一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定量表征方法技术

本发明专利技术属于农业技术领域，具体说，涉及一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定量表征方法，该方法包括：将土壤切片的灰度图像转换为二值图像；利用不同尺度的盒子覆盖所述二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中土壤孔隙分布的概率测度；利用所述概率测度构造配分函数，根据所述概率测度及配分函数计算土壤孔隙分布的多重分形谱参数；根据土壤孔隙分布的多重分形谱参数计算多重分形谱的宽度和对称性参数，用以定量表征土壤结构的非均匀性。本发明专利技术基于多重分形方法，从土壤数字图像的角度定量表征土壤孔隙结构非均匀，能够识别土壤孔隙大小空间分布的非均匀程度，提高了土壤孔隙结构非均匀程度定量表征的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业
，具体说，设及一种基于多重分形的±壤孔隙分布非均 匀性定量表征方法。
技术介绍
±壤是一个非均质的、多相的、分散和多孔的复杂系统。自然界的立相，即固相、液 相和气相共存于±壤之中。其中固相构成±壤的骨架，其结构通常是用固体颗粒的大小、形 状W及其空间排列来描述的。由于构成±壤的颗粒和孔隙大小不同，形状各异，并且它们可 能是W各种方式连接起来的。因此±壤结构性状十分复杂，但全面认识和了解±壤结构性 状并定量描述±壤结构的复杂性又极其重要，因为它决定着总孔隙度W及孔隙的形状和大 小分布及连通情况，所W也影响着±壤中水分和空气的保持与传导，包括入渗与通气，还影 响±壤的机械性质，运对于种子萌发，根系生长，±壤耕作，陆上交通和±壤侵蚀和其他一 些问题的研究也是不可缺少的。 没有±壤结构定量化问题的解决，更多的±壤学研究的其他问题，特别是与±壤 结构密切相关的±壤持水和水分运动的问题，也就难W定量解决。目前解决±壤持水和水 分运动的问题仍只能大量地采用经验公式、经验参数来描述，并且运些公式仅在较小的范 围适用。对±壤结构性状和±壤持水和水分运动规律的描述和研究一直是±壤科学最为活 跃的研究领域之一。 目前，现有的±壤结构表征方法多数是从±壤粒径分布的角度来考虑，对于±壤 结构的研究较多的集中在±壤团粒结构的研究，对于±壤孔隙结构的研究一般采用孔隙度 来表征，对于±壤孔隙结构的非均匀性研究较少，而已有的研究成果显示，关于±壤孔隙的 研究方法，目前主要采用的是单分形的方法，但由于±壤结构多尺度非均质性，当在更大尺 度上研究±壤结构时，小尺度上的非均质性并未自动消失，而采用基于平均意义上的的单 分形方法，不能描述小尺度孔隙的分布状况，因而，无法识别孔隙非均匀程度，不能准确定 量表征±壤孔隙结构的非均匀程度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于多重分形的±壤孔隙分布非均匀性定量表征方 法，W解决上述技术问题。 本专利技术的实施例提供了一种基于多重分形的±壤孔隙分布非均匀性定量表征方 法，包括： 将±壤切片的灰度图像转换为二值图像；[000引利用不同尺度的盒子覆盖二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中±壤孔隙 分布的概率测度；利用概率测度构造配分函数，根据概率测度及配分函数计算±壤孔隙分布的多重 分形谱参数； 根据±壤孔隙分布的多重分形谱参数计算多重分形谱的宽度和对称性参数，用W 定量表征±壤结构的非均匀性。 进一步，将±壤切片的灰度图像转换为二值图像，包括： 根据±壤切片灰度图像的分形特征选择图像分割阔值，将±壤切片的灰度图像转 换为二值图像。 进一步，利用不同尺度的盒子覆盖所述二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒 子中±壤孔隙分布的概率测度，具体包括： 用尺度为e的盒子覆盖所述二值图像;其中，盒子的尺度为所述二值图像的大小； [001引将每个e尺度的方格细分成S X S个小方格，统计每个e尺度下S X S个小方格中存在 ±壤孔隙的小方格的格子数目Ni;用Ni除W整个二值图像的总的小方格子数SNi,得到每个尺度为S的方格中二值图 像的占据率，即概率测度Pi(O，公式如下：(1)。 进一步，利用概率测度构造配分函数，根据概率测度及配分函数计算±壤孔隙分 布的多重分形谱参数，具体包括： 根据不同尺度盒子中±壤孔隙分布的概率测度Pi(E)，引入概率测度Pi(E)的q阶 矩，构造配分函数m(q，〇,公式如下：(2) 式中，q为实数，i、N为正整数； 利用式（1)及式(2)，在q的取值范围为:-10<q<10的情况下计算多重分形谱a(q) 和f(a(q))，公式如下： 进一步，根据±壤孔隙分布的多重分形谱参数计算多重分形谱的宽度和对称性参 数，用W定量表征±壤结构的非均匀性，具体包括： 根据多重分形谱参数a(q)和f(a(q))，计算多重分形谱的宽度A a和对称性参数R， 公式如下： 式（5)、（6)中，A QL = Qmax-Qo,表示 q<0 区域的范围；A QR = Qo-Qmin,表示 q>0 的范 围;Qmax为最大奇异性指数，Qmin为最小奇异性指数，a〇为q = 0时的奇异性指数； 根据多重分形谱的宽度A a和对称性参数R定量表征±壤孔隙的非均匀性和大孔 隙与小孔隙的占优分布情况，具体包括： 通过多重分形谱的宽度A a的大小，定量表征±壤孔隙的非均匀性，A a越大表示 分布越不均匀； 通过对称性参数R定量表征大孔隙与小孔隙的占优分布情况，当R>1时，表明±壤 孔隙中小孔隙分布占优，否则，大孔隙占优。 与现有技术相比本专利技术的有益效果是:基于多重分形方法，从±壤数字图像的角 度定量表征±壤孔隙结构非均匀，能够识别±壤孔隙大小空间分布的非均匀程度，提高了 ±壤孔隙结构非均匀程度定量表征的准确性。【附图说明】 图1是本专利技术的流程图； 图2是本专利技术一实施例中±壤孔隙结构的多重分形谱曲线图； 图3是本专利技术一实施例中多重分形奇异谱对称性曲线图。【具体实施方式】 下面结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详细说明，但应当说明的是，运些 实施方式并非对本专利技术的限制，本领域普通技术人员根据运些实施方式所作的功能、方法、 或者结构上的等效变换或替代，均属于本专利技术的保护范围之内。 参图1所示，图1是本专利技术的流程图。 本实施例提供了一种基于多重分形的±壤孔隙分布非均匀性定量表征方法，包 括： 步骤Sl，将±壤切片的灰度图像转换为二值图像，即根据±壤切片灰度图像的分 形特征选择图像分割阔值，将±壤切片的灰度图像转换为二值图像。 在本实施例中，±壤数字图像的获取一般采用扫描电子显微镜对±壤切片进行扫 描，获得±壤切片的数字图像，将获得的图像(灰度图像)通过选择合理的阔值将其转化为 黑白图像(二值图像），其中黑色的为±壤孔隙，白色的为±壤颗粒。 步骤S2,利用不同尺度的盒子覆盖二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中 上壤孔隙分布的概率测度，具体包括： 利用不同尺度的盒子覆盖所述二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中±壤 孔隙分布的概率测度，具体包括： 用尺度为e的盒子覆盖所述二值图像;其中，盒子的尺度为所述二值图像的大小； 将每个e尺度的方格细分成S X S个小方格，统计每个e尺度下S X S个小方格中存在 ±壤孔隙的小方格的格子数目Ni; 用Ni除W整个二值图像的总的小方格子数SNi,得到每个尺度为S的方格中二值图 像的占据率，即概率测度Pi(O，公式如下：[004引步骤S3,利用概率测度构造配分函数，根据概率测度及配分函数计算±壤孔隙分 布的多重分形谱参数，具体包括：根据不同尺度盒子中±壤孔隙分布的概率测度Pi(〇,引入概率测度Pi(〇的q阶 矩，构造配分函数(族)Ui(q，〇,公式如下： 式中，q为实数，i、N为正整数；UiU，O为第i个子区间的q阶概率，q为实数， Z总P,. (&')g是对所有子区间的q阶概率求和。 利用式（1)及式(2)，在q的取值范围为:-10<q<10的情况下计算多重分形谱a(q) (多重分形奇异性指数)和f(a(q))(相对于a(q)的多重分形谱函数），公式如下： 步骤S4根据±壤孔隙分布的多重分形谱参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多重分形的土壤孔隙分布非均匀性定量表征方法，其特征在于，包括：将土壤切片的灰度图像转换为二值图像；利用不同尺度的盒子覆盖所述二值图像，按计盒维数法计算不同尺度盒子中土壤孔隙分布的概率测度；利用所述概率测度构造配分函数，根据所述概率测度及配分函数计算土壤孔隙分布的多重分形谱参数；根据土壤孔隙分布的多重分形谱参数计算多重分形谱的宽度和对称性参数，用以定量表征土壤结构的非均匀性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：管孝艳，吕烨，王少丽，曾向辉，胡亚琼，高黎辉，陈皓锐，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11