利用盐碱土裂纹长度实现电导率在线测量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种苏打型盐碱土电导率的在线测量方法，主要涉及根据实测的不同 苏打盐碱土样本电导率与其裂纹长度的定量关系建立电导率的反演模型，实现自然条件下 苏打盐碱土电导率的无损在线测量。
【背景技术】
[0002] 在干旱和半干旱地区，土壤盐碱化及土壤次生盐碱化是一种非常严重的土地退化 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。已有研宄表明地球表面将近7%的面积已经受到土壤盐碱化和次生盐碱化的 影响，而且其面积还随着人类活动的破坏逐年增加。因此，快速准确的确定盐碱化土壤面 积，测量土壤含盐量水平就显得尤为迫切和重要。
[0003] 土壤电导率是指土壤溶液传导电流的能力，是以数字形式来表示土壤溶液的导电 能力，它同时也是间接推测土壤溶液中各种离子成分总浓度的指标，土壤溶液中各种溶解 盐类是以离子状态存在的，他们都具有导电能力。土壤溶液中溶解的盐类越多，盐离子也越 多，其导电能力也就越大，因此可以通过测量土壤溶液的电导率，然后根据电导率与含盐量 的回归方程来间接测量土壤溶液中溶解的盐分含量。目前国内外应用于土壤含盐量快速测 量的方法很多都是通过对电导率的测量间接实现的，主要分为接触式和非接触式两种。
[0004] 传统的土壤电导率测量方法分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量主要利 用电极式传感器测量土壤电导率，应用最广泛的是二极法和四极法，但这些方法需要挖坑 或打孔将电极或盐分传感器埋入不同深度的土层中，操作过程费时费力，要求仪器探头与 土壤接触良好，因此很容易引起操作误差。EM-38是电导率非接触在线测量最具代表性的仪 器，它是基于电磁感应的原理，通过测量原生磁场和诱导出的次生磁场的相对关系来快速 获取土壤电导率，建立土壤电导率与土壤盐渍化程度之间的定量关系实现对土壤盐分含量 的在线快速测量，被广泛的用于土壤质地的测量、土壤盐碱化程度及分布的调查等领域。然 而，在实际应用中，EM-38造价也比较昂贵，而且仪器敏感度较高，其测量结果往往容易受 到土壤水分、质地、空气温度、土壤温度等土壤物理特性及外界测量环境的影响。此外，EM38 反映的是土壤剖面内一定深度的土壤剖面总体含盐量状况，而对于常用的0-20cm的土壤 表层含盐量状况敏感性较差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有测土壤电导率测量方法操作过程费时费力且误差 较大的技术问题，提供了一种利用盐碱土裂纹长度实现电导率在线测量的方法。
[0006] 利用盐碱土裂纹长度实现电导率在线测量的方法如下：
[0007] -、建立土壤电导率反演模型：
[0008] 在整个含盐量区间均匀选择不同盐分含量的土壤样本，对所有的土壤样本进行风 干、研磨并过2mm孔径的筛子，然后将过筛后的土壤样本平均分为两部分，一部分土壤样本 用于进行干缩开裂实验，另一部分土壤样本用于土壤电导率的实验室测量；
[0009] 1、土壤开裂实验：
[0010] 将用于进行干缩开裂实验的土壤样本配制成相同含水量的泥浆并分别倒入长50 厘米、宽50厘米、高3厘米的样本盒中，自然干燥至质量不再减少时，土壤样品的干燥过程 结束，得开裂后的土壤样品；
[0011] 将数码相机安装在一个固定的实验平台上，数码相机镜头垂直向下，距离地面高 度为lm，以数码相机镜头中心在地面上的投影为中心确定一个50厘米X50厘米的正方形 区域，将每个开裂后的土壤样品放置在确定好的正方形区域中，用白色比色板进行相机的 白平衡定标，在开裂后的土壤样品上覆盖一块50厘米X50厘米大小的黑白网格定标板并 对其拍照，并且将相机的感光度ISO设置为100~200,光圈大小设置为f4~f5. 6,快门速 度设置为l/125s~l/60s ;
[0012] 2、提取裂纹长度：
[0013] 采用多项式法对每个开裂土壤样品照片进行几何畸变校正，然后对照片进行剪切 获取样本的裂纹区域图像；然后将每个开裂土壤样品的彩色裂纹图像转化为灰度图，再根 据其灰度直方图选取0. 3作为阈值，进而对其进行二值化处理并进行取反操作，这样就将 每个样本的裂纹区域图像分割为未开裂的块区、收缩区域，其中黑色像元表示未开裂的块 区，用白色像元表示收缩区域，收缩区域为裂纹部分和样本盒内四周的收缩部分，对二值化 图像进行腐蚀处理，去除噪声点的影响；对腐蚀处理过的二值化图像进行加运算实现对图 像中间断的裂纹进行连接；
[0014] 然后对加运算处理过的二值化图像进行反复的骨架化操作直至裂纹部分收缩为 一个像元宽度的骨架，设置阈值30对骨架化处理产生的毛边进行剔除，将小于30个像元大 小的裂纹骨架的小分支剪切掉，从而获取一个像元宽度的裂纹骨架；利用样品盒50厘米的 内径长度对应的图像像元个数为标准，通过提取裂纹骨架的像元个数确定每个样本裂纹的 长度；
[0015] 3、测量土壤电导率：
[0016] 将另一部分用于土壤电导率的实验室测量的土壤样本与水按照1:5的质量比混 合，得土壤悬浊液，然后测量土壤悬浊液电导率，从而得到样本的电导率值；
[0017] 4、建立反演模型：
[0018] 将样本裂纹的长度与样本的电导率值进行线性拟合，得到反演模型：Y = kXX+b ;
[0019] 其中，X表示在线测量过程中野外样本裂纹长度提取结果，Y表示在线测量过程中 利用裂纹长度提取结果带入模型中得到的野外样本电导率预测值，k为斜率，表示涵盖电导 率范围的实验样本电导率测量结果与实验样本裂纹长度提取结果的比例关系，b为截距，表 示模型建立过程中的误差值；
[0020] 二、在线测量野外土壤电导率：
[0021] 针对野外盐碱化土壤电导率的在线测量，将相机放置在移动平台上，调整平台高 度使相机中心与地面垂直高度为lm，将相机的感光度ISO设置为100~200,光圈大小设置 为f4~f5. 6,快门速度设置为l/125s~l/60s，然后用一个50cmX50cm的木框放在测量 区域内，调整相机时期将镜头中心与木框中心重合，对野外的开裂盐碱化土壤进行拍照，然 后对相片进行几何畸变的校正，根据室内样本拍照对应的50cmX50cm区域大小及位置剪 切野外照片，从而获取裂纹照片，然后对裂纹照片进行灰度图转化和二值化处理，对处理结 果进行去噪处理及采用加运算实现间断裂纹的桥接处理，最后对桥接后的样本二值化图像 进行骨架化和毛边去除，获取一个像元宽度的裂纹骨架图像，设置阈值30对骨架化处理产 生的毛边进行剔除，将小于30个像元大小的裂纹骨架的小分支剪切掉，从而获取一个像元 宽度的裂纹骨架；利用样品盒50厘米的内径长度对应的图像像元个数为标准，通过提取裂 纹骨架的像元个数确定野外开裂土壤样本的裂纹长度值，然后将该裂纹长度值计算结果带 入反演模型，从而实现该样本电导率的在线测量；
[0022] 三、修正土壤电导率测量结果：
[0023] 在所有的在线测量样本中，选择在线计算的裂纹长度最小值对应的土壤样本Sl 和在线计算裂纹长度最大值对应的土壤样本S2,对这两个土壤样本的电导率值进行精确测 量，在线计算的裂纹长度最小值对应的土壤样本Sl的电导率在线测量结果为Al ;在线计算 的裂纹长度最大值对应的土壤样本S2的电导率在线测量结果为A2 ;在线计算的裂纹长度