基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法及装置

技术领域

本申请涉及土壤水分运动技术领域，尤其是涉及一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法及装置。

背景技术

土壤水分运动过程受许多因素的控制，如土壤大孔隙连通性、土壤结构、土壤质地、土壤初始含水率、水和溶质的施加速率及溶质的施加方法等。其中，土壤大孔隙连通性能够促进水分和溶质沿优先流路径绕过大部分土壤基质快速运移，从而有可能引起地下水污染。

土壤大孔隙连通性的强弱肉眼难以识别及量化，需要以水文连通理论为参考，解决制约水分运动的技术难题。水文连通以水流为载体，反映物质、能量、生物等在水文要素内或要素间交换的便利程度，但是，目前的研究主要从宏观尺度对山坡-河流、河流-地下水、河流-洪泛平原、河流-湖泊以及横-纵向水文连通性进行评价，多为理论层面的定性分析，缺少微观尺度水文连通性评价方法，难以定量化，且难以在水文或其他方面得到广泛应用。

微观尺度水文连通性促进土壤水分、溶质及能量等的优先快速运移，因此，亟需一种从微观尺度构建土壤的水文连通指数的方法。

发明内容

为了能从微观尺度研究水文连通性，本申请提供一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法及装置。

第一方面，本申请提供一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法，采用如下的技术方案：

一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法，包括：

获取土壤横向剖面染色图，所述土壤横向剖面染色图是由野外土壤剖面染色示踪试验提取得到；

将所述土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图；

对所述黑白二相图进行降噪处理；

对降噪处理后的黑白二相图进行二值化处理；

分别统计降噪处理后的黑白二相图的染色区域像素点个数以及总像素点个数，计算染色区域像素点个数与总像素点个数之比，即为染色面积比；

计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数；

耦合所述染色面积比和所述分形维数，构建水文连通指数。

优选的，所述土壤横向剖面染色图是由野外土壤剖面染色示踪试验提取得到包括：

选择地势平坦、无明显积水、土壤分层明显的区域设置样方，向样方内均匀施加亮蓝溶液，采用不透光塑料薄膜遮盖染色区域；

在施加亮蓝溶液一定时间后，以土壤表面为基准面，自上而下每隔预设土壤深度依次开挖土壤横向剖面，所切剖面深度不低于最大染色深度，拍摄土壤横向剖面，得到所述土壤横向剖面染色图。

优选的，所述将所述土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图包括：

确定所述土壤横向剖面染色图的染色区域和未染色区域，并调整图像明度和颜色容差；

将调整后的图像转换为灰度模式，将灰度模式下的染色区域的颜色替换为黑色，并将灰度模式下的未染色区域的颜色替换为白色，或者，将灰度模式下的染色区域的颜色替换为白色，并将灰度模式下的未染色区域的颜色替换为黑色。

优选的，所述分别统计降噪处理后的黑白二相图的染色区域像素点个数以及总像素点个数包括：

采用Image-Pro Plus变换降噪处理后的黑白二相图的染色区域的颜色，统计变换颜色后的染色区域像素点个数以及整幅图像的总像素点个数。

优选的，所述计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数包括：

采用计盒维数法、小岛法或者垂直断面法计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数。

优选的，所述采用计盒维数法计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数包括：

将盒子以网格形式覆盖在二值化处理后的黑白二相图上，其中，网格边长为r，覆盖染色区域的网格数为N(r)，不断缩小网格边长r，并记录网格数N(r)，当网格边长r趋近于0时，利用最小二乘法对所有网格边长r和网格数N(r)的对数值进行拟合，所得直线斜率的绝对值即为染色区域的分形维数。

优选的，所述耦合所述染色面积比和所述分形维数，构建水文连通指数包括：

设染色面积比为x，分形维数为y，水文连通指数限定值为z，利用Matlab软件的Curve Fitting拟合函数分别对x、y和x、y、z两组数据进行拟合，得到y关于x的拟合方程和z关于x、y的拟合方程，最后得到z关于x的拟合方程，即，已知一土壤深度横向剖面的染色面积比，即可确定该土壤深度的水文连通指数模拟值。

第二方面，本申请提供一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置，采用如下的技术方案：

一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置，包括：

获取模块，用于获取土壤横向剖面染色图，所述土壤横向剖面染色图是由野外土壤剖面染色示踪试验提取得到；

转换模块，用于将所述土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图；

降噪模块，用于对所述黑白二相图进行降噪处理；

二值化模块，用于对降噪处理后的黑白二相图进行二值化处理；

第一计算模块，用于分别统计降噪处理后的黑白二相图的染色区域像素点个数以及总像素点个数，计算染色区域像素点个数与总像素点个数之比，即为染色面积比；

第二计算模块，用于计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数；

耦合构建模块，用于耦合所述染色面积比和所述分形维数，构建水文连通指数。

通过采用上述技术方案，基于野外土壤剖面染色示踪、染色图像定量化和室内计算机数据分析软件，将土壤横向剖面染色面积比与分形维数耦合，构建不同土壤深度水文连通指数，以反映水文连通性的强弱，解决微观尺度水文连通性难以定量化难题，丰富水文学理论，强化对微观尺度水文连通性认知，且切实可行，简便有效。

附图说明

图1是本申请实施例的基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法的流程示意图。

图2是本申请实施例的土壤横向剖面染色示意图。

图3是本申请实施例的分形维数随染色面积比的变化示意图。

图4是本申请实施例的水文连通指数限定值的空间分布图。

图5是本申请实施例的基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置200的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本实施例提供的一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法的流程示意图。如图1所示，该方法的主要流程描述如下(步骤S101～S107)：

步骤S101,获取土壤横向剖面染色图，土壤横向剖面染色图是由野外土壤剖面染色示踪试验提取得到；

选择地势平坦、无明显积水、土壤分层明显的区域设置例如1.2m×1.2m的样方，清理地表枯落物以及植物残体，以减少对地表扰动，然后向样方内均匀施加例如浓度4g/L、体积50L的亮蓝溶液，待施加完成后，采用不透光塑料薄膜遮盖染色区域，避免降雨冲刷，并减少水分蒸发。

在施加亮蓝溶液一定时间例如24h后，以土壤表面为基准面，自上而下每隔预设土壤深度(例如10cm)依次开挖土壤横向剖面，所切剖面深度不低于最大染色深度，并采用高分辨率数码相机拍摄土壤横向剖面，拍摄过程中应保持相机镜头与土壤横向剖面平行，最终得到多张土壤横向剖面染色图。

图2示出了一种1m×1m样方、预设土壤深度10cm的土壤横向剖面染色示意图。由图2可知，染色区域的面积随土壤深度的增加而减小。

步骤S102,将土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图；

为便于后续的图像分析与处理，需要先将彩色的土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图。具体的，确定土壤横向剖面染色图的染色区域和未染色区域，并调整图像明度和颜色容差；将调整后的图像转换为灰度模式，将灰度模式下的染色区域的颜色替换为黑色，并将灰度模式下的未染色区域的颜色替换为白色，或者，将灰度模式下的染色区域的颜色替换为白色，并将灰度模式下的未染色区域的颜色替换为黑色。

优选的，上述图像处理可采用Photoshop软件进行操作。先用吸管工具确定土壤横向剖面染色图中的染色区域和未染色区域，并通过图像-调整-颜色替换功能，适当调整图像明度和颜色容差，然后，将图片转换为灰度模式，通过图像-阈值功能，通过不断地调整阈值，使染色区域由蓝色全部变为黑色或白色，并使未染色区域变为黑色或白色。需要注意的是，为区分染色区域和未染色区域，染色区域和未染色区域必须一个是白色，一个是黑色。

步骤S103,对黑白二相图进行降噪处理；

可采用Image-Pro Plus对黑白二相图进行降噪处理，点击Process-Filter-Morphological，先采用Erode运算，再采用Dilate运算。

步骤S104,对降噪处理后的黑白二相图进行二值化处理；

由于通过Photoshop软件替换颜色后的黑白染色图像的位图数值矩阵并不是二元数值矩阵，还含有存在于0～255之间的其他灰度值，因此，黑白二相图并未呈现出明显的黑白效果。而后续分形维数的计算要求图像基于0和255的二元位图数值矩阵，因此，需要进行二值化处理，删除位图数值矩阵中的0和255以外的其他灰度值，可以简化图像属性信息，并可提高运算量。

具体的，可采用Image-Pro Plus软件对图像进行二值化处理。通过Edit-ConvertTo-Gray Scale 8功能将图像转化为8bit的灰度图，然后点击Process-Threshold，在Segmentation对话框中选择Histogram Based选项卡，调整合适的阈值，最后得出仅由0和255组成的二元数值矩阵。

步骤S105,分别统计降噪处理后的黑白二相图的染色区域像素点个数以及总像素点个数，计算染色区域像素点个数与总像素点个数之比，即为染色面积比；

染色面积比作为优先流指标的一项最基本的特征参数，其反映优先流强度，其计算公式如下：

DC＝[D/(D+ND)]100％；

式中，DC表示染色面积比；D表示染色面积；ND表示未染色面积。

用Image-Pro Plus软件打开降噪处理后的黑白二相图，点击Measure-Count/Size，再点击Select Colors，找到Color Cube Based选项卡，点击吸管工具，被选中的染色区域变为其他便于统计像素点个数的颜色，例如红色，再返回上一级，点击Count进行计算，最后点击View—Statistics，即可统计染色区域像素点个数，再统计整幅图像的总像素点个数，染色区域像素点个数与图像总像素点个数的百分比即为染色面积比。

步骤S106,计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数；

本实施例中，可采用计盒维数法、小岛法或者垂直断面法计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数。

下面以计盒维数法为例对计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数进行具体说明。

将盒子以网格形式覆盖在二值化处理后的黑白二相图上，这些网格的边长r都是相等的，覆盖染色区域的网格数为N(r)。盒子尺寸(网格边长r)不同，相应的覆盖染色区域的盒子数(网格数N(r))也会不同，盒子尺寸越大，覆盖染色区域的盒子数越少；盒子尺寸越小，覆盖染色区域的盒子数越多。

不断缩小网格边长r，并记录网格数N(r)，当网格边长r趋近于0时，利用最小二乘法对所有网格边长r和网格数N(r)的对数值进行拟合，所得直线斜率的绝对值即为染色区域的分形维数。

可利用专业软件Fractal Fox计算分形维数，其操作步骤为：首先点击Project-New，添加图像，其次在Process Current Selected Image工具栏下选择Box Counting，盒子尺寸选择默认值，最后点击Current Fractal可求出黑白二相图的分形维数。

步骤S107,耦合染色面积比和分形维数，构建水文连通指数。

首先，设染色面积比为x，分形维数为y，水文连通指数限定值为z。水文连通指数限定值为自定义的数值，将土壤横向剖面的染色面积比从0到1划分为多个数值范围，并为每个数值范围设置相应的水文连通指数限定值，染色面积比的数值范围与水文连通指数限定值之间的对应关系详见表1。

表1

假设土壤横向剖面0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm处的染色面积比(x)分别为0.98、0.88、0.78、0.68、0.58、0.48、0.38、0.28、0.18、0.08、0，由Fractal Fox计算土壤横向剖面的分形维数(y)分别为0.000，1.182，1.478，1.520，1.804，1.771，1.635，1.583，1.076，0.790，0.000，对应的水文连通指数限定值(z)分别为1.000、0.900、0.800、0.700、0.600、0.500、0.400、0.300、0.200、0.100、0.000。上述不同土壤深度横向剖面的优先流指标、水文连通指数限定值的对应关系见表2。

表2

然后在Matlab软件编辑窗口输入x、y、z数据并运行，在Matlab软件应用程序中打开Curve Fitting拟合函数，数据栏分别导入x、y和x、y、z两组数据，选择拟合方程polynomial(多项式)，依据拟合效果选择不同的degree(阶数)，可得出y关于x的拟合方程①和z关于x、y的拟合方程②。

拟合方程①：y＝-1.331x

拟合方程②：z＝0.0005546+0.9973x+0.03289y+0.02201x

分形维数随染色面积比的变化如图3所示，且水文连通指数限定值的空间分布图如图4所示。

最后根据拟合方程①和拟合方程②得到z关于x的拟合方程，此时，当某一土壤深度的横向剖面染色面积比确定后，即可求该深度的水文连通指数模拟值。染色面积比、分形维数和水文连通指数模拟值随土壤深度的变化见表3。

表3

由表2和表3可知，水文连通指数模拟值越大，对应的土壤横向剖面染色面积比越大，优先运移路径越丰富，其反映的水文连通性越好。

图5为本申请实施例提供的一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置200的结构框图。如图5所示，该基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置200主要包括：

获取模块201，用于获取土壤横向剖面染色图，所述土壤横向剖面染色图是由野外土壤剖面染色示踪试验提取得到；

转换模块202，用于将所述土壤横向剖面染色图转换为黑白二相图；

降噪模块203，用于对所述黑白二相图进行降噪处理；

二值化模块204，用于对降噪处理后的黑白二相图进行二值化处理；

第一计算模块205，用于分别统计降噪处理后的黑白二相图的染色区域像素点个数以及总像素点个数，计算染色区域像素点个数与总像素点个数之比，即为染色面积比；

第二计算模块206，用于计算二值化处理后的黑白二相图的分形维数；

耦合构建模块207，用于耦合所述染色面积比和所述分形维数，构建水文连通指数。

本申请实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。

本申请实施例提供的方法中的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例提供的一种基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置，通过前述对基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中的基于染色示踪的土壤剖面水文连通指数构建装置的实施方法，为了说明书的简洁，在此不再详述。

另外，需要理解的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖于本申请的保护范围之内。