一种土体生物活性演变实时监测的图像识别装置及方法

文档序号:10722371
一种土体生物活性演变实时监测的图像识别装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种土体生物活性演变实时监测的图像识别装置及方法,装置计算机、信号传输导线、摄像机构、照明机构、螺旋钻头、第一套筒、第二套筒、滚珠、电源、遥控开关、马达、第三套筒;第二套筒固定套设在第一套筒上,第二套筒的内壁表面凹槽内嵌有若干摄像机构、照明机构,均通过信号传输导线与计算机连接通信;第三套筒通过滚珠可水平旋转地套设在第二套筒上;电源、遥控开关、马达串联连接,电源、遥控开关、马达均设置第三套筒内壁上,用于驱动第三套筒旋转;第三套筒的下部固定安装有螺旋钻头,钻头工作时,带动第三套筒一起旋转钻入土体。本发明能直接进行现场土样微观视频评估,提高测试精度。
【专利说明】
一种土体生物活性演变实时监测的图像识别装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于土体性能监测技术领域,具体涉及一种土体生物活性演变的微距微观 视频图像实时在线评估装置及方法。
【背景技术】
[0002] 土体中除含固体颗粒、液体与气体以外,还存在细菌、真菌等微生物。微生物的分 泌物主要为多糖,一方面它具有较大的比表面积,可直接吸附在土颗粒表面,形成不溶于水 的有机胶膜,并通过胶膜将土颗粒胶结在一起;另一方面它含有大量的功能团,这些功能团 有很强的离子交换性,与土体中的离子发生物理化学反应,形成一种胶凝物质,将分散的土 颗粒胶结在一起。由此可以看出微生物的分泌物对土体的物理力学性能起着重要的作用。 当土体被污染后,微生物将会大量死亡,其分泌物的量同时大量减少,这将导致土体中微生 物的活性大幅下降,并且改变土体的物理力学性能。
[0003] 微生物改善土体性能的机理主要是通过微生物的分泌物来改变土体的微观结构。 目前主要利用电子显微镜扫描观察微生物对土体颗粒结构特征的改变,并利用X射线衍射 分析微生物分泌在土体中的物质。但是这些方法需将待检测的土样从现场运回实验室进行 测试,土样在运输的过程中,土的性质会发生变化,这将导致最后的测试结果不准确。

【发明内容】

[0004] 为了解决上述技术问题,本发明公开了一种土体生物活性演变的微距微观视频图 像实时在线评估装置及方法。
[0005] 本发明的装置所采用的技术方案是:一种土体生物活性演变实时监测的图像识别 装置,其特征在于:包括计算机、信号传输导线、摄像机构、照明机构、螺旋钻头、第一套筒、 第二套筒、滚珠、电源、遥控开关、马达、第三套筒;所述第一套筒为中空透明硬管,所述第二 套筒、第三套筒均采用PVC硬管;所述第二套筒固定套设在所述第一套筒上,第二套筒的内 壁表面凹槽内嵌有若干摄像机构、照明机构;所述摄像机构、照明机构均通过所述信号传输 导线与所述计算机连接通信;
[0006] 所述第三套筒通过滚珠可水平旋转地套设在第二套筒上;所述电源、遥控开关、马 达串联连接,所述电源、遥控开关、马达均设置所述第三套筒内壁上,用于驱动所述第三套 筒旋转;所述第三套筒的下部固定安装有螺旋钻头,钻头工作时,带动第三套筒一起旋转钻 入土体。
[0007] 作为优选,所述第一套筒和第三套筒之间设置有挡板,所述螺旋钻头钻出的土,随 着螺纹一直到达螺旋钻头的上部,在所述挡板的作用下,土体进入所述的第一套筒中空部 分,最终将从第一套筒上部排出。
[0008] 作为优选,所述照明机构为LED白光灯。
[0009] 作为优选,所述摄像机构为电子显微镜。
[0010] 本发明的方法所采用的技术方案是:一种土体生物活性演变实时监测的图像识别 方法,其特征在于,包括以下步骤:
[0011]步骤1:对土体中发生的不同凝聚状态微距微观图像进行采集,同时实时记录土体 温度;然后,将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像,建立微距微观视频 灰度图像数据库;
[0012] 步骤2:二值化微距微观视频灰度图像,然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理,得 到流体中晶体核的轮廓;
[0013] 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数,并且建立该形态学参数与温度的 对应关系;
[0014] 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系,根据事先设置的凝聚 态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值;
[0015] 步骤5:在对流体中的凝聚状态进行监测的过程中,当监测的温度与温度阈值相差 大于预设值时,采集此时的凝聚状态图像;
[0016] 步骤6:输入待监测土体中的凝聚状态的原始真彩微距微观视频图像,经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数,然后,将其与形态学参数临界值比较,如果大于阈值,立即 采取有效措施,从而及时建立实时预警机制。
[0017] 作为优选,步骤1中是利用电子显微镜,在自设光源条件下,对土体中凝聚过程进 行拍摄成像。
[0018] 作为优选,步骤3中所述晶体核形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比 to
[0019] 作为优选,步骤3中所述晶体核形态学参数与温度T(°C)的定量关系为:
[0022] 其中也,1?,1?和1^4均为常数。
[0023] 作为优选,步骤4中所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为:
[0024] c = k5Jrr2/1 ;
[0025] 其中:k5均为常数。
[0026]本发明的优点是:
[0027] 1,土体周边生态环境改变,尤其土体中微生物大量死亡是生态发生巨变的特征; 相应的土体中微生物分泌物大量减少,将导致土颗粒状态变化,特别是土颗粒凝聚态演变 的停滞,土体生物活性降低,土体的物理、化学性能都随之改变。通过设置土体中微生物分 泌物与土颗粒的凝聚状态结构阈值来确保土体生物活性的相对稳定,以及土体稳定的物理 和化学性能,并以此建立土体丧失生物活性和稳定生态环境的预警机制;
[0028] 2,该装置深入到土体内部,对土体中微生物分泌物与土颗粒的凝聚状态进行实时 长期监测,进行土体生物活性演变评估。这种方法不需要经过现场土体扰动采样到实验室 测试的过程,而是直接进行现场土样微观视频评估,提高测试精度;
[0029] 3,可实现大范围的实时快速土样的微观摄像-实时在线微距微观视频图像分析。 可以对某一地区的土体进行长期连续实时在线监测,得到该地区土体中微生物分泌物与土 颗粒的凝聚状态的演变规律,从而对该区域土体生物活性和生态演变状况进行实时评估。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例的装置结构图;
[0031] 图2为本发明实施例的装置剖视图;
[0032]图3为图1中虚线框内的详图;
[0033]图4为本发明实施例的装置A-A横截面图;
[0034] 图5为本发明实施例的装置B-B横截面图;
[0035] 图中,1为计算机、2为信号传输导线、3为摄像机构、4为照明机构、5为螺旋钻头、6 为第一套筒、7为第二套筒、8为滚珠、9为电源、10为遥控开关、11为马达、12为挡板、13为第 三套筒、14为第二套筒与第三套筒之间的间隙。
【具体实施方式】
[0036] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发 明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不 用于限定本发明。
[0037]请见图1、图2、图3、图4和图5,本发明提供的一种土体生物活性演变实时监测的图 像识别装置,包括计算机1、信号传输导线2、电子显微镜3、LED白光灯4、螺旋钻头5、第一套 筒6、第二套筒7、滚珠8、电源9、遥控开关10、马达11、挡板12、第三套筒13;第一套筒6为中空 透明硬管,第二套筒7、第三套筒13均采用PVC硬管;第二套筒7固定套设在第一套筒6上,第 二套筒7的内壁表面凹槽内嵌有若干电子显微镜3、LED白光灯4;电子显微镜3、LED白光灯4 均通过信号传输导线2与计算机1连接通信;第二套筒7、第三套筒13之间有间隙14,第三套 筒13通过滚珠可水平旋转地套设在第二套筒7上;电源9、遥控开关10、马达11串联连接,电 源9、遥控开关10、马达11均设置第三套筒13内壁上,用于驱动第三套筒13旋转;第三套筒13 的下部固定安装有螺旋钻头5,钻头工作时,带动第三套筒13-起旋转钻入土体;第一套筒6 和第三套筒13之间设置有挡板12,螺旋钻头5钻出的土,随着螺纹一直到达螺旋钻头5的上 部,在挡板12的作用下,土体进入的第一套筒6中空部分,最终将从第一套筒6上部排出。 [0038]本实施例的计算机1用于控制图像的采集、传输和LED灯光的强弱;计算机1上安装 有信号发射器,可以控制遥控开关10开或关。计算机上1装有微距微观视频图像识别分析系 统,能现场实时在线迅速获取原始微距微观视频图像数据并及时处理,得到评估结论。 [0039]本发明提供的一种土体生物活性演变实时监测的图像识别方法,包括以下步骤:
[0040] 步骤1:在自设光源条件下,利用微距微观视频图像采集设备对土体中的整个凝聚 过程进行监测,即对土体中发生的不同凝聚状态进行拍摄成像,同时记录温度。然后,将原 始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像,建立微距微观视频灰度图像数据 库;
[0041] 步骤2 :二值化微距微观视频灰度图像,然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理,得 到土体中晶体核的轮廓;
[0042] 本实施例在二值化过程中将流体中的凝聚态的晶体核和其他物质各视为一种物 质,再进行其后的操作;桥接和去杂处理是通过开操作和闭操作去除凝聚态图像中孤立的 噪声点,同时保留图像中本来的细节结构;细化处理是将图像中晶体核的轮廓变成单像素 厚度组成的细线,骨化处理是保留图像中心线的细化。
[0043] 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数,并且建立该形态学参数与温度的 对应关系;
[0044] 所述晶体核的形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t;所述晶体核的 形态学参数与温度T(°C)的对应关系为:
[0047] 其中也,1?,1?和1^4均为常数;
[0048] 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系,根据事先设置的凝聚 态浓度阈值反推出晶体核的形态学参数临界值和温度阈值;
[0049] 所述凝聚态浓度c与晶体核的形态学参数的定量关系为:
[0050] c = k5Jrr2/1
[0051] 其中:1?为常数;
[0052]假设凝聚态浓度阈值为cq时,晶体核的形态学参数临界值ro和to,温度阈值为To。
[0053] 将步骤3中的两个公式代入步骤4中的公式可得:
[0055]解得温度阈值为
[0057]故晶体核的形态学参数临界值ro和to为
[0060]步骤5:在对土体中的凝聚状态进行监测的过程中,当监测的温度与温度阈值相差 大于预设值时,利用微距微观视频图像采集设备对其进行拍摄成像;
[0061] 步骤6:输入待监测土体中的凝聚状态的原始真彩微距微观视频图像,经过步骤1-3处理得到晶体核的形态学参数,然后,将其与形态学参数临界值比较,如果大于阈值,立即 采取有效措施,从而建立实时预警机制。
[0062] 尽管本说明书较多地使用了计算机1、信号传输导线2、防水镜头3、LED白光灯4、螺 旋钻头5、第一套筒6、第二套筒7、滚珠8、电源9、遥控开关10、马达11、挡板12、第三套筒13、 第二套筒与第三套筒之间的间隙14等术语,但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些 术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质,把它们解释成任何一种附加的限制都是与本 发明精神相违背的。
[0063] 应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0064] 应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本 发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权 利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发 明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种±体生物活性演变实时监测的图像识别装置,其特征在于:包括计算机(1)、信 号传输导线(2)、摄像机构(3)、照明机构(4)、螺旋钻头(5)、第一套筒(6)、第二套筒(7)、滚 珠(8)、电源(9)、遥控开关(10)、马达(11)、第Ξ套筒(13); 所述第一套筒(6)为中空透明硬管,所述第二套筒(7)、第Ξ套筒(13)均采用PVC硬管; 所述第二套筒(7)固定套设在所述第一套筒(6)上,第二套筒(7)的内壁表面凹槽内嵌有若 干摄像机构(3 )、照明机构(4);所述摄像机构(3 )、照明机构(4)均通过所述信号传输导线 (2)与所述计算机(1)连接通信; 所述第Ξ套筒(13)通过滚珠(8)可水平旋转地套设在第二套筒(7)上;所述电源(9)、遥 控开关(10)、马达(11)串联连接,所述电源(9)、遥控开关(10)、马达(11)均设置所述第Ξ套 筒(13)内壁上,用于驱动所述第Ξ套筒(13)旋转;所述第Ξ套筒(13)的下部固定安装有螺 旋钻头(5 ),钻头工作时,带动第Ξ套筒(13) -起旋转钻入±体。2. 根据权利要求1所述的±体生物活性演变实时监测的图像识别装置,其特征在于:所 述第一套筒(6)和第Ξ套筒(13)之间设置有挡板(12),所述螺旋钻头(5)钻出的±,随着螺 纹一直到达螺旋钻头(5)的上部,在所述挡板(12)的作用下,±体进入所述的第一套筒(6) 中空部分,最终将从第一套筒(6)上部排出。3. 根据权利要求1所述的±体生物活性演变实时监测的图像识别装置,其特征在于:所 述照明机构(4)为L邸白光灯。4. 根据权利要求1所述的±体生物活性演变实时监测的图像识别装置,其特征在于:所 述摄像机构(3)为电子显微镜。5. -种±体生物活性演变实时监测的图像识别方法,其特征在于,包括W下步骤: 步骤1:对±体中发生的不同凝聚状态微距微观图像进行采集,同时实时记录±体溫 度;然后,将原始真彩微距微观视频图像转成微距微观视频灰度图像,建立微距微观视频灰 度图像数据库; 步骤2:二值化微距微观视频灰度图像,然后进行桥接、去杂、细化和骨化处理,得到流 体中晶体核的轮廓; 步骤3:根据晶体核的轮廓确定它的形态学参数,并且建立该形态学参数与溫度的对应 关系; 步骤4:建立晶体核的形态学参数与凝聚态浓度的定量关系,根据事先设置的凝聚态浓 度阔值反推出晶体核的形态学参数临界值和溫度阔值; 步骤5:在对流体中的凝聚状态进行监测的过程中,当监测的溫度与溫度阔值相差大于 预设值时,采集此时的凝聚状态图像; 步骤6:输入待监测±体中的凝聚状态的原始真彩微距微观视频图像,经过步骤1-3处 理得到晶体核的形态学参数,然后,将其与形态学参数临界值比较,如果大于阔值,立即采 取有效措施,从而及时建立实时预警机制。6. 根据权利要求5所述的±体生物活性演变实时监测的图像识别方法,其特征在于:步 骤1中是利用电子显微镜,在自设光源条件下,对±体中凝聚过程进行拍摄成像。7. 根据权利要求5所述的流体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法,其特征在 于:步骤3中所述晶体核形态学参数包括长度a、宽度b、等效半径r和长宽比t。8. 根据权利要求7所述的流体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法,其特征在 于:步骤3中所述晶体核形态学参数与溫度T(°C)的定量关系为:其中:kl,k2,k3和k期为常数。9.根据权利要求7所述的流体中凝聚态结构演变实时监测的图像识别方法,其特征在 于:步骤4中所述凝聚态浓度C与晶体核的形态学参数的定量关系为: c = k53irVt; 其中:ks均为常数。
【文档编号】G01N21/84GK106093047SQ201610588975
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610588975.X, CN 106093047 A, CN 106093047A, CN 201610588975, CN-A-106093047, CN106093047 A, CN106093047A, CN201610588975, CN201610588975.X
【发明人】王若林, 朱道佩, 李 杰, 桑农
【申请人】武汉大学
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