圖：對(duì)由步驟（2)構(gòu)建出的三維重建圖進(jìn)行二值化處 理；在二值化處理后的三位重建圖中提取孔隙單元并進(jìn)行重繪，得到重構(gòu)土壤孔隙三維立 體圖；
[0010] (4)搜索土壤孔隙團(tuán)：在步驟（3)得到的重構(gòu)土壤孔隙三維立體圖上搜索土壤孔 隙團(tuán)的個(gè)數(shù)和體積的大小，并計(jì)算土壤孔隙度，所述土壤孔隙度是指土壤孔隙團(tuán)的體積與 重建土樣總體積之比。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)土壤的三維立體圖，直觀觀察孔隙的 空間形態(tài)分布及連通性，搜索土壤孔隙團(tuán)的個(gè)數(shù)及體積大小，可為排土場(chǎng)土壤重構(gòu)方法及 植被恢復(fù)措施的選擇提供依據(jù)，為土地復(fù)墾提供指導(dǎo)，提高礦區(qū)土地復(fù)墾的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 本發(fā)明能夠完成土壤孔隙的三維重建，直觀觀察土壤孔隙的三維分布及連通性，為重構(gòu)土 壤孔隙的定量研宄提供了新的技術(shù)方法。
[0012] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0013] 優(yōu)選的，步驟（2)中的所述圖像處理平臺(tái)為matlab平臺(tái)。
[0014] 采用上述優(yōu)選方案的有益效果是matlab具有比較強(qiáng)大的圖形處理和矩陣運(yùn)算庫 而且成圖方便、又是解釋性編程平臺(tái)，所以在程序的編寫和調(diào)試上更加方便，可以即時(shí)性的 查看運(yùn)算結(jié)果，這樣可以讓研宄者專注于結(jié)果分析上而省去了其他編譯性語言的編譯和調(diào) 試工作。
[0015] 優(yōu)選的，步驟（2)中的所述插值處理過程調(diào)用了matlab中已有的interpolation 函數(shù)。
[0016] 采用上述優(yōu)選方案的有益效果是由于CT掃描圖像讀取到matlab工區(qū)內(nèi)之后是以 一個(gè)二維矩陣的形式存儲(chǔ)的，其中矩陣下標(biāo)代表這個(gè)像素點(diǎn)在這幅圖像中的坐標(biāo)，矩陣的 元素值代表這個(gè)像素的灰度值（利用圖像處理方法將CT圖像RGB形式轉(zhuǎn)換成了灰度圖）。 CT掃描圖是按照等時(shí)間間隔對(duì)樣品的切片進(jìn)行CT掃描得到的，所以在構(gòu)建三維重建圖的 過程就是把掃描得到的圖片作為采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間間隔對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，這樣就構(gòu) 建出了三維重建圖。所以三維重建圖的構(gòu)建過程是一個(gè)插值的過程，可以選用頻率域插值， 線性插值，反距離插值等不同的方法。實(shí)踐中所述插值處理過程調(diào)用了matlab中已有的 interpolation函數(shù)。
[0017] 優(yōu)選的，步驟（3)中的二值化處理步驟為：
[0018]S101選定二值化閾值，對(duì)由步驟（2)構(gòu)建出的三維重建圖進(jìn)行二值化處理，得到 的數(shù)值大于這個(gè)閾值的取1，小于這個(gè)閾值的取〇 ;
[0019]S102設(shè)定步驟S101中獲得的0和1分別對(duì)應(yīng)黑和白，如果按照256灰度級(jí)計(jì)算的 話就是0和255 ;這里用一個(gè)邊長(zhǎng)為一個(gè)像素大小的小立方體單元來模擬該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 的孔隙單元，土壤中的孔隙團(tuán)就是指相互連通的孔隙單元；
[0020]S103設(shè)定背景對(duì)應(yīng)的數(shù)值是1，孔隙團(tuán)對(duì)應(yīng)的數(shù)值是0,則孔隙團(tuán)即為0的連通域， 這樣二值化處理后的三維重建圖的元素的值就是〇或者1。
[0021] 采用上述優(yōu)選方案的有益效果是圖像的二值化的基本原理：圖像的二值化處理就 是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255,也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。即將256 個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的 二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，特別是在實(shí)用的圖像處 理中，以二值圖像處理實(shí)現(xiàn)而構(gòu)成的系統(tǒng)是很多的，要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要 把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣子有利于在對(duì)圖像做進(jìn)一步處理時(shí)，圖像的集合 性質(zhì)只與像素值為〇或255的點(diǎn)的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級(jí)值，使處理變得簡(jiǎn)單，而 且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小。為了得到理想的二值圖像，一般采用封閉、連通的邊界定義不 交疊的區(qū)域。所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為屬于特定物體，其灰度值為255表 示，否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0,表示背景或者例外的物體區(qū)域。如 果某特定物體在內(nèi)部有均勻一致的灰度值，并且其處在一個(gè)具有其他等級(jí)灰度值的均勻背 景下，使用閾值法就可以得到比較的分割效果。如果物體同背景的差別表現(xiàn)不在灰度值上 (比如紋理不同），可以將這個(gè)差別特征轉(zhuǎn)換為灰度的差別，然后利用閾值選取技術(shù)來分割 該圖像。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化可動(dòng)態(tài)觀察其分割圖像的具體結(jié)果；
[0022] 將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整 體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，首先，圖 像的二值化有利于圖像的進(jìn)一步處理，使圖像變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)量減小，能凸顯出感興趣 的目標(biāo)的輪廓。其次，要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值 化圖像。
[0023] 優(yōu)選的，步驟（4)中的搜索孔隙團(tuán)的步驟為：
[0024]S201對(duì)重構(gòu)土壤孔隙三維立體圖中所有像素點(diǎn)進(jìn)行搜索，已知孔隙團(tuán)即為0的連 通域，假如搜索的像素點(diǎn)的值是