CN112858268B - 基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法 - Google Patents

基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于化学成像‑校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法，包括如下步骤：在水中溶解示踪剂，示踪剂溶液充分溶解后以入渗的形式进入土壤，进行化学成像剂配制，将化学成像剂以雾化喷洒的形式均匀的喷洒在整个剖面中；土壤剖面完全化学成像后，采用CCD数码相机对剖面进行拍照，拍照时在未化学成像区放置光线标准化调节对比色卡，对剖面和比色卡进行照相；配置不同浓度溶液，对不同溶液完全浸润的土壤进行化学成像，建立示踪剂浓度与化学成像后颜色模式之间的函数关系；采用所建立的颜色～浓度函数关系，对剖面化学成像区进行浓度解析。本发明能在任何土壤条件下，能够精确对土壤水和溶质迁移进行全域性监测。

Description

基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量 方法
技术领域
本发明属于土壤水流运动和溶质迁移监测技术领域，尤其涉及基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法。
背景技术
目前对土壤水流运动和溶质迁移进行全域性的监测方法，无论是物理方法，以及化学方法都存在着显著的缺陷。物理方法将染色剂溶解于水中，随水流运动，流动的区域被染色，未发生的流动的区域不被染色，进而确定土壤中的流动区。然而染色剂的分子直径非常大，多数情况下超过了土壤孔隙直径，且染色剂具有高度的吸附性，因而无法在土壤基质孔隙中运动，因此所确定的流动区域更主要的是土壤中发生大孔隙流动的区域，而不是实际流动区域，砂性土以外的条件下，其染色模式与实际流动模式完全不同。碘-淀粉化学成像法是典型的化学方法，在水中溶解了碘离子，发生水流运动的区域土壤溶液中含有碘离子，并氧化为碘分子后与淀粉溶液反应后发生颜色变化，确定流动区域，然而，碘只有在分子状态下才能够与淀粉发生颜色变化，而离子状态不能够发生颜色变化，碘在分子状态下极不稳定，因而，在还原性土壤条件下通常无法有效识别颜色模式，并且显色反应在低浓度条件下无法实现，通常示踪剂的浓度需要超过4.0g/l，这与实际情况下的土壤溶液浓度有着显著性的差异，通常土壤溶液的浓度范围为100～102mg/L，更为重要的是，实验方法不可避免的包括了碘离子向分子状态的氧化过程，由于碘分子的不稳定性，造成浓度解析存在着很大的不确定性。更为重要的是，淀粉吸附碘后，碘吸收的可见光的波长向短波长方向移动，因此呈现出蓝色，吸附的程度不同，呈现的颜色不同，即颜色的变化是由于碘和淀粉吸附性差异造成的，仅在碘的浓度非常高、碘能够被完全吸附的情况下，所建立的浓度～颜色关系才是合理的，然而，在100～102mg/L土壤溶液浓度范围的情况下，碘分子不能被淀粉充分吸附，在理论上也就无法建立颜色和浓度关系。发展全域性的土壤水和溶质迁移监测方法对于土壤水动力学研究具有重要的意义。目前的方法存在着较多的缺陷，特别是不能准确的对土壤中溶质迁移进行全域性监测。而本项发明则根本性的解决了这一监测问题。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供能够对土壤中水流运动和溶质迁移进行全域性监测的方法，进而能够对水流运动及其驱动条件下的溶质迁移研究提供完备的支撑。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法，包括如下步骤：
S1.在水中溶解碘酸钾作为示踪剂，其浓度不低于40mg/L，充分溶解后形成示踪剂溶液；
S2.在实验区配置的示踪剂溶液充分溶解后以入渗的形式进入土壤，用于示踪土壤中的水流运动和溶质迁移；
S3.进行化学成像剂配制，将亚铁氰化钾和硝酸银，分别溶于超纯水中，其质量浓度比为0.94：1，用震荡机震荡20分钟后，两者反应生成Ag4Fe(CN)6白色絮状沉淀，所提取上清液为化学成像剂，用于土壤剖面流动区化学成像；
S4.在实验区逐层开挖剖面后，将化学成像剂以雾化喷洒的形式均匀的喷洒在整个剖面中，发生化学反应；
S5.土壤剖面完全化学成像后，采用CCD数码相机对剖面进行拍照，拍照时在未化学成像区放置至少包括红、绿、蓝、黄、黑和白6色的光线标准化调节对比色卡，同时对剖面和比色卡进行照相；
S6.配置浓度分别为0.001M,0.005M,0.01M,0.05M,0.1M,和0.5M的溶液，其中M为实验示踪剂溶液浓度，对不同溶液完全浸润的土壤进行化学成像，与光线标准化调节对比色卡同步进行照相，确定的不同浓度下的颜色模式，建立示踪剂浓度与化学成像后颜色模式之间的函数关系；
S7.采用步骤六所建立的颜色～浓度函数关系，对剖面化学成像区进行浓度解析，获得全域性的溶质分布模式。
进一步，所述步骤S5中，对各剖面成像的照片进行标准化调节，完成图像的标准化，消除照相光线条件差异对图像解析的误差。
进一步，所述标准化调节具体方法为：设定基准条件，确定基本条件下的图像颜色模式信息，包括不同颜色的基准灰度，将土壤剖面图像由RGB模式调整为HSV模式，经过快速傅里叶变换进行高频滤波，提取图像内光线标准化调节对比色卡的灰度色阶，将各图像黑色、白色、红色、绿色、蓝色和黄色的灰色色阶值调整与基准值一致，分别计算各灰度色阶段的饱和度系数调整值，并根据饱和度调整系数对图像进行调整，使得全部土壤剖面的HSV模式一致，最后将修正后的图像由HSV模式转换为RGB模式，完成图像的标准化。
进一步，所述步骤S6中，根据Ag4[Fe(CN)6]3的浓度光谱特性，采用如下形式建立浓度～颜色关系：
Figure GDA0003632632090000031
式中r，g，b分别为化学成像点的RGB分量值，rgb＝r+g+b，C为对应点的浓度，Cs为最大浓度，a，f1～f3为根据拍摄条件下的颜色模式和浓度关系拟合确定的常数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的方法能在任何土壤条件下，通过形成稳定的、具有浓度识别条件的颜色模式，是能够精确对土壤水和溶质迁移进行全域性监测的方法。这是目前土壤水和溶质迁移监测方法所完全不具备的。
附图说明
图1是本发明中发生水流运动的试验区开挖后形成的土壤剖面。
图2对剖面采用化学成像剂进行喷洒后，流动区域由于含有示踪溶质，发生化学反应后颜色变化，而没有发生流动的区域，则不显示颜色变化。
图3为对不同剖面进行颜色校正所使用的光线标准化调节对比色卡
图4为用于确定颜色～浓度函数关系的不同浓度条件下的颜色模式
图5为根据颜色～浓度关系解析所确定的土壤剖面浓度分布模式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，在水中溶解浓度为40mg/L的碘酸钾(KIO3)作为示踪剂，充分溶解后以入渗的形式进入土壤，用于示踪土壤中的水流运动和溶质迁移。
配置化学成像剂，亚铁氰化钾(分子式为K4[Fe(CN)6])和硝酸银(分子式为AgNO3)，分别溶于的超纯水中，其质量浓度比为0.94：1，本例中将16.9g亚铁氰化钾，分子式为K4[Fe(CN)6]和27.18g硝酸银，分子式为AgNO3，分别溶于1.2L和1.8L的超纯水中，用震荡机震荡20分钟后，两者反应生成Ag4Fe(CN)6白色絮状沉淀，提取上清液，用于土壤剖面流动区化学成像(化学成像剂)。
完全入渗后，在实验区逐层开挖剖面后(如图1所示)，将化学成像剂以雾化喷洒的形式均匀的喷洒在整个剖面中，在实验区逐层开挖剖面后，将化学成像剂以雾化喷洒的形式均匀的喷洒在整个剖面中，化学成像发生如下化学反应
3Ag4[(CN)6]+8IO3 -+3Fe3+＝Ag4[Fe(CN)6]3+8AgIO3
如图2所示，化学成像剂与IO3-反应生成的Ag4[Fe(CN)6]3呈普鲁士蓝，发生流动的区域由于含有碘酸钾溶液，将发生颜色变化，而未发生流动的区域，不显现颜色变化，就实现了水流运动的全域性示踪。由于普鲁士蓝色明显区别于所有的土壤颜色，因此这一方法具有广泛的适用性。
土壤剖面完全化学成像后，采用CCD数码相机对剖面进行拍照，拍照时在未化学成像区放置至少包括红、绿、蓝、黄、黑和白6色的光线标准化调节对比色卡(如所示图3)，同时对剖面和比色卡进行照相。
配置浓度分别为0.001M，0.005M，0.01M，0.05M，0.1M，0.25M，0.5M和1M(M为实验溶液碘酸钾浓度，本实施例中为40mg/L)的溶液，对不同溶液完全浸润的土壤进行化学成像，与光线标准化调节对比色卡同步进行照相(如图4所示)。由于各剖面需要逐次形成，自然光照射条件下，剖面之间会存在色差，色差并不影响对于水流运动全局性识别，但是却影响溶质迁移浓度识别精度，则需要进行标准化调节，标准化方法为：设定基准条件，确定基本条件下的图像颜色模式信息(包括不同颜色的基准灰度)，将土壤剖面图像由RGB模式调整为HSV模式，经过快速傅里叶变换进行高频滤波，提取图像内光线标准化调节对比色卡的灰度色阶，将各图像黑色、白色、红色、绿色、蓝色和黄色的灰色色阶值调整与基准值一致，分别计算各灰度色阶段的饱和度系数调整值，并根据饱和度调整系数对图像进行调整，使得全部土壤剖面的HSV模式一致，最后将修正后的图像由HSV模式转换为RGB模式，完成图像的标准化。修正后全部图像消除了照相光线条件差异对图像解析的误差。并且根据不同浓度条件下的颜色模式，建立溶质(碘酸钾)浓度与化学成像后颜色模式(RGB)之间的函数关系，显色区IO3-与化学成像剂所生成的Ag4[Fe(CN)6]3具有明显的浓度～光谱特性，根据实验结果，采用拟合的方法建立不同浓度下的标准化后的土壤颜色RGB模式分量与Ag4[Fe(CN)6]3浓度之间偏差最小的函数关系，将设定浓度下的颜色标准化后，比较不同形式拟合方程条件下浓度～颜色RGB的拟合效果，并选择决定系数最大的方程作为浓度～颜色关系方程，如图4所示，从左至右分别为浓度为0.5M,0.1M和0.01M条件下的化学成像区颜色对比，对应浓度下RGB分别为(153,184,186)113,155,162)和(40,87,82)。
本实施例(土壤为粉质壤土)条件下，拟合得到的最优函数关系为：
Figure GDA0003632632090000051
其中，Cs为最大浓度，即入渗水中的溶质浓度，本实施例为40mg/L，r，g，b分别为化学成像点的RGB分量值，rgb＝r+g+b，C为成像点的RGB模式下的浓度值，mg/L。
根据土壤剖面显色区每一个成像点位标准化后的颜色模式，确定r，g，b值，采用以上所建立的颜色～浓度函数关系，确定每个成像点位的浓度，从而获得全域性的溶质分布模式，本实例条件下的根据土壤颜色模式解析获得的相对浓度(即
Figure GDA0003632632090000061
分布模式如图5所示。
式中包括了a、f1、f2和f3共4个自由度，土壤粘性较重的情况下，浓度分布区间较大，而砂性较大的情况下，浓度分布区间较小，所设定的浓度范围应覆盖整个浓度分布范围。对于砂性土壤(砂粒含量超过50％)，a的取值范围为0.324～0.411(实验结果)，对于壤、粘性土壤(砂粒含量小于50％)，a的取值范围为0.102～0.214，f1、f2和f3应更主要土壤显色后的光学性质影响，通过前述率定的方法确定。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于化学成像-校正分析的土壤水和溶质迁移全域性测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在水中溶解碘酸钾作为示踪剂，充分溶解后形成示踪剂溶液；
S2.在实验区配置的示踪剂溶液充分溶解后以入渗的形式进入土壤，用于示踪土壤中的水流运动和溶质迁移；
S3.进行化学成像剂配制，将亚铁氰化钾和硝酸银，分别溶于超纯水中，其质量浓度比为0.94：1，用震荡机震荡20分钟后，两者反应生成Ag4Fe(CN)6白色絮状沉淀，所提取上清液为化学成像剂，用于土壤剖面流动区化学成像；
S4.在实验区逐层开挖剖面后，将化学成像剂以雾化喷洒的形式均匀的喷洒在整个剖面中，发生化学反应；
S5.土壤剖面完全化学成像后，采用CCD数码相机对剖面进行拍照，拍照时在未化学成像区放置至少包括红、绿、蓝、黄、黑和白6色的光线标准化调节对比色卡，同时对剖面和比色卡进行照相，对各剖面成像的照片进行标准化调节，完成图像的标准化，消除照相光线条件差异对图像解析的误差，所述标准化调节具体方法为：设定基准条件，确定基准 条件下的图像颜色模式信息，包括不同颜色的基准灰度，将土壤剖面图像由RGB模式调整为HSV模式，经过快速傅里叶变换进行高频滤波，提取图像内光线标准化调节对比色卡的灰度色阶，将各图像黑色、白色、红色、绿色、蓝色和黄色的灰色色阶值调整与基准值一致，分别计算各灰度色阶段的饱和度系数调整值，并根据饱和度调整系数对图像进行调整，使得全部土壤剖面的HSV模式一致，最后将修正后的图像由HSV模式转换为RGB模式，完成图像的标准化；
S6.配置浓度分别为0.001M,0.005M,0.01M,0.05M,0.1M,和0.5M的溶液，其中M为实验示踪剂溶液浓度，对不同溶液完全浸润的土壤进行化学成像，与光线标准化调节对比色卡同步进行照相，确定的不同浓度下的颜色模式，建立示踪剂浓度与化学成像后颜色模式之间的函数关系，根据Ag4[Fe(CN)6]3的浓度光谱特性，采用如下形式建立浓度～颜色关系：
Figure FDA0003613866780000011
式中r，g，b分别为化学成像点的RGB分量值，rgb＝r+g+b，C为对应点的浓度，Cs为最大浓度，a，f1～f3为根据拍摄条件下的颜色模式和浓度关系拟合确定的常数；
S7.采用步骤六所建立的颜色～浓度函数关系，对剖面化学成像区进行浓度解析，获得全域性的溶质分布模式。
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