摘要:
針對(duì)當(dāng)前土壤或基質(zhì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)存在精度較低、自動(dòng)化程度較差、檢測(cè)成本較高等問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種低成本的土壤孔隙結(jié)構(gòu)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由自動(dòng)化研磨模塊、斷面圖像采集模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊三部分組成,首先對(duì)土壤或基質(zhì)樣品進(jìn)行連續(xù)地自動(dòng)高精度斷面研磨并獲取具有序列信息的斷面圖像;然后對(duì)斷面圖像進(jìn)行裁剪、增強(qiáng)和分割等處理,最后提取出相關(guān)的孔隙分布信息。試驗(yàn)結(jié)果表明:該自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)采用優(yōu)化的斷面圖像處理方法,能夠基于圖像自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每一個(gè)斷層上大孔隙和有效孔隙的數(shù)量;在樣本斷層厚度和斷層圖像分辨率方面均優(yōu)于CT掃描,分別可以達(dá)到0.05mm和2 400萬(wàn)像素,且使用成本較低。因此,該自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)為土壤孔隙結(jié)構(gòu)研究提供新的技術(shù)手段和裝備支撐。
關(guān)鍵詞:土壤;斷層成像;孔隙檢測(cè);孔隙結(jié)構(gòu);孔隙數(shù)量
中圖分類號(hào):S152.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):2095-5553 (2025) 01-0249-06
Research on automatic detection system for soil pore structure
Yang Xi1, Li Weisong1, Li Zhaoliang1, Cheng Man1, 2, Yuan Hongbo1, 2
(1. "College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University, Baoding, 071001, China;
2. Hebei Technology Innovation Center of Intelligent Agricultural Equipment, Baoding, 071001, China)
Abstract:
Aiming at the problems of low precision, poor automation and high detection cost in the current soil or matrix internal pore structure detection system, an automatic detection system with low-cost soil pore structure is designed. The system,s structure comprises the automatic grinding module, cross-section image acquisition module, and motion control module, which can continuously and automatically grind the soil or substrate samples with high-precision cross-sections and obtain images with sequence information. The pore distribution information can be extracted based on the cross-section image, which is processed by cutting, enhancing, and segmenting. The test results show that the automated detection system designed in this paper automatically calculates the number of macropores and effective pores on each tomography image by an optimized image processing method. The detection system outperforms CT scanning in terms of grinding cross-section thickness and image resolution, which can reach 0.05 mm and 24 million pixels respectively, and has a low usage cost. In addition, the system uses optimized image processing method for cross-sections. It can automatically count the number of macropores and effective pores on each cross-section based on the images. The automatic detection system designed in this paper provides a new technical means and equipment support for soil pore research.
Keywords:
soil; tomography; pore detection; pore structure; pores quantity
0"引言
土壤內(nèi)部顆粒之間、顆粒與團(tuán)聚體之間以及團(tuán)聚體內(nèi)部存在的空隙部分稱為土壤孔隙[1]。土壤孔隙直接影響水分和空氣在土壤內(nèi)部的遷移途徑及方式[2],決定水分及溶質(zhì)的流動(dòng)、滲透和持水能力等水力特性[3, 4];此外,土壤中的物理和生化反應(yīng)也都發(fā)生在孔隙結(jié)構(gòu)中[5]。因此,精確的獲取原狀土壤的孔隙結(jié)構(gòu)是探索土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其理化性質(zhì),研究土壤內(nèi)部水分運(yùn)移機(jī)制和過(guò)程的必要前提。
目前對(duì)于土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的常用方法有連續(xù)切片法[6]、染色示蹤法[7]、CT斷層掃描法[8]等。連續(xù)切片法是土壤孔隙檢測(cè)中的一種傳統(tǒng)方法,一般將土壤樣品用混有熒光有機(jī)染料的樹脂浸漬后,進(jìn)行連續(xù)的切割或研磨;然后對(duì)每一層的斷面進(jìn)行拍攝,最后利用圖像處理技術(shù)對(duì)圖像中土壤斷面的孔隙信息進(jìn)行提取和分析。如李德成等[9, 10]利用此方法對(duì)土壤孔隙三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè),并對(duì)免耕制度下耕作土壤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。連續(xù)切片法中切片/斷面的制備質(zhì)量比較重要,切片越薄則對(duì)原狀土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的還原度也就越高;利用專門的切片和拋光設(shè)備,可以得到厚度較小的切片,配合顯微攝影最終得到質(zhì)量較高的土壤孔隙圖像。如華珊等[11]通過(guò)對(duì)土壤樣本進(jìn)行浸漬、固化、切片和拋光等制成了厚度為0.03mm的土壤切片,然后對(duì)切片進(jìn)行顯微攝影得到數(shù)字圖像,通過(guò)圖像處理檢測(cè)土壤孔隙個(gè)數(shù)及面積等。但是,專用的切片設(shè)備不但價(jià)格較高,對(duì)土壤樣本的體積大小也有限制。染色示蹤法采用染色示蹤劑對(duì)土壤進(jìn)行澆灌,待其滲入土壤后原地制作土壤剖面并拍照,最后對(duì)照片進(jìn)行處理以獲取土壤的孔隙結(jié)構(gòu)[12]。該方法所獲得的圖像分辨率相對(duì)較低,并且在制作土壤剖面時(shí)會(huì)對(duì)原狀土壤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的擾動(dòng),無(wú)法完全還原精細(xì)的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。因此,染色示蹤法常用于對(duì)土壤大孔隙的研究,如薦圣淇[13]、朱夢(mèng)雪[14]等分別利用染色示蹤法檢測(cè)了不同地域和條件下土壤大孔隙的分布情況。CT斷層掃描法是當(dāng)前較為先進(jìn)和有效的土壤孔隙檢測(cè)方法[15],它一般利用X射線對(duì)土壤樣本進(jìn)行斷層掃描,然后利用相應(yīng)的圖像處理方法還原土壤內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)[16, 17]。CT掃描法是一種非破壞性的檢測(cè)方法,可以準(zhǔn)確地獲取土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),在當(dāng)前土壤孔隙研究中應(yīng)用較多。如Feng[18]、Budhathoki[19]等均采用CT掃描法結(jié)合圖像處理對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)和分析。然而,CT掃描設(shè)備價(jià)格昂貴,因此利用該方法對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的成本較高,一般的研究機(jī)構(gòu)或研究人員并不具備相應(yīng)的研究條件。
綜上所述,構(gòu)建低成本、高精度、自動(dòng)化的土壤孔隙三維結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法及系統(tǒng)仍然是當(dāng)前土壤孔隙研究中面臨的難題之一。針對(duì)這一問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)一種土壤孔隙結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng),開(kāi)發(fā)相關(guān)控制程序,實(shí)現(xiàn)利用滑臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)刀頭對(duì)制備的土壤樣本進(jìn)行連續(xù)的研磨和拍照;設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖像處理算法,通過(guò)對(duì)每一個(gè)斷面的圖像進(jìn)行處理來(lái)獲取孔隙結(jié)構(gòu)的分布情況,以期為土壤孔隙檢測(cè)研究提供新的技術(shù)手段和工具。
1"材料及方法
1.1"檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
土壤孔隙結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)由自動(dòng)化研磨模塊、斷面圖像采集模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊三部分組成,其具體的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。自動(dòng)化研磨模塊為龍門架式結(jié)構(gòu),主要包括底盤、夾持結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠線性滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)和帶銑刀的風(fēng)冷無(wú)刷電機(jī)等部件。該模塊的主體框架和底盤均由鋁合金型材搭建而成,其中底盤用來(lái)固定整個(gè)模塊。夾持裝置由平口鉗和弓形橡膠體組成,在保證夾緊土柱的同時(shí)不會(huì)對(duì)土壤樣品造成形變傷害;5組滾珠絲杠線性滑臺(tái)構(gòu)成龍門架結(jié)構(gòu),配合5臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)上滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng);風(fēng)冷無(wú)刷電機(jī)安裝在構(gòu)成龍門架橫梁的滑臺(tái)滑塊上,通過(guò)聯(lián)軸器固定一臺(tái)銑刀;通過(guò)控制5臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)不同的滑臺(tái)在上下、前后和左右方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),最終銑刀在X、Y和Z三個(gè)空間方向運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品的細(xì)致研磨。同時(shí),無(wú)刷電機(jī)的風(fēng)冷系統(tǒng)不僅可以對(duì)電機(jī)降溫,還可以清理研磨過(guò)程中產(chǎn)生的土壤細(xì)屑。
斷面圖像采集模塊主要由相機(jī)和紫外照射燈構(gòu)成,相機(jī)和紫光燈通過(guò)減震平臺(tái)固定在龍門架的橫梁上。相機(jī)和紫光燈可以隨著橫梁上下移動(dòng),這樣可以使相機(jī)和紫光燈與土樣的斷面始終保持高度和角度一致,即始終處于最佳的拍攝狀態(tài)。為減少外界光照條件的影響,在土樣制備過(guò)程的浸漬階段,可以加入熒光劑;熒光劑隨著浸漬液滲入土壤的孔隙中,在紫外光的照射下,孔隙中的熒光劑能夠激發(fā)出藍(lán)紫色的光,便于成像和后續(xù)的圖像處理[10]。因此,在斷面圖像采集模塊中加入紫外照射燈。運(yùn)動(dòng)控制模塊包括控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器兩部分,控制器的核心為STM32單片機(jī),可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、剎車、轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)功能,以及紫外燈的開(kāi)啟和關(guān)閉,相機(jī)的拍照等;電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器相連,可以根據(jù)控制器發(fā)出的控制命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成相應(yīng)的操作。
1.2"檢測(cè)系統(tǒng)工作原理
檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)首先需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,然后進(jìn)行初始化并使銑刀頭進(jìn)入工作位置,最后開(kāi)啟自動(dòng)化斷面研磨和拍攝的過(guò)程,具體工作流程如圖2所示。
系統(tǒng)工作之前首先需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,將制備好的土樣直徑、高度等信息輸入控制器中,控制器可以根據(jù)這些信息控制各絲杠滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍,即刀頭在X、Y和Z軸三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍;此外控制器還可以根據(jù)土樣的幾何參數(shù)設(shè)定研磨刀頭的初始位置。當(dāng)?shù)额^到達(dá)初始位置特別是水平初始位置時(shí),控制器發(fā)出控制命令啟動(dòng)刀頭電機(jī)和Y軸方向的滑臺(tái)電機(jī),使刀頭沿著Y軸方向做直線運(yùn)動(dòng)研磨土樣。當(dāng)?shù)额^到達(dá)其限定的Y軸方向的運(yùn)動(dòng)范圍終點(diǎn)時(shí),控制器會(huì)控制刀頭沿X軸方向平移一個(gè)單位,在Y軸上沿反方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),再次采用直線運(yùn)動(dòng)的方式研磨土樣;當(dāng)?shù)额^沿X軸方向平移到最后一個(gè)位置并完成Y軸方向的土樣研磨后,表明其完成一個(gè)斷面的研磨。
當(dāng)土樣的某個(gè)斷面研磨完畢后刀頭停轉(zhuǎn),然后控制器通過(guò)控制X軸方向的滑臺(tái)電機(jī)將相機(jī)移動(dòng)到土樣的正上方,即拍攝位。此時(shí),紫外燈被開(kāi)啟并照射土樣,然后控制相機(jī)進(jìn)行拍攝,獲取當(dāng)前土樣斷面的圖像。相機(jī)拍攝完畢后,刀頭回到水平初始位置開(kāi)始下一輪循環(huán),直到刀頭在豎直方向上移動(dòng)到其下限位置。此時(shí),土樣被研磨完畢,且每個(gè)斷面均在紫外光的照射下完成了圖像的采集。
1.3"土壤孔隙信息提取方法
利用本系統(tǒng)獲取的土樣斷面圖像中包含有部分背景,在分析土樣斷面中孔隙之前需要對(duì)圖像進(jìn)行處理以便于對(duì)孔隙進(jìn)行提取。圖像處理過(guò)程包括裁剪、增強(qiáng)和分割3個(gè)步驟。
通過(guò)攝像頭獲取的土樣斷面圖像首先需要進(jìn)行裁剪,以去除背景的干擾。由于夾持結(jié)構(gòu)的位置是固定不動(dòng)的,土樣一般為規(guī)則形狀且被放置在加持結(jié)構(gòu)的中心,所以土樣的中心和相機(jī)的位置是相對(duì)固定的,則圖像中背景和土樣斷面的位置是相對(duì)不變的。因此,可以根據(jù)土樣的幾何形狀參數(shù)來(lái)設(shè)定圖像中的固定裁剪區(qū)域,以去除背景。攝像頭在拍攝過(guò)程中,不可避免的會(huì)受到外界因素的干擾從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量受到影響,如紫外光照射不均勻時(shí)會(huì)使圖像灰度過(guò)于集中,模/數(shù)轉(zhuǎn)換與線路傳輸會(huì)使圖像產(chǎn)生噪聲等。為得到更清晰的圖像,需要對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)以改善成像的效果。首先對(duì)裁剪后的圖像進(jìn)行灰度化,然后采用鄰域增強(qiáng)算法來(lái)進(jìn)行圖像的銳化處理,圖像銳化的目的是突出目標(biāo)的邊緣輪廓的,使孔隙的邊緣更加突出,便于后續(xù)進(jìn)行孔隙識(shí)別。
經(jīng)過(guò)裁剪和增強(qiáng),圖像中只剩下優(yōu)化后的土樣斷面,斷面中包括孔隙和非孔隙,還需將孔隙提取出來(lái)才能對(duì)其進(jìn)行分析。圖像分割的目的就是將圖像中的孔隙單獨(dú)分離和提取出來(lái),孔隙的分割采用應(yīng)用較為廣泛的閾值法進(jìn)行處理。為得到合理的閾值,首先將經(jīng)過(guò)上述步驟處理后的圖像灰度化,然后進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì);根據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果,采用雙峰法得到土壤灰度的取值范圍為15~135,孔隙灰度的取值范圍為135~210,因此取閾值為135。根據(jù)得到的孔隙灰度閾值,根據(jù)式(1)將圖像進(jìn)行二值化處理,使孔隙為白色,土壤為黑色。經(jīng)過(guò)上述步驟,最終實(shí)現(xiàn)孔隙的分割和提取。
pixel(i,j)=
1pixel(i,j)≥T
0pixel(i,j)lt;T
(1)
式中:
pixel(i,j)——
灰度圖像中第i行,第j列的像素值;
T——閾值。
如果該像素值≥T,賦值為1,否則被重新賦值為0。
2"試驗(yàn)及結(jié)果
2.1"試驗(yàn)樣本制備
為驗(yàn)證本系統(tǒng)的工作性能,采用椰糠作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。椰糠是椰子殼加工過(guò)程中脫落下的一種純天然材料,具有較強(qiáng)的保水、透氣性能。作為一種替代土壤的栽培基質(zhì),椰糠近年來(lái)在溫室種植中得到廣泛的應(yīng)用。
制作椰糠樣本時(shí),首先從溫室中利用環(huán)刀法采集椰糠樣本,并將其裝入內(nèi)徑為7cm、壁厚為0.2cm、高度為20cm的聚氯乙烯塑料圓筒內(nèi),使椰糠完全充滿整個(gè)圓筒,圓筒底端用直徑10cm濾紙封閉以防其脫落。然后將椰糠樣本放置在通風(fēng)處,待其完全風(fēng)干后從圓筒中心緩慢注入浸漬劑(環(huán)氧樹脂∶固化劑∶稀釋劑=15∶5∶3,混合物∶熒光材料=100∶1)。浸漬劑注入過(guò)程中,保證注入速度小于入滲速度,盡可能使浸漬劑充滿土壤中的孔隙;當(dāng)浸漬劑表面高出土表并基本穩(wěn)定后,停止加入浸漬劑,靜止48h至浸漬劑完全固化。當(dāng)椰糠樣本被完全固化后,即完成樣本的制備,并可以用于樣本斷面圖像的采集。
2.2"樣本斷面圖像采集及處理
樣本被固定在檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行逐層研磨處理,共獲取有效斷面序列圖像約4 000幅。如圖3所示,從圖中可以看出經(jīng)過(guò)紫外光的照射,椰糠基質(zhì)呈現(xiàn)出藍(lán)紫色,孔隙呈現(xiàn)出亮藍(lán)色。因?yàn)榭紫吨幸呀?jīng)充滿浸漬劑,浸漬劑中的熒光材料被紫外光照射后激發(fā)出亮藍(lán)色,表明在浸漬劑中添加熒光材料,可以增加土壤或基質(zhì)與孔隙的對(duì)比度,為后續(xù)的圖像處理提供便利。
圖4為經(jīng)過(guò)裁剪和增強(qiáng)處理后的斷面圖像。圖4(a)為去除背景后的圖像,所有的背景已經(jīng)被完全剪切掉,為后續(xù)處理圖像排除背景干擾。椰糠樣本受制作工藝影響,其邊緣不能準(zhǔn)確反映基質(zhì)內(nèi)部孔隙分布情況,故將樣本斷面圖像向內(nèi)剪切100像素點(diǎn),圖4(b)為裁剪后的圖像,斷面邊緣清晰完整。圖4(c)為灰度化處理后的斷面圖像,此時(shí)圖像已經(jīng)從彩色RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像;圖4(d)為增強(qiáng)后的圖像,從該圖像可以看出,經(jīng)過(guò)銳化處理的增強(qiáng)圖像,與處理前相比,圖像中孔隙輪廓的邊緣更加清晰和明顯。
圖5(a)為在增強(qiáng)后圖像基礎(chǔ)上得到的灰度直方圖,可以看出存在兩個(gè)明顯的波峰,其中一個(gè)波峰表示椰糠的灰度,另一個(gè)波峰表示孔隙的灰度,而且椰糠和孔隙灰度的分界閾值大致為135,與前期試驗(yàn)結(jié)果一致。因此,采用135作為圖像二值化的閾值是合理的。圖5(b)為圖像二值化之后的結(jié)果,可以看出孔隙部分已經(jīng)完全被分割出來(lái)。
2.3"土壤孔隙結(jié)構(gòu)分析
利用處理完畢的斷面圖像可以方便得出每一層椰糠基質(zhì)的孔隙所占面積百分比,以及樣本內(nèi)在豎直方向上孔隙數(shù)量的變化情況。隨機(jī)選取整個(gè)椰糠樣本的1/5斷面序列圖像進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析,所選取的圖像位于椰糠樣本的81~120mm高度,圖6為不同斷面層上椰糠基質(zhì)孔隙所占面積百分比。從圖6可以看出,椰糠樣本斷面中孔隙占每個(gè)樣本斷面的總面積比例在30%~90%,大部分?jǐn)嗝嬷锌紫墩急仍?0%~80%;這一結(jié)果與椰糠基質(zhì)的特性一致,即椰糠具有良好的透氣性,可以為根系的生長(zhǎng)提供較好的氧氣供應(yīng)。
此外,還可以根據(jù)斷面圖像分析處樣本內(nèi)不同大小孔隙的分布。土壤或基質(zhì)內(nèi)孔徑范圍為0.2~500μm的毛管孔隙具有儲(chǔ)水功能,被稱為有效孔隙,孔徑大于500μm孔隙的孔隙稱為大孔隙。流經(jīng)大孔隙的水以較快速度流出基質(zhì);流經(jīng)有效孔隙的水以較慢的下滲速度浸潤(rùn)基質(zhì),使水分停留在基質(zhì)內(nèi)部,因此基于有效孔隙可以分析土壤或基質(zhì)的持水能力?;跀嗝鎴D像可以統(tǒng)計(jì)出土壤內(nèi)部不同孔徑的孔隙分布情況,圖7為每個(gè)斷層內(nèi)有效孔隙和大孔隙的數(shù)量分布。從圖7(a)可以看出,椰糠樣本的斷面中有效孔隙數(shù)量集中在5 000~20 000個(gè),水分主要存儲(chǔ)在這些孔隙內(nèi);從圖7(b)可以看出,椰糠樣本斷面內(nèi)大孔隙數(shù)量集中在100~200個(gè),與有效孔隙數(shù)量相比大孔隙數(shù)量相對(duì)較少。根據(jù)圖7的結(jié)果可知,椰糠基質(zhì)另一個(gè)特性,即具有良好的保水性。椰糠樣本各斷面孔隙分布結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果與椰糠基質(zhì)物理特性一致,證明土壤孔隙檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ν寥罉颖緝?nèi)的孔隙特性進(jìn)行量化分析,對(duì)于土壤理化特性研究具有很好的工具作用。
2.4"系統(tǒng)工作精度分析
土壤孔隙分析系統(tǒng)的性能受土壤斷面成像精度和土壤斷面厚度兩個(gè)關(guān)鍵因素的影響。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查可知[1, 20],當(dāng)前用于土壤孔隙研究的CT掃描成像系統(tǒng)中斷面圖像的像素一般在40萬(wàn)~50萬(wàn),斷面厚度一般在0.6mm以上。而現(xiàn)在攝像頭或相機(jī)像素普遍超過(guò)50萬(wàn),500萬(wàn)像素以上的攝像頭或相機(jī)價(jià)格也相對(duì)較低,本系統(tǒng)選用相機(jī)型號(hào)為索尼A6000,其像素達(dá)到2 400萬(wàn),因此在土壤斷面成像精度方面已超過(guò)CT掃描系統(tǒng)。為使斷面厚度盡可能小,本系統(tǒng)使用的絲杠滑臺(tái)中絲杠導(dǎo)程為10mm,滑臺(tái)電機(jī)步距角為1.8°,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最大細(xì)分?jǐn)?shù)為128。根據(jù)式(2)可計(jì)算出系統(tǒng)在Z軸方向上最小移動(dòng)距離為0.000 4mm,考慮到滑臺(tái)的設(shè)計(jì)精度和實(shí)際運(yùn)行中的誤差,在Z軸方向上每次向下移動(dòng)的距離,即斷面厚度設(shè)置為0.05mm,遠(yuǎn)小于CT掃描成像系統(tǒng)的0.6mm斷面厚度。由此可以得出本系統(tǒng)在土壤斷面成像精度和土壤斷面厚度精度上均超過(guò)CT掃描。
l=·s360·n
(2)
式中:
l——
Z軸方向最小移動(dòng)距離,即土壤斷面的厚度;
——
Z軸方向滑臺(tái)電機(jī)的步距角;
s——該滑臺(tái)中絲杠的導(dǎo)程;
n——該滑臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)。
針對(duì)樣本斷面采用的圖像處理方法屬于經(jīng)典的方法,且這些方法在CT圖像處理中也得到廣泛的應(yīng)用。雖然圖像處理方法相同,但是本系統(tǒng)能夠得到質(zhì)量更好的原始圖像數(shù)據(jù),因此能夠取得更精確的分析結(jié)果。
3"結(jié)論
設(shè)計(jì)一種適用于各類土壤和栽培基質(zhì)的孔隙檢測(cè)系統(tǒng),并進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。
1) "本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤或基質(zhì)內(nèi)部孔隙信息的自動(dòng)化采集,通過(guò)輸入樣本的幾何尺寸數(shù)據(jù)即可全自動(dòng)的執(zhí)行逐層研磨和拍照全過(guò)程。
2) "與當(dāng)前較為先進(jìn)的CT掃描法相比,本系統(tǒng)大大降低土壤孔隙分析的成本,且在斷層厚度和成像清晰度方面均優(yōu)于CT掃描法,分別可以達(dá)到0.05mm和2 400萬(wàn)像素;此外,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,便于移動(dòng)。
3) "采用優(yōu)化的斷面圖像處理方法,能夠根據(jù)圖像自動(dòng)化的統(tǒng)計(jì)得出每一個(gè)斷層上大孔隙和有效孔隙數(shù)量。
4) 本文設(shè)計(jì)的土壤孔隙檢測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)橥寥揽紫堆芯刻峁┬碌募夹g(shù)手段和裝備支撐。
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中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2025年1期