[发明专利]一种基于CT扫描图像的土壤大孔隙空间结构确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤大孔隙空间结构确定方法，尤其涉及一种基于CT扫描图像的土壤大孔隙空间结构确定方法。

背景技术

由于土壤的干湿作用造成的收缩和膨胀，土壤中可溶性物质的溶解，冻融的循环交替、人类耕种等活动、蚯蚓和啮齿动物的活动、植物根系的生长，土壤中存在着大量的大孔隙。当土壤中存在大孔隙时，进入土壤中的水及溶质将绕过大部分土壤基质，经过大孔隙快速到达土壤深处或地下水中，即使在土壤基质没有完全饱和的情况下也会发生。大孔隙中的水流速度远大于土壤基质流，其水流运动不符合达西定律。即土壤大孔隙的存在，改变了地表径流、壤中流和地下径流的形成过程和比例，为确定大孔隙流特征必须首先开展土壤大孔隙空间结构研究。

目前对大孔隙结构研究大多数局限于平面结构研究或借助现有的空间结构重建软件，并未提出具体的空间结构重建技术或方法。在计算复杂大孔隙网络时，受大孔隙网络高度不规则性和软件适用性的影响，计算结果存在偏差。在确定大孔隙网络结构时，主要关注土体中各个大孔隙网络整体分布，并未对土体中单个大孔隙网络中分支通道的分布特征进行分析计算。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决了上述问题，基于CT扫描图像的土壤大孔隙空间结构确定方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CT扫描图像的土壤大孔隙空间结构确定方法，方法步骤如下，

(一)在野外现场提取含有已知直径的填充土柱和天然原状土柱两种实验土柱；

(二)将实验土柱采用CT扫描仪对实验土柱进行扫描，得到土柱断面图像；

(三)借用通用图形处理软件，通过阈值法对扫描图像断面中的大空隙阈与基质阈进行划分，并导出生成输出文件；

(四)在得到各土柱横断面大孔隙分布后，采用四方向法和左拐弯技术识别每个横断面上的大孔隙边界并进行标记归类；

(五)在识别了各个横断面上大孔隙网络分布后，对各连续横断面采用逐层分析法和向上、向下追踪法相结合的技术方法进行大孔隙空间结构重构并定量计算相关特征参数。

作为优选，所述步骤(一)中，原状土柱为自然条件下，含有各种直径大孔隙的土柱，取样时，首先将取土位置周围的土挖出，大小为人可以进入操作为止，然后将中间预留土块上部的一部分，用小铲在其周围慢慢削成大小与管径相当的圆柱，将管子放在上面，用铁锤压入，直到这部分土慢慢进入管子为止，用小铲再削下面的一小段，将管子再压入，这样削一段压入一段，直到土壤到达管子底为止，最后用铁铲将土柱从根部铲断，得到实验所用的原状土柱；

作为优选，所述步骤(一)中，填充土柱为含有已知直径大孔隙的土柱，取样时，将从耕地取的土壤进行筛分，除去各种杂质和比较大的颗粒，准备一根已知直径的表面光滑的不锈钢条，直立在管子的中央，其周围装入筛分过的土壤，在装入的过程中保证管中土壤的容重与原状土柱相等，管子装满以后慢慢将不锈钢条从管子中旋转地拔除，制作成含有一个已知直径大孔隙的填充土柱。

作为优选，所述步骤(二)中，采用CT扫描仪扫描时，采用连续扫描，土柱各横断面之间无间隔，X射线管和探测器列围绕着土柱进行360°扫描投影，投影值重新组合形成一个图像。由于CT扫描仪主要用于医学领域的人体扫描，而现改为对土壤进行扫描，因此须先重新设定扫描系数。需调整的扫描参数有：峰值电压定、工作电流、每次扫描的时间、扫描厚度。参数设定以后，将土柱放入CT扫描仪中的X射线管和探测器列之间，X射线管和探测器列围绕着土柱在设定的扫描时间内旋转360°，这时将峰值电压输送到X射线管上，X射线管发出扇形光束穿过设定扫描厚度的土柱薄片，位于X射线管对面的探测器就可检测到已衰减的X射线，并形成投影，旋转360°共形成960个投影，960个投影值重新组合形成一个图像。图像由一定数量的图形元素组成，每一个图形元素对应扫描物体的一个位置，依据于物体各个位置的X射线衰减系数把亮度值赋给图像中的每个图形元素，扫描物体不同容重区就可在图像中以不同亮度表示，土壤大孔隙就可清晰地显示出。扫描时各横断面之间无间隔，为连续扫描。除了可以对土柱横断面进行扫描外，还可以对土柱某一段进行纵向扫描，揭示大孔隙的连通性。