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为可视化土壤孔隙的空间分布和拓扑结构,进一步理解土壤功能和生态过程,以自定义的规则结构和土壤孔隙结构为应用对象,进行了土壤孔隙骨架提取算法的研究,并验证细化法和距离变换法2种算法构建骨架模型的性能。试验结果表明,2种算法的骨架模型构建效果均不受模型类型的影响,其中,距离变换法构建的骨架模型存在体素点缺失和偏移的现象,而细化法提取的孔隙骨架模型结构完整,其平均骨架偏移距离(0. 10 mm)比距离变换法(0. 15 mm)减少了50%,具有良好的拓扑不变性。通过对细化性、连通性和中心性3个指标的综合分析,细化法具有优越的描述土壤孔隙形状及拓扑特征的能力,可为土壤物理结构及水文特性的研究奠定技术基础,为从孔隙尺度理解土壤功能奠定理论基础。 相似文献
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基于CT扫描技术的土壤孔隙定量表达优化 总被引：5，自引：0，他引：5
现有土壤孔隙量化方法主要通过图像处理软件实现孔隙结构的辨识与分析,此类通用的图像处理软件或医学处理软件未考虑土壤内部物质的复杂多变性以及孔隙结构的细小和不规则性,从而导致孔隙分割精度低进而量化误差大,为解决这一问题,本文针对土壤CT图像的特点提出了一种孔隙量化方法。该方法主要包括图像处理和量化分析两部分:选用自适应中值滤波算法去除噪声对孔隙边缘的影响,并采用迭代最佳阈值法与Canny边缘检测算子相结合的方法,准确识别出土壤孔隙结构及轮廓线;运用数学统计方法定量研究土壤孔隙率、孔隙数目、分形维数、成圆率等几何指标,用以揭示孔隙结构的复杂性和不规则性,实现对土壤孔隙的量化分析。最后,以冻融循环作用下的土壤为应用对象验证该方法性能。结果表明,本文方法能精确地定位孔隙轮廓,有效地分割孔隙结构,而且通过多种孔隙几何指标的量化可揭示出冻融循环作用对土壤结构的影响,为孔隙几何特征和空间特征的量化表达奠定了基础。 相似文献
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基于VTK的果实三维重建与可视化研究 总被引：2，自引：0，他引：2
针对目前果实品质无损检测手段少、不能清晰展现果实内部结构的现状,采用MRI(核磁共振成像)技术,引入VTK(视觉化工具包),实现了果实三维可视化重建,为果实品质无损检测、病虫害防治等方面提供了重要的技术支持.系统基于区域分割算法对MRI图像序列进行分割,利用改进的光线投射法进行体数据绘制.实验表明:体数据的绘制速度比经典光线投射法提高了约47%. 相似文献
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【目的】探究微塑料对砂壤土孔隙结构的影响,为土壤新型污染物微塑料的防治提供科学依据,也对应用CT扫描进行土壤结构与土壤质量评估提供借鉴与指导。【方法】采用室内土柱模拟方法和计算机断层扫描技术,对CK（未赋存微塑料的空白组）和M（赋存2%浓度聚丙烯微塑料的试验组）处理进行了三维土壤孔隙结构的可视化分析和孔隙特征参数的测定。【结果】聚丙烯微塑料显著影响砂壤土孔隙结构。通过对三维孔隙结构可视化研究发现,CK中土壤孔隙分布较为均匀,出现明显下沉且纵向连续性强,而M处理中土壤孔隙破碎化程度高,连通性较差;且CK中土壤孔隙度为4.98%,M处理中土壤孔隙度只有3.79%。聚丙烯微塑料赋存条件下土壤孔隙数量与孔隙体积分布随土壤深度发生变化。在土柱0～4cm深度范围内,土壤孔隙总数量表现为CK>M处理,M处理中土壤孔隙总数较CK降低了73.02%,且二者的孔隙数量差异随土壤深度的增加而逐渐增大;土壤平均孔隙体积表现为CK(1 709mm3)>M处理（1235mm3）,且相较于CK,M处理的大体积土壤孔隙数量占比有不同程度的降低。聚丙烯微塑料对砂壤土孔隙形态特征产生了影响。随着土层深度的增加... 相似文献
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基于林分空间结构分析方法的土壤大孔隙空间结构研究 总被引：3，自引：0，他引：3
土壤大孔隙的形成和分布具有重要的生态学意义,但尚未有研究者利用生态学方法研究其空间结构。以三峡库区紫色砂岩区的3种典型土地利用类型下的土壤大孔隙为研究对象,将图像处理技术与林分空间结构分析方法相结合,从形态学和生态学角度量化分析土壤大孔隙的空间结构。结果表明:3种土地利用类型的土壤大孔隙形状、空间结构复杂程度高,空间分布格局随土壤深度的增加均呈聚集分布趋势,且深层土壤的大孔隙组成较表层单一,其中草地最明显,大孔隙发育程度均随土壤深度的增加而降低;3种土地利用类型的土壤优先流发育程度由大到小为:草地、果园、农地,同一土地利用类型不同孔径范围的大孔隙所形成的优先路径的连通性、导水性和发育程度由大到小依次为:草地孔径范围[5.0 mm,∞)、[2.5 mm,5.0 mm)、[1.0 mm,2.5 mm)、(0,1.0 mm),农地和果园孔径范围[1.0 mm,2.5 mm)、[2.5 mm,5.0 mm)、(0,1.0 mm)、[5.0 mm,∞);将林分空间结构分析方法与土壤大孔隙位置密度分布、大孔隙变异度和复杂度指标进行对比,并与以往研究土壤大孔隙空间结构的方法进行比较,所得结果相同,证明该方法可以用于土壤大孔隙空间结构的分析和研究。林分空间结构分析方法简单易行,从生态学的角度完善了大孔隙空间结构的分析,弥补了目前基于物理化学方法在大孔隙结构理论分析的不足,进一步揭示了土壤大孔隙空间结构形成和分布的原因。 相似文献
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以黄河三角洲粉质盐碱土为研究对象,通过扫描电镜及压汞试验,结合土壤渗透系数,分析土壤结构特征与渗透性之间的关系。结果表明:黄河三角洲原状盐碱土土颗粒呈紧密镶嵌式排列,孔隙狭窄且不连通,孔隙主要为小孔隙和微孔隙,孔径较小;对原状土进行渗透试验得到渗透系数为6.46×10~(-5) cm/s,渗透性较差;将土壤重塑后由于絮凝集聚体被破坏且该地区盐碱土中粉粒含量较多,其渗透系数降为2.40×10~(-5) cm/s。黄河三角洲粉质盐碱土结构致密,孔隙狭小不连通,不能为水分下渗提供充足的渗流通道,导致该地区土壤渗透性较差。综合考虑该地区土壤结构特征与渗透性,对其进行治理时,建议掺杂砂石,以打破原始结构,增加渗流通道。 相似文献
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基于微分几何与EDEM的船型开畦沟装置触土曲面优化 总被引：4，自引：0，他引：4
针对长江中下游地区油菜种植时土壤黏重板结、含水率波动大、播种作业需开畦沟避免渍害的农艺要求,考虑开沟犁体的触土曲面复杂、难以通过高速数字化土槽及田间试验方法寻求其减阻设计方法和理论依据的问题,采用微分几何理论并结合EDEM仿真方法,开展了驱动圆盘犁对置组合式耕整机开畦沟装置主要触土曲面结构优化研究。通过对主要触土曲面(开畦沟前犁犁体曲面、船式开沟犁整形曲面)牵引阻力分析和曲面参数分析,确定了触土曲面主要结构参数范围。根据微分几何理论,分别建立了能量化描述不同导曲线类型(直线、抛物线、指数曲线)犁体曲面形状变化差异的微分内蕴几何量E、L、M表达式。阻力特性仿真试验结果表明:在作业速度为0. 9～1. 5 m/s、曲面结构参数一定时,导曲线为抛物线型的开畦沟前犁和船式开沟犁具有较好的减阻特性,其平均牵引阻力相比直线型犁体分别低15. 09%、16. 92%,相比指数线型犁体分别低32. 59%、31. 58%。触土曲面的内蕴几何量E、L、M可分别反映犁体阻力随速度的增长速率、犁体牵引阻力大小、犁体阻力随速度的波动程度。当设计犁体的导曲线形状使曲面内蕴几何量E的变化率较小、L为单调减函数、M的波动较小时,犁体具有较好的减阻性能。参数优化仿真试验表明:在作业速度为1. 2 m/s、抛物线型开畦沟前犁宽度为92 mm、船式开沟犁整形曲面最大元线角为66°时,开畦沟装置牵引阻力最小,为1 042. 52 N。田间试验表明:经参数优化的组合式船型开畦沟装置在作业速度为0. 9、1. 2、1. 5 m/s时测试的平均牵引阻力分别为956. 77、1 101. 33、1 564. 85 N,与仿真试验结果误差在7%以内,作业效果满足油菜播种开畦沟的农艺要求。 相似文献
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以犁胫为试验对象,采用结构光和双目立体视觉,在实验室条件下,搭建了热态犁体锻件样板曲线三维重构和测量系统,提出了非高斯分布激光条纹边缘的形态学检测方法和亚像素中心的提取算法;在对原始图像立体校正基础上,研究了对激光条纹进行二次校正和高精度匹配的方案和算法,提高了左右图像立体匹配和三维重构的精度和速度,并在Halcon平台上,实现了犁体结构光样板曲线的光刀中心提取、重构、拟合和数学描述,解决了犁体样板曲线尤其是热态锻件犁体样板曲线测量难的问题.在Intel(R)Core(TM)i7-5500U CPU@2.40 GHz处理器上运行,测量精度1.88 mm,耗时316 ms.试验证明,以结构光和双目立体视觉为手段对犁体样板曲线进行测量,避免了热态锻件辐射光的影响及其他干扰影响,具有一定精度和可行性,可以提高犁体设计、制造、检验的效率和方便性,为犁体轮廓的检验、测绘、描述、制造和设计提供了新的途径. 相似文献
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为解决植物根系原位三维观测的技术难题,采用XCT层析成像技术获取原位根系的断层序列图像,然后利用计算机图像图形处理技术实现对植物根系的原位三维可视化.为了提高图像分割的精确性,提出一种利用根系几何形态特征的综合分割方法,有效清除了与根系密度极其近似的杂质体素,完成了对序列图像的三维分割.并利用VTK工具箱采用移动立方体算法(MC)实现了对分割后序列图像的三维重建.编程实验证实,本文提出的技术路线和方法能够有效地实现对生长在介质环境中原位根系的三维可视化观测. 相似文献
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长期再生水灌溉后土壤孔隙分布的多重分形特征 总被引：1，自引：0，他引：1
土壤结构是表征土壤质量的重要指标之一.为了定量表征长期再生水灌溉后土壤孔隙分布的非均匀性,以不同年限再生水灌溉后的土壤为研究对象,采用KYKY-2800B型扫描电子显微镜获取土壤数字图像,利用数字图像处理技术测定了土壤的孔隙分布特征,运用多重分形谱参数描述了土壤孔隙分布的非均质性,探讨了土壤孔隙分布多重分形曲线对称性的意义.结果表明:多重分形谱可以定量描述土壤孔隙分布的非均质性,土壤孔隙分布的多重分形奇异谱函数α-f(α)表现为非对称连续性分布,奇异谱宽度Δα表征了土壤孔隙分布的非均质特征,大兴区北野厂灌区农田土壤孔隙分布的多重分形谱宽度Δα普遍大于石景山衙门口灌区土壤,即具有30 a再生水灌溉历史的土壤其孔隙分布的非均匀性较50 a再生水灌溉历史的土壤孔隙分布的非均匀性大,且北野厂灌区土壤小孔隙的数目小于石景山衙门口灌区土壤小孔隙数目.多重分形参数可以作为定量表征土壤孔隙分布非均匀性的重要指标. 相似文献
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The soil pore network and marcoporosity are important factors affecting water and solute transport. The transfer of contaminants to water resources is of particular importance in the Valle de Bravo watershed as it provides 10% of the drinking water for the 20 million inhabitants of Mexico City. This watershed is composed mainly of Andosols with unique mineralogical and physical characteristics. Soil porosity is usually examined on thin sections, using various image analysis techniques. We propose a novel methodology combining image analysis and a displacement experiment to study relationships between soil structure and water tracer transport parameters. H218O displacement experiments were conducted through intact soil columns sampled at three depths from a representative cultivated Andosol profile. The soil structure and pore characteristics were obtained by image analysis on thin sections obtained from each column at the end of the displacement experiment. The total 2D porosity (for pores larger than 50 μm) varied from 80% of the total section area in the topsoil to around 60% in the subsoil. Tubular pores were the most abundant in the soil profile, but ploughing of the topsoil had destroyed sections of these pores and replaced them with packing pores. Water transport in the intact subsoil columns was always in physical non-equilibrium, showing the existence of preferential flow pathways. In the topsoil, one column out of three showed no preferential flow, demonstrating that soil ploughing also homogenised pore connections. Pore connectivity was larger in the ploughed topsoil than in their deeper soil horizon counterparts. Our methodology offers a 2D quantitative characterisation of the macroporous network at 50 μm resolution and the determination of water transport parameters on the same intact soil samples. 3D characterisation of soil porosity using X-ray computed tomography (CT) gives a better picture of pore connection but usually has lower spatial resolution and a larger cost. 相似文献
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基于深度信息的草莓三维重建技术 总被引：1，自引：0，他引：1
以盆栽和高架两种栽培模式生长环境下的草莓植株为研究对象,提出了一种基于深度信息分割聚类的草莓冠层结构形态三维重建算法。首先,以深度信息的不连续性特征作为草莓植株逐层分割的重要依据,以深度二维图像作为全局参考指标,提出深度信息步进方法,自动提取冠层点云;其次,改进密度聚类算法,有效滤除随机、跳边和背景噪声;最后,改进基于Harris算子的多源图像融合算法,实现彩色图像与强度图像的配准及点云颜色的映射,三维重建出具有颜色信息的草莓冠层结构形态。为验证该算法的有效性,将三维重建后冠层的平均单叶长度及A-B线距离作为评价指标,试验结果表明,模型的平均单叶长度计算正确率为93%左右,A-B线距离计算正确率为97%左右,研究结果可为草莓采摘机器人果实识别过程中枝叶空间结构关系的构建提供技术支持。 相似文献
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基于灰度-梯度特征的改进FCM土壤孔隙辨识方法 总被引：3，自引：0，他引：3
土壤孔隙的拓扑结构决定了土壤水分保持和传导能力,对土壤生态过程与功能具有重要影响,但现有土壤孔隙辨识方法存在孔隙边界判别不准确和运行效率较低的问题。为解决这一问题,提出一种基于土壤CT图像灰度-梯度特征的改进模糊C均值(GFFCM)孔隙辨识方法。该方法利用拉普拉斯算子建立灰度-梯度二维特征矩阵,并结合土壤相关先验知识分区构造初始隶属度矩阵和确定聚类数目;然后,基于初始条件实现土壤结构的模糊划分;最后,运用孔隙辨识准则对模糊聚类结果进行优化,完成土壤孔隙结构的精准辨识。以非饱和土壤CT图像为应用对象验证孔隙辨识方法的性能,通过与传统FCM法、快速FCM法(FFCM)的比较,表明GFFCM法有效克服了传统FCM法在隶属度矩阵和聚类数目初始化的不足,解决了初始值制约辨识精确度的问题,在保证孔隙辨识精度的前提下具有较高的执行效率。 相似文献
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针对干旱区复杂环境下水体光谱特性空间差异大、水体提取方法适用性差的问题,本研究基于Sentinel-2卫星多光谱数据,通过超分辨率算法重建10 m空间分辨率多光谱影像,将短波红外(Short-wave infrared, SWIR)重建波段、近红外(Near-infrared, NIR)重建波段作为水体识别特征波段,在此基础上采用超像素分割算法识别水体像元,基于24种光谱指数、支持向量机(Support vector machine, SVM)、神经网络(Neural network, NN)、K-means共构建60种水体提取方法,采用总体精度(Overall accuracy, OA)、准确率(Precision)、F1值、马修斯相关系数(Matthews correlation coefficient, MCC)等水体提取精度指标进行综合评价,以黑河流域为典型研究区,确定干旱区最佳水体提取方法。结果表明,基于Sentinel-2绿色波段(中心波长为560 nm)与超分辨率重建短波红外波段(中心波长为1 610 nm)构建的改进的归一化水体指数方法,显著增强水体提取时对干旱区细小水... 相似文献
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针对传统点云信息融合需要限制传感器之间位置以及繁杂标定和Kinect传感器室外工作受光照条件影响会出现目标边缘缺失的问题,提出了基于SICK和Kinect相机组合探测的植株点云超限补偿信息融合方法。首先采用SICK二维激光传感器融合实时行进速度传感器,实现对植株三维点云重构,同时通过Kinect传感器获取植株彩色和深度图像合成彩色点云,然后分别对SICK和Kinect异源点云进行阈值滤波预处理和体素栅格下采样,求取各点法线及快速点特征直方图,利用采样一致性初始配准方法使异源点云之间拥有较好的初始位置关系,再进一步使用ICP算法精确配准,通过近似最近邻搜索和超限补偿的方法完成点云信息融合。在超限补偿方法中,通过对比转换后点云间误差,判断数据有效性,实现对数据的最终融合。试验结果表明,本文方法可以有效、准确地实现不同点云之间的信息融合,并能有效抑制阳光的干扰。 相似文献
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农机压实土壤的问题很难避免，而农田压实土壤的结构恢复至关重要，冻融循环是恢复压实土壤的有效方法。为了研究冻融循环+大孔隙对恢复压实土壤的作用，通过室内试验重塑压实土壤及人工孔隙措施模拟大孔隙，在不同土壤含水率条件下设计不同的冻融循环次数，利用温度传感器监测土壤温度波动，同时对比冻融循环前后压实土壤孔隙与团聚体参数的变化。结果表明，冻融循环过程中，有人工孔隙压实土壤在高、低两种含水率条件下，分别在第3次和第2次冻融循环时开始大幅温度波动，相同含水率条件下无人工孔隙的压实土壤温度大幅波动则出现在第7次和第4次冻融循环，经历多次冻融循环后，有人工孔隙压实土壤的团聚体平均尺度、结构系数等参数均优于无人工孔隙的压实土壤。人工孔隙可通过调节土壤温度波动改变冻融循环在土壤中的作用强度，加速压实土壤结构恢复进程，冻融循环+大孔隙策略是改善土壤孔隙及团聚体结构的有效措施。 相似文献
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以江苏省沿海地区不同围垦区剖面土层原状土样为研究对象,基于CT扫描技术,通过构建孔隙网络模型,对土壤孔隙分布及其拓扑关系进行定量表征,统计分析了土壤孔喉参数,包括孔径分布、配位数、喉道半径及喉道长度;运用提取的孔隙网络实现土壤中单相水的渗流模拟,分析土壤的绝对渗透系数（饱和导水率）及其主要影响因素。结果表明,围垦活动对改良土壤孔隙活动起到积极作用,随围垦年限的增加,连通孔隙的半径范围、平均配位数、喉道半径趋于增大,喉道长度趋于减小;浅层土壤的孔隙结构较为良好。单相水模拟中,模拟计算的土壤绝对渗透系数和试验测定的饱和导水率结果吻合度较好,呈现出一致的变化规律。灰色关联度显示喉道半径对土壤渗透性能的影响最大。 相似文献