一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统。其包括：(1)样本预处理：将赤泥土壤化样品风干作为成像样品；(2)将成像样品填装在成像容器中，并绕成像容器中轴旋转并进行扫描，获取扫描图像序列；(3)将扫描图像序列，取灰度图像进行图像拼接，获得三维图像块；进行二值化处理，得到二值化的特征图像块；(4)对于步骤(3)中获取的二值化的特征图像块，构建孔隙‑孔喉网络模型，并统计赤泥团聚体孔隙结构的特征参数。本发明专利技术提供的赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统，可以在不破坏赤泥团聚体物理结构的前提条件下，通过形态学特征，对团聚体进行量化分析。

【技术实现步骤摘要】
一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统
本专利技术属于赤泥土壤化处置研究领域，更具体地，涉及一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统。
技术介绍
赤泥是氧化铝工业生产过程中排放的固体废弃物，碱性强，盐分含量高。尽管国内外学者对赤泥资源化利用开展大量研究工作，受限于其特有的理化性质，赤泥资源化利用率不足5％。赤泥处置以堆存为主，对堆场周边环境存在潜在的生态环境风险。赤泥土壤化处置技术，将赤泥装变为一种类土基质，进而支持植被生长，是目前具有前景、且行之有效的规模化处置技术。石膏能够降低赤泥碱性及钙源补充，有机质能够提高赤泥有机碳含量，改善赤泥团聚结构，二者被认为是能够加快赤泥土壤化进程的有效基质改良剂。良好团聚结构形成是评估赤泥土壤化进程的指示性特征，但仅采用常规筛分技术手段来分析团聚体粒径分布的变化特征，难以对赤泥土壤化过程中团聚体的微观结构进行系统剖析。传统的化学提取、质谱分析等方法不可避免地会对赤泥团聚体的组成和结构造成扰动和破坏。扫描电镜分辨率可以达到微米级，但无法进行三维结构分析；医用CT扫描技术能够对赤泥微观三维结构进行分析，但分辨率仅为毫米级。因此目前没有对赤泥物理结构进行量化分析的方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法及系统，其目的在于通过高分辨率的赤泥三维立体扫描成像，对赤泥的团聚结构进行形态学的量化分析，从而得到赤泥的团聚结构物理特性，准确分析赤泥土壤化过程，由此解决现有的赤泥团聚提分析方法，破坏去组成和结构，导致无法对土壤化过程的赤泥团聚体进行量化分析的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，包括以下步骤：(1)样本预处理：将赤泥土壤化样品风干，取粒径在0.25mm至2mm的风干赤泥土壤化样品作为成像样品；(2)扫描成像：将步骤(1)中获取的成像样品填装在成像容器中，所述成像容器直径在3-10mm，并绕成像容器中轴旋转并进行扫描，获取扫描图像序列；所述扫描图像序列分辨率在0.325-13微米之间，旋转角度范围为0°-180°，步长为0.1°-0.3°；(3)构建三维结构：将步骤(2)中获取的扫描图像序列，采用背投影算法重建获取对应的灰度图像，灰度值范围为0-255，作为三维重构的基础图像数据进行图像拼接，获得三维图像块；选择其中像素尺寸小于扫描图像序列数量的图像块进行二值化处理，得到二值化的特征图像块；(4)量化特征提取：对于步骤(3)中获取的二值化的特征图像块，通过骨架抽取法提取赤泥团聚体三维孔隙结构骨架，构建孔隙-孔喉网络模型，并统计赤泥团聚体孔隙结构的特征参数，进行赤泥土壤化过程中团聚体结构的量化分析。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其步骤(2)所述扫描成像序列，可采用同步辐射装置获取。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其步骤(3)所述扫描序列图像，采用亮度归一化和去除伪影处理。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其步骤(4)所述赤泥团聚体孔隙结构特征，包括孔隙率、孔喉表面积、路径长度、以及路径曲折度。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其步骤(4)具体包括以下子步骤：(4-1)构建孔隙网络模型：采用中轴变换法计算骨料孔隙相的中轴线；进行连通域分析，获得连通的孔径区域作为通道，从而构建孔隙网络模型；(4-2)确定孔喉：将步骤(4-1)中构建的孔隙网络模型中的每一个通道，获取其狭窄处的孔喉，孔喉在中轴上的两端作为节点，优选包括：(4-2-1)扫描通道中轴：对于一个通道，采用中轴变换法获取通道的中轴，对于通道中轴上的每一点，在中轴线横截面方向上通过以该点为圆心作圆，不断扩大所述圆的半径直至所述圆的圆周含有所述孔隙网络模型中孔隙和颗粒的接触面上的点，获取所述圆，作为中轴上该点的特征圆；(4-2-2)获取孔喉：统计特征圆半径，半径分布于最小的5％之内的点做为孔喉种子，对孔喉种子进行连通域分析，将连通的孔喉种子对应的通道区域作为孔喉，将孔喉两端的孔喉种子作为节点；(4-3)构建孔隙-孔喉网络：计算步骤(4-2)中获得的每一个通道的孔喉赤泥基质界面点，从而构建孔隙-孔喉网络模型；(4-4)统计特征参数：对于步骤(4-3)中构建孔隙-孔喉网络模型，确定赤泥团聚体孔隙结构的特征参数：总孔隙度：是指有效直径大于图像分辨率的孔隙，总孔隙度为储存孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度之和；孔喉路径长度：是指孔喉节点之间通道中轴上点的个数与像素单位的乘积；其平均值即为孔喉平均长度；孔喉表面积：是节点孔之间的孔喉表面重构后的三角化表面面积求和得到；孔喉弯曲度，是指孔喉路径长度与孔喉节点之间欧几里得距离之比；孔隙路径长度，是指通道中轴上点的个数与像素单位的乘积；其平均值即为孔隙路径平均长度。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析系统，其包括：扫描成像模块、三维结构构建模块、以及量化特征提取模块；所述扫描成像模块，用于获取填装在成像容器中的成像样品的扫描图像序列，并提交给所述三维结构构建模块；所述三维结构构建模块，用于根据所述扫描成像模块获取的扫描图像序列采用背投影算法重建获取对应的灰度图像，灰度值范围为0-255，作为三维重构的基础图像数据，构建成像样品的三维图像；选择其中像素尺寸小于扫描图像序列数量的图像块进行二值化处理得到二值化的特征图像块，提交给量化特征提取模块；所述量化特征提取模块，用于根据所述三维结构构建模块提交的特征图像块，利用数学形态学方法提取赤泥团聚体三维孔隙结构骨架，构建孔隙-孔喉网络模型，并统计赤泥团聚体孔隙结构特征，进行赤泥土壤化过程团聚结构量化分析。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析系统，其所述扫描成像序列，可采用同步辐射装置获取。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析系统，其所述三维结构构建模块，包括亮度归一化子模块、去伪影子模块、拼接子模块、二值化子模块、特征区域选择模块；所述亮度归一化子模块，用于消除不同微CT切片图像间的亮度差别，从而对微CT切片图像进行归一化处理，并将归一化的微CT切片图像提交给去伪影子模块；所述去伪影子模块，用于对归一化的微CT切片图像去除部分图片中存在环状伪影，并提交给拼接子模块；所述拼接子模块，用于将图像拼接为三位立体图像块提交给特征区域选择模块；所述特征区域选择模块，用于从拼接好的三位立体图像块中选择成像清晰部分作为特征图像块，提交给二值化子模块；所述二值化子模块，用于在特征图像块中区分团聚体中赤泥基质和周围孔隙，从而进行二值化处理，获得二值化的特征图像块。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析系统，其所述赤泥团聚体孔隙结构特征，包括总孔隙率度、孔喉表面积、孔喉弯曲度，以及孔隙路径长度。优选地，所述赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析系统，其所述量化特征提取模块，包括：孔隙网络模型构建子模块、孔喉确定子模块、孔隙-孔喉网络构建模块，以及参数特征统计模块；其中：所述孔隙网络模型构建子模块，用于构建孔隙网络模型，优选采用中轴变换法计算骨料孔隙相的中轴线，并进行连通域分析，获得连通的孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)样本预处理：将赤泥土壤化样品风干，取粒径在0.25mm至2mm的风干赤泥土壤化样品作为成像样品；(2)扫描成像：将步骤(1)中获取的成像样品填装在成像容器中，所述成像容器直径在3‑10mm，并绕成像容器中轴旋转并进行扫描，获取扫描图像序列；所述扫描图像序列分辨率在0.325‑13微米之间，旋转角度范围为0°‑180°，步长为0.1°‑0.3°；(3)构建三维结构：将步骤(2)中获取的扫描图像序列，采用背投影算法重建获取对应的灰度图像，灰度值范围为0‑255，作为三维重构的基础图像数据进行图像拼接，获得三维图像块；选择其中像素尺寸小于扫描图像序列数量的图像块进行二值化处理，得到二值化的特征图像块；(4)量化特征提取：对于步骤(3)中获取的二值化的特征图像块，通过骨架抽取法提取赤泥团聚体三维孔隙结构骨架，构建孔隙‑孔喉网络模型，并统计赤泥团聚体孔隙结构的特征参数，进行赤泥土壤化过程中团聚体结构的量化分析。

【技术特征摘要】
1.一种赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)样本预处理：将赤泥土壤化样品风干，取粒径在0.25mm至2mm的风干赤泥土壤化样品作为成像样品；(2)扫描成像：将步骤(1)中获取的成像样品填装在成像容器中，所述成像容器直径在3-10mm，并绕成像容器中轴旋转并进行扫描，获取扫描图像序列；所述扫描图像序列分辨率在0.325-13微米之间，旋转角度范围为0°-180°，步长为0.1°-0.3°；(3)构建三维结构：将步骤(2)中获取的扫描图像序列，采用背投影算法重建获取对应的灰度图像，灰度值范围为0-255，作为三维重构的基础图像数据进行图像拼接，获得三维图像块；选择其中像素尺寸小于扫描图像序列数量的图像块进行二值化处理，得到二值化的特征图像块；(4)量化特征提取：对于步骤(3)中获取的二值化的特征图像块，通过骨架抽取法提取赤泥团聚体三维孔隙结构骨架，构建孔隙-孔喉网络模型，并统计赤泥团聚体孔隙结构的特征参数，进行赤泥土壤化过程中团聚体结构的量化分析。2.如权利要求1所述的赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，步骤(2)所述扫描成像序列，可采用同步辐射装置获取。3.如权利要求1所述的赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，步骤(3)所述扫描序列图像，采用亮度归一化和去除伪影处理。4.如权利要求1所述的赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，步骤(4)所述赤泥团聚体孔隙结构特征，包括孔隙率、孔喉表面积、路径长度、以及路径曲折度。5.如权利要求4所述的赤泥土壤化过程中团聚结构量化的分析方法，其特征在于，步骤(4)具体包括以下子步骤：(4-1)构建孔隙网络模型：采用中轴变换法计算骨料孔隙相的中轴线；进行连通域分析，获得连通的孔径区域作为通道，从而构建孔隙网络模型；(4-2)确定孔喉：将步骤(4-1)中构建的孔隙网络模型中的每一个通道，获取其狭窄处的孔喉，孔喉在中轴上的两端作为节点，优选包括：(4-2-1)扫描通道中轴：对于一个通道，采用中轴变换法获取通道的中轴，对于通道中轴上的每一点，在中轴线横截面方向上通过以该点为圆心作圆，不断扩大所述圆的半径直至所述圆的圆周含有所述孔隙网络模型中孔隙和颗粒的接触面上的点，获取所述圆，作为中轴上该点的特征圆；(4-2-2)获取孔喉：统计特征圆半径，半径分布于最小的5％之内的点做为孔喉种子，对孔喉种子进行连通域分析，将连通的孔喉种子对应的通道区域作为孔喉，将孔喉两端的孔喉种子作为节点；(4-3)构建孔隙-孔喉网络：计算步骤(4-2)中获得的每一个通道的孔喉赤泥基质界面点，从而构建孔隙-孔喉网络模型；(4-4)统计特征参数：对于步骤(4-3)中构建孔隙-孔喉网络模型，确定赤泥团聚体孔隙结构的特征参数：总孔隙度：是指有效直径大于图像分辨率的孔隙，总孔隙度为储存孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度之和；孔喉路径长度：是指孔喉节点之间通道中轴上点的个数与像素单位的乘积；其平均值即为孔喉平均长度；孔喉表面积：是节点孔之间的孔喉表面重构后的三角化表面面积求和得到；孔喉弯曲度，是指孔喉路径长度与孔喉节点之间欧几里得距离之比；孔隙路径长度，是指通道中轴上点的个数与像素单位的乘积；其平均值即为孔隙路径平均长度。6.一种赤泥土壤化过程中团聚结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锋，薛生国，江钧，叶羽真，田桃，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43