基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，属于采矿技术、土地利用和遥感技术领域。本发明专利技术首先按照土壤层次结构向容器中分层装入土壤，得到实验土柱。将土柱下底面圆周八等分，在每个等分点处的土柱外侧贴上透明塑料标尺，沿土柱下底面圆心与每两个相邻标尺间圆周中点连线方向向外延伸作为拍摄位置线并选择拍摄位置。向实验土柱中供水，当土柱中土壤表层积水厚度到达设计厚度时，按照设定的时间间隔每次利用相机在每个拍摄位置处拍摄图像并拼接，对拼接的图像进行处理得到每次拍摄对应的一条湿润锋曲线。本发明专利技术操作简单，可连续提取水分入渗湿润锋的全周信息，精度高，且数据易于存储，较好的推进了室内土柱实验的科学性。

A method to determine the wetting front of soil based on image recognition and layered reconstruction of waste dump

【技术实现步骤摘要】
基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法
本专利技术属于采矿技术、土地利用和遥感
，特别提出一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法。
技术介绍
土壤水分承接着地表水与地下水的运移，在水资源的运移和转化等各方面中起到重要作用。湿润锋是指在降雨(或灌溉)入渗和土壤水分再分布过程中，土壤被湿润的部位与干土层间形成的明显的交界面。在湿润锋处，土壤含水梯度很大，因此在该处将有很大的土壤水分作用力来驱使湿润锋继续下移。湿润锋的运移是反映水分入渗量垂向运动的重要特征，对湿润锋的研究是土壤性质研究很重要的一方面，同时可以极大地促进土地复垦工程领域的发展。目前，人们对土壤水分入渗研究的实验方法通常采用柱状实验。即制作具有土层结构的土柱，在土柱外壁贴上刻度条或画上刻度标记，对土柱进行人工降雨模拟，沿着固定剖面直接读取湿润锋位置。该方法的不足之处在于读取湿润锋位置数据点有限，仅是沿着2-3条剖面线，全面性不足，且数据不具备重复采样性。由于研究结果与数据采集点的位置有较大相关性，若采集数据不足所得结果与实际情况会出现较大偏差，导致实验精度不够。利用计算机实现人类视觉感官功能的机器视觉，能够对客观世界的三维立体场景进行感知、认识、识别和理解。边缘作为图像的最基本特征，利用计算机对图像的边缘进行检测是图像识别中最基础的操作。图像识别技术已应用在导航、地图与地形配准、自然资源分析、天气预报、环境监测、生理病变研究等许多领域，但还未见应用到土壤水分入渗湿润锋提取方面。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法。本专利技术能确定重构土壤水分入渗湿润锋的全周信息，极大地提高了数据点采集量，而且能够保存过程数据便于随时解译，为科学合理的开展土壤剖面研究、提高矿区土地复垦工作质量奠定基础。本专利技术提出一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)采用高度为1-1.5m，直径不小于15cm且底部具有排气排水室的透明空心柱子为容器，根据待研究土地用途确定容器中土壤层次结构，包括自下而上每层土壤的类型和厚度，按照确定的容器中土壤层次结构向容器内自下而上分层装入土壤，容器中每个层次的土壤厚度与确定的土壤层次结构中对应层次厚度相等，土壤装入完毕后，形成实验土柱；将实验土柱下底面圆周八等分，在每个等分点处的土柱外侧从上到下贴上透明塑料标尺，每个标尺的0刻度与土柱中土层最上方平齐，共有8个塑料标尺，实验土柱准备完毕；2)将步骤1)准备完毕的实验土柱置于任一空位，沿土柱下底面圆心与每两个相邻标尺间圆周中点连线方向向外延伸作为拍摄位置线，在拍摄位置线上选择拍摄位置，使得在拍摄位置上拍摄的图像中有两条标尺且清晰，将拍摄位置在地面标记，共计八个拍摄位置；3)使用马氏瓶向实验土柱中供水，当土柱中土壤表层积水厚度到达设计厚度时，使用相机对实验土柱拍摄第一次图像，拍摄时相机高度与湿润锋位置距地高度相同且镜头对准湿润锋高度处的土柱圆心点，获取该拍摄位置对应的图像；拍摄从任一个拍摄位置起，按照顺时针或逆时针依次在剩余七个拍摄位置获取对应图像，得到八个拍摄位置的第一次图像；当入渗湿润锋下渗速度≥1mm/min时，每间隔5-10分钟拍摄一次；当入渗湿润锋下渗速度＜1mm/min时，每间隔20-30分钟拍摄一次；每次拍摄均获取八个拍摄位置对应的图像；拍摄时保持相机至实验土柱垂直距离不变；4)对每次拍摄获得的八张图像进行拼接，得到每次拍摄对应的无缝全景图像；5)对步骤4)得到的每次拍摄对应的无缝全景图像，采用Canny算子对该图像进行边缘检测，得到该图像中表示湿润锋数据的二值图像，即湿润锋数据为白色，其他数据为黑色；删除湿润锋数据中的噪声数据，得到处理后的二值图像；采用线连接工具对该处理后二值图像的湿润锋数据进行连接，得到每次拍摄对应的一条完整的湿润锋曲线。本专利技术的特点及有益效果：1本专利技术能确定重构土壤水分入渗湿润锋的全周信息，极大地提高了数据点采集量，而且能够保存过程数据便于随时解译，提高了实验精度。2本专利技术将图像识别引入土壤水分入渗柱状试验，提高了实验数据采集的精度和可回溯性，提高了实验的科学性。3本专利技术可应用于土壤、环境、农业、生态修复等学科领域，拓展了图像识别的应用范围，可以促进生态修复、土地复垦工程领域的发展。附图说明图1为本专利技术方法流程图。图2为本专利技术的实验土柱拍摄俯视图。具体实施方式本专利技术提出一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明如下。本专利技术提出一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，利用RGB图像的特征，结合边缘检测算法，总结出一种土壤水分入渗湿润锋全周信息的快速、准确确定方法。该方法的整体流程如图1所示，包括以下步骤：1)实验土柱准备：采用高度为1-1.5m，直径不小于15cm且底部具有排气排水室的透明空心柱子为容器(所述容器材料可采用塑料或有机玻璃)，根据待研究土地用途确定容器中土壤层次结构，包括自下而上每层土壤的类型和厚度，按照确定的容器中土壤层次结构向容器内自下而上分层装入土壤，容器中每个层次的土壤厚度与确定的土壤层次结构中对应层次厚度相等，土壤装入完毕后，形成实验土柱。将实验土柱下底面圆周八等分，在每个等分点处的土柱外侧从上到下贴上透明塑料标尺，每个标尺的0刻度与土柱中土层最上方平齐，共有8个塑料标尺。本实施例实验土柱拍摄俯视图如图2所示，圆周1为土柱位置，小方块3为透明塑料标尺贴放位置。2)图像拍摄位置设计：将实验土柱置于任一空位，沿土柱下底面圆心与每两个相邻标尺间圆周中点连线方向向外延伸作为拍摄位置线，在拍摄位置线上选择拍摄位置，所述拍摄位置保证拍摄图像中有两条标尺且清晰，将拍摄位置在地面标记，共计八个拍摄位置。本实施例的拍摄位置如图2所示，图中虚线2为拍摄位置线，三角形4为图像拍摄位置。3)图像拍摄：使用马氏瓶向实验土柱中供水(供水量取决于土柱的尺寸和入渗能力；因为土柱入渗速率在实验过程中会有变化，使用马氏瓶时供水速率等于土柱入渗速率，所以供水速率也在变化)，当土柱中土壤表层积水厚度到达设计厚度(设计积水厚度不低于3cm)时(此时一直在供水，积水厚度与马氏瓶进气口位置有关，只需调整出气口位置就能使积水厚度达到设计要求)，使用分辨率不低于800万像素的手机相机对实验土柱拍摄第一次图像，拍摄时相机高度与湿润锋位置距地高度相同且镜头对准土柱中心(即湿润锋高度处的土柱圆心点)，获取该拍摄位置对应的图像；拍摄从任一个拍摄位置起，按照顺时针或逆时针依次在剩余七个拍摄位置获取对应图像，即可获取八个拍摄位置的第一次图像。每次拍摄对准的中心随湿润锋的高度不同而改变，但同一次八个位置的拍摄对准同一个点即湿润锋高度处的土柱圆心点。按照时间梯度调整相机高度进行拍摄，当入渗湿润锋下渗速度≥1mm/min时每间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)采用高度为1-1.5m，直径不小于15cm且底部具有排气排水室的透明空心柱子为容器，根据待研究土地用途确定容器中土壤层次结构，包括自下而上每层土壤的类型和厚度，按照确定的容器中土壤层次结构向容器内自下而上分层装入土壤，容器中每个层次的土壤厚度与确定的土壤层次结构中对应层次厚度相等，土壤装入完毕后，形成实验土柱；将实验土柱下底面圆周八等分，在每个等分点处的土柱外侧从上到下贴上透明塑料标尺，每个标尺的0刻度与土柱中土层最上方平齐，共有8个塑料标尺，实验土柱准备完毕；/n2)将步骤1)准备完毕的实验土柱置于任一空位，沿土柱下底面圆心与每两个相邻标尺间圆周中点连线方向向外延伸作为拍摄位置线，在拍摄位置线上选择拍摄位置，使得在拍摄位置上拍摄的图像中有两条标尺且清晰，将拍摄位置在地面标记，共计八个拍摄位置；/n3)使用马氏瓶向实验土柱中供水，当土柱中土壤表层积水厚度到达设计厚度时，使用相机对实验土柱拍摄第一次图像，拍摄时相机高度与湿润锋位置距地高度相同且镜头对准湿润锋高度处的土柱圆心点，获取该拍摄位置对应的图像；拍摄从任一个拍摄位置起，按照顺时针或逆时针依次在剩余七个拍摄位置获取对应图像，得到八个拍摄位置的第一次图像；/n当入渗湿润锋下渗速度≥1mm/min时，每间隔5-10分钟拍摄一次；当入渗湿润锋下渗速度＜1mm/min时，每间隔20-30分钟拍摄一次；每次拍摄均获取八个拍摄位置对应的图像；拍摄时保持相机至实验土柱垂直距离不变；/n4)对每次拍摄获得的八张图像进行拼接，得到每次拍摄对应的无缝全景图像；/n5)对步骤4)得到的每次拍摄对应的无缝全景图像，采用Canny算子对该图像进行边缘检测，得到该图像中表示湿润锋数据的二值图像，即湿润锋数据为白色，其他数据为黑色；删除湿润锋数据中的噪声数据，得到处理后的二值图像；采用线连接工具对该处理后二值图像的湿润锋数据进行连接，得到每次拍摄对应的一条完整的湿润锋曲线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像识别的排土场分层重构土壤的湿润锋确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采用高度为1-1.5m，直径不小于15cm且底部具有排气排水室的透明空心柱子为容器，根据待研究土地用途确定容器中土壤层次结构，包括自下而上每层土壤的类型和厚度，按照确定的容器中土壤层次结构向容器内自下而上分层装入土壤，容器中每个层次的土壤厚度与确定的土壤层次结构中对应层次厚度相等，土壤装入完毕后，形成实验土柱；将实验土柱下底面圆周八等分，在每个等分点处的土柱外侧从上到下贴上透明塑料标尺，每个标尺的0刻度与土柱中土层最上方平齐，共有8个塑料标尺，实验土柱准备完毕；
2)将步骤1)准备完毕的实验土柱置于任一空位，沿土柱下底面圆心与每两个相邻标尺间圆周中点连线方向向外延伸作为拍摄位置线，在拍摄位置线上选择拍摄位置，使得在拍摄位置上拍摄的图像中有两条标尺且清晰，将拍摄位置在地面标记，共计八个拍摄位置；
3)使用马氏瓶向实验土柱中供水，当土柱中土壤表层积水厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艳玲，王启元，杨熙，肖武，胡振琪，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11