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1 中 国 农 学 通 报 2016,32(14): Chinese Agricultural Science Bulletin 基 于 医 学 CT 和 工 业 CT 扫 描 研 究 土 壤 大 孔 隙 结 构 特 征 的 区 别 刘 勇, 胡 霞, 李 宗 超, 孙 贞 婷 ( 北 京 师 范 大 学 减 灾 与 应 急 管 理 研 究 院 / 环 境 演 变 与 自 然 灾 害 教 育 部 重 点 实 验 室, 北 京 ) 摘 要 : 为 探 究 医 学 CT 与 工 业 CT 在 土 壤 大 孔 隙 特 征 扫 描 研 究 应 用 的 区 别, 选 取 青 海 地 区 金 露 梅 灌 丛 原 状 土 壤 样 品, 分 别 采 用 医 学 和 工 业 2 种 CT 对 其 进 行 扫 描, 通 过 对 扫 描 图 像 的 分 析 和 处 理, 对 比 分 析 2 种 CT 扫 描 的 断 层 图 像 质 量 土 壤 大 孔 隙 三 维 图 像 以 及 孔 隙 度 特 征 3 个 方 面 特 征, 分 析 2 种 CT 研 究 土 壤 大 孔 隙 特 征 的 差 异 研 究 结 果 表 明 :(1) 从 扫 描 土 壤 横 断 面 图 像 质 量 来 看, 工 业 CT 的 图 像 质 量 要 明 显 高 于 医 学 CT 图 像 ;(2)2 种 CT 图 像 经 处 理 堆 栈 出 的 三 维 图 像 在 形 态 上 相 似, 但 是 工 业 CT 解 析 出 的 三 维 图 能 更 好 地 体 现 出 不 同 深 度 的 土 壤 孔 隙 分 布 ;(3)2 种 CT 图 像 经 处 理 得 到 的 孔 隙 度, 随 着 土 壤 深 度 的 变 化, 其 特 征 在 整 体 趋 势 上 大 致 相 同, 但 工 业 CT 能 更 准 确 地 反 映 较 深 层 次 土 壤 的 孔 隙 度 因 此 可 以 根 据 不 同 的 需 求 选 择 适 宜 的 CT 关 键 词 : 工 业 CT; 医 学 CT; 土 壤 大 孔 隙 中 图 分 类 号 :S152.2 文 献 标 志 码 :A 论 文 编 号 :casb Difference of Soil Macropore Structure Scanned by Medical CT and Industrial CT Liu Yong, Hu Xia, Li Zongchao, Sun Zhenting (Academy of Disaster Reduction and Emergency Management, Beijing Normal University/ Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education, Beijing ) Abstract: In order to explore the difference between medical CT and industrial CT in their application to soil macropore structure scanning, the original state soil sample under bush cinquefoil from Qinghai was scanned by medical CT and industrial CT, the quality of faultage image, three- dimensional image of macropore and macropore structure were analyzed. The results showed that: (1) the quality of industrial CT faultage image was higher than that of medical CT; (2) three-dimensional images of the two kinds of CT treatments were similar, but industrial CT image could reflect the distribution of soil macropore in different soil layers more clearly; (3) the porosity of the two kinds of CT treatment images had the same tendency with the increase of soil depth, but industrial CT could reflect deeper soil porosity more accurately. Appropriate CT treatment could be chosen according to different requirements. Key words: industrial CT; medical CT; soil macropore 0 引 言 土 壤 大 孔 隙 是 在 土 壤 涨 缩 可 溶 性 物 质 溶 解 冻 融 循 环 交 替 耕 种 等 物 理 过 程 及 蚯 蚓 等 动 物 活 动 植 物 根 系 生 长 等 生 物 过 程 的 作 用 下, 土 体 内 形 成 使 水 分 和 溶 质 优 先 迁 移 的 物 理 孔 隙 [1-3] 大 孔 隙 的 存 在 可 形 成 大 孔 隙 流 或 优 势 流, 使 浅 层 土 壤 中 的 水 分 快 速 渗 入 土 壤 深 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 根 系 对 灌 丛 化 草 地 土 壤 大 孔 隙 形 成 及 水 分 运 移 的 影 响 ( ); 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 青 海 湖 流 域 生 态 水 文 过 程 与 水 分 收 支 研 究 ( ) 第 一 作 者 简 介 : 刘 勇, 男,1990 年 出 生, 山 东 枣 庄 人, 硕 士, 主 要 从 事 土 壤 物 理 及 其 生 态 功 能 研 究 [email protected] 通 讯 作 者 : 胡 霞, 女,1978 年 出 生, 江 苏 淮 安 人, 副 教 授, 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 土 壤 物 理 及 其 生 态 功 能 研 究 通 信 地 址 : 北 京 市 海 淀 区 学 院 南 路 12 号 北 京 师 范 大 学 减 灾 与 应 急 管 理 研 究 院,Tel: , [email protected] 收 稿 日 期 : , 修 回 日 期 :

2 刘 勇 等 : 基 于 医 学 CT 和 工 业 CT 扫 描 研 究 土 壤 大 孔 隙 结 构 特 征 的 区 别 107 处 或 地 下 水 中, 加 快 了 地 下 水 响 应 速 度, 增 加 土 壤 通 气 性, 提 高 降 水 的 入 渗 率, 改 变 了 坡 地 径 流 的 形 成 过 程 和 [4-7] 不 同 径 流 成 分 的 比 例 为 了 更 好 的 分 析 土 壤 大 孔 隙 的 特 性 及 其 对 水 流 溶 质 运 移 特 性 的 影 响, 首 先 要 确 定 土 壤 中 大 孔 隙 的 数 目 大 小 形 状 以 及 连 通 性 等 基 本 属 性 众 多 研 究 表 明, 由 于 缺 乏 先 进 的 非 破 坏 性 的 定 量 技 术, 测 量 大 孔 隙 [1] 属 性 的 工 作 十 分 困 难 随 着 科 学 技 术 的 进 步,CT 扫 描 技 术 逐 渐 成 为 无 损 检 测 土 壤 结 构 的 有 效 手 段, 包 括 [8-11] 检 测 土 壤 大 孔 隙 结 构 通 过 对 CT 图 像 的 分 析, 定 量 获 取 了 土 壤 孔 隙 的 大 小 分 布 以 及 连 通 性 参 数, 通 常 [12-13] 把 影 像 中 孔 径 大 于 1mm 的 孔 隙 定 义 为 大 孔 隙 依 靠 CT 扫 描 分 析 得 到 的 根 系 体 积 和 表 面 积 对 比 传 统 的 根 洗 法 得 到 的 数 据 一 致, 孔 隙 分 析 也 与 传 统 的 物 理 方 [14] 法 得 到 的 数 据 相 同 CT 技 术 可 以 动 态 定 量 无 损 地 分 析 土 壤 结 构 和 植 被 根 系 与 常 规 土 壤 物 理 分 析 方 法 相 比,CT 具 有 分 析 速 度 快, 可 以 进 行 三 维 立 体 分 析 [15] 等 优 点 CT 扫 描 还 具 有 以 下 特 点 :(1) 提 高 空 间 分 布 率 和 密 度 分 布 率 ( 通 常 <0.5%);(2) 在 有 位 移 的 穿 透 能 量 下, 不 受 试 件 几 何 结 构 的 限 制 ;(3) 成 像 精 度 高, [16] 可 实 现 直 观 的 三 维 图 像 随 着 CT 技 术 和 各 专 业 学 科 的 发 展,CT 在 物 质 探 测 方 面 所 具 有 的 巨 大 的 优 势 使 得 CT 技 术 在 非 医 学 领 域 如 工 业 地 球 物 理 工 程 农 [17] 业 安 全 检 测 等 行 业 得 到 了 广 泛 的 应 用 目 前, 医 学 CT 和 工 业 CT 在 土 壤 学 研 究 中 应 用 最 广, 由 于 医 学 CT 与 工 业 CT 检 测 对 象 不 同, 因 此 在 空 间 分 辨 率 CT 剂 量 以 及 能 量 等 方 面 的 参 数 有 所 不 同 工 业 CT 装 置 本 身 造 价 远 高 于 其 他 无 损 检 测 设 备, 检 [18] 测 成 本 高, 检 测 效 率 较 低, 而 医 学 CT 作 为 中 大 型 医 院 必 备 的 医 疗 仪 器, 应 用 广 泛 且 成 本 较 低 本 研 究 选 取 青 海 金 璐 梅 灌 丛 土 壤 样 品, 分 别 通 过 医 学 CT 和 工 业 CT 进 行 扫 描, 对 断 层 影 像 进 行 阈 值 分 割 提 分 析, 研 究 土 壤 大 孔 隙 结 构 特 征, 在 考 虑 经 济 成 本 的 前 提 下 分 析 对 比 两 种 CT 扫 描 技 术 下 所 获 取 的 土 壤 大 孔 隙 图 像 的 区 别, 以 期 更 加 准 确 有 效 地 分 析 土 壤 大 孔 隙 特 征, 探 明 土 壤 孔 隙 特 征 与 水 分 运 移 的 相 互 关 系 1 材 料 与 方 法 1.1 样 品 采 集 笔 者 选 择 青 海 湖 流 域 地 区 金 璐 梅 灌 丛 草 地 作 为 研 究 样 地, 利 用 PVC 管 压 取 原 状 土 柱 PVC 管 为 圆 柱 状, 直 径 100 mm 管 壁 厚 度 4 mm 长 度 500 mm( 分 析 有 效 长 度 为 土 壤 表 层 110 mm 左 右 ), 将 PVC 管 的 一 端 打 磨 成 刀 口, 沿 着 事 先 挖 好 的 剖 面 轻 轻 敲 入 土 壤 中, 采 样 深 度 0~400 mm, 将 其 压 入 采 集 地 的 土 壤 中, 然 后 整 个 取 出, 用 海 绵 包 裹 所 得 PVC 管 内 的 原 状 土 称 作 土 芯 通 过 室 内 分 析 测 定 得 到 土 壤 基 本 理 化 性 质 如 表 CT 扫 描 医 学 CT 采 用 北 京 市 石 景 山 医 院 的 Light Spreed VCT(64 排 多 层 螺 旋 CT 扫 描 仪 ) 该 CT 用 于 医 学 领 表 1 金 露 梅 灌 丛 植 被 下 土 壤 的 基 本 理 化 性 质 机 械 组 成 /% 土 壤 深 度 / cm 全 氮 / (g/kg) 全 磷 / (g/kg) 有 机 质 / (g/kg) 有 效 磷 / (mg/kg) 速 效 钾 / (mg/kg) 密 度 / (g/cm 3 ) 0.25 mm Ф< 0.05 mm Ф< 0.02 mm mm Ф< Ф< Ф < mm 0.25 mm 0.05 mm 0.02 mm mm 0~ ~ ~ ~ ~ 域 的 人 体 扫 描, 为 了 扫 描 土 壤 样 品, 须 重 新 设 定 参 数 经 调 整, 峰 值 电 压 定 为 130 kv, 电 流 为 200 ma, 每 圈 扫 描 时 间 为 0.8 s, 螺 距 为 0.984:1 得 到 大 小 为 体 素 的 8 位 图, 每 体 素 对 应 mm mm 0.33 mm 的 样 品 工 业 CT 采 用 北 京 固 鸿 科 技 有 限 公 司 的 600 KeV 锥 束 CT 检 测 电 压 为 160 kv, 检 测 电 流 为 4.3 ma, 图 像 矩 阵 为 , 像 素 大 小 为 mm, 扫 描 层 厚 为 0.22 mm/ 层 1.3 CT 扫 描 图 片 解 译 将 CT 扫 描 断 层 图 像 导 入 Fiji 软 件, 为 了 避 开 样 品 在 运 输 和 储 存 过 程 中 PVC 管 壁 与 土 壤 边 缘 之 间 产 生 的 缝 隙, 因 此 需 要 利 用 圆 形 工 具 对 图 片 进 行 切 割 经 过 多 次 人 工 对 比 试 验, 选 择 合 适 的 阈 值, 对 所 提 图 像 进

3 108 中国农学通报 行二值化处理 黑色代表孔隙 白色代表土壤或其他介 图像中有一部分类似土壤孔隙的黑色点状在相应的工 质 图 1 中间的为二值化处理后的 CT 图像 根据二值 业图像中肉眼很容易分辨出是土壤或者是其他物质 化图像提取出土壤孔隙的轮廓 以便进行图像的堆栈 和三维图的制作 利用 Fiji 软件对得到的二值图像进 虽然医学 CT 清晰度不高 但是土壤和孔隙在图像上 差异明显 因此可以有效提取出孔隙特征 行分析处理 可以计算出孔隙的面积 周长等 这个过 2.2 医学 CT 和工业 CT 扫描土壤大孔隙的三维形态 程可以通过 Fiji 自带的脚本 对图像进行批量处理 特征 CT 图像处理过程中得到的部分图像如图 1 将 2 种 CT 扫描处理后的图像处理成土壤孔隙三 2 结果与分析 维图像 并选取其中较为典型的 2 种图像作对比 图 医学 CT 和工业 CT 扫描横断面图像对比 中紫红色部分代表土壤孔隙 对比基于 2 种 CT 扫描 将医学 CT 和工业 CT 扫描图像作对比 如图 2 图片处理得到的土壤大孔隙三维图像可知 两者的孔 两者在分辨率上具有较大的差异 工业 CT 的分辨率 隙形态和分布较为相似 从 2 幅图像均可以看出 土壤 较高 因此描出的图像清晰度要远高于医学 CT 扫描 孔隙主要分布在浅土层 即距离土壤表面较近的土 的图像 由于医学 CT 是在保证图像质量 满足诊断 层 一般情况下 蚯蚓等生物形成大孔隙且相对连续 [19] 的要求下 尽量减少病人的辐射剂量 因此分辨率较 相对比较大 呈管状 而由根系形成的大孔隙也相对比 低 而工业 CT 具有突出的密度分辨能力 高质量的 CT 较连续 圆形 且随深度增加大孔隙呈减小趋势[21] 通 图像可达 0.1% 甚至更高 比常规射线检测技术高一 过观察笔者所取土壤样品的周边环境以及土壤剖面 个数量级 对比 2 幅 CT 图片 可以发现在医学 CT 均未发现大量土壤动物活动 因此该地区的土壤孔隙 [20] 图 1 CT 图像处理流程中的部分图像 以工业 CT 图像为例 a 医学 CT b. 工业 CT 图 2 医学 CT 与工业 CT 扫描图像对比

4 刘 勇 等 : 基 于 医 学 CT 和 工 业 CT 扫 描 研 究 土 壤 大 孔 隙 结 构 特 征 的 区 别 109 图 3 医 学 CT 三 维 图 像 与 工 业 CT 三 维 图 像 的 形 成 主 要 为 植 物 根 系 作 用 对 比 分 析 2 种 CT 图 像 处 理 得 到 的 土 壤 大 孔 隙 三 维 图 像, 可 以 看 出 :(1) 医 学 图 像 三 维 图 3a 上 层 土 壤 孔 隙 比 工 业 CT 三 维 图 3b 更 为 密 集, 这 可 能 是 2 种 CT 扫 描 出 的 图 片 在 亮 度 像 素 等 细 节 上 面 有 所 差 异, 把 图 像 进 行 二 值 化 处 理 后 产 生 差 异 ;(2) 土 壤 上 部 的 孔 隙 中 残 留 着 大 量 的 植 物 根 系, 在 CT 中 扫 描 图 像 结 果 中 的 亮 度 介 于 土 壤 与 孔 隙 之 间 2 种 CT 的 空 间 分 辨 率 差 别 很 大, 且 医 学 CT 分 辨 率 要 小 于 工 业 CT, 在 医 学 CT 扫 描 图 像 上 呈 现 的 根 系 亮 度 与 孔 隙 亮 度 相 似, 因 此 医 学 CT 扫 描 处 理 的 三 维 图 像 上 部 土 壤 孔 隙 显 示 的 更 为 密 集 ;(3) 工 业 CT 三 维 图 3b 下 部 显 示 的 土 壤 孔 隙 数 量 比 医 学 CT 三 维 图 3a 密 集, 这 可 能 是 因 为 深 层 土 壤 孔 隙 较 细, 工 业 CT 能 够 清 晰 地 扫 描 出 而 医 学 CT 扫 描 不 全 而 且 扫 描 的 精 度 较 差 比 较 2 种 CT 呈 现 的 土 壤 大 孔 隙 三 维 形 态, 医 学 CT 表 现 出 的 土 壤 孔 隙 主 要 集 中 在 靠 近 地 面 的 部 分, 工 业 CT 三 维 图 像 则 能 更 好 的 体 现 出 不 同 深 度 的 土 壤 孔 隙 分 布 2.3 医 学 CT 和 工 业 CT 扫 描 的 土 壤 大 孔 隙 度 特 征 将 CT 扫 描 图 像 进 行 分 析 处 理, 得 到 土 壤 大 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 变 化 特 征 图 ( 如 图 4) 从 整 体 上 看,2 种 CT 图 像 表 现 出 的 大 孔 隙 度 变 化 趋 势 大 致 相 同, 随 着 土 壤 深 度 的 加 深, 大 孔 隙 度 逐 渐 增 大, 在 距 离 地 面 近 20 mm 处 都 出 现 峰 值, 然 后 孔 隙 度 随 深 度 的 增 大 而 降 低, 在 距 地 面 40 mm 处 以 下 孔 隙 度 的 变 化 趋 于 平 缓 图 4a 中 的 孔 隙 度 在 距 地 面 近 68 mm 处 出 现 一 个 小 的 峰 值, 图 4b 中 的 孔 隙 度 则 在 距 地 面 78 mm 处 附 近 出 现 波 动 从 具 体 孔 隙 度 的 数 值 来 看, 图 4a 的 峰 值 要 明 显 大 于 图 4b, 图 4a 最 高 峰 值 为 14.4%, 图 4b 最 高 峰 值 约 为 5% 图 4a 平 缓 的 部 分 数 值 接 近 于 0, 图 4b 平 缓 的 部 分 数 值 约 为 0.5%, 说 明 工 业 CT 图 像 能 够 表 现 出 这 段 深 度 土 层 较 小 的 孔 隙 扫 描 相 同 深 度 的 土 层, 工 业 CT 的 断 层 图 像 数 量 要 高 于 医 学 CT, 因 此 堆 栈 出 的 折 线 图 中, 图 4a 的 折 线 要 比 图 4b 较 为 平 滑, 图 4b 中 的 折 线 锯 齿 状 较 为 明 显 由 于 2 种 CT 参 数 不 同, 在 扫 描 相 同 深 度 土 壤 样 品 得 到 的 数 据 量 是 不 同 的, 为 比 较 2 组 数 据 的 拟 合 程 度, 需 要 对 两 组 数 据 进 行 处 理 土 壤 样 品 深 度 为 110 mm, 将 每 毫 米 包 含 的 数 据 计 算 出 平 均 值, 得 到 2 组 数 量 都 为 110 个 的 数 据, 然 后 对 两 组 数 据 进 行 线 性 拟 合 处 理, 如 图 5 所 示, 线 性 拟 合 结 果 r 为 0.778,2 组 数 据 变 化 趋 势 具 有 较 高 的 一 致 性 从 2 种 CT 扫 描 土 壤 大 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 变 化 特 征 来 看, 都 能 很 好 地 呈 现 出 孔 隙 度 的 变 化 趋 势, 并 且 两 者 拟 合 程 度 很 高 但 从 具 体 数 值 变 化 来 看, 在 距 地 面 40 mm 以 下 的 部 分, 医 学 CT 处 理 下 的 土 壤 孔 隙 度 数 值 接 近 于 零, 而 工 业 CT 的 孔 隙 度 数 值 介 于 0~0.01 之 间, 因 此 工 业 CT 能 更 准 确 地 反 映 出 较 深 层 次 土 壤 的 孔 隙 度 3 结 论 笔 者 通 过 2 种 CT 对 同 一 土 壤 样 品 进 行 扫 描 分 析, 从 扫 描 图 像 精 度 三 维 图 像 呈 现 以 及 大 孔 隙 度 形 态 特 征 3 方 面 来 进 行 比 较, 得 到 以 下 结 论 (1) 从 扫 描 土 壤 样 品 断 层 图 像 质 量 来 看, 工 业 CT 的 图 像 质 量 要 明 显 高 于 医 学 CT; (2) 提 取 的 2 种 CT 图 像 经 二 值 化 堆 栈 等 步 骤 得

5 110 中 国 农 学 通 报 图 4 医 学 CT 与 工 业 CT 扫 描 土 壤 大 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 变 化 特 征 图 5 医 学 CT 与 工 业 CT 线 性 拟 合 到 的 土 壤 大 孔 隙 三 维 图 像 在 形 态 上 大 致 相 似, 但 工 业 CT 图 像 更 能 很 好 的 呈 现 出 土 壤 深 层 次 的 大 孔 隙 的 分 布 ; (3)2 种 CT 图 像 经 处 理 得 到 的 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 变 化 的 特 征 在 整 体 趋 势 上 是 一 致 的, 能 直 观 地 反 映 出 土 壤 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 的 变 化 ; (4) 从 孔 隙 度 数 值 来 看,2 种 CT 图 像 经 处 理 分 析 后 得 到 的 结 果 数 值 差 异 较 大, 医 学 CT 得 到 的 孔 隙 度 值 最 大 值 与 最 小 值 相 差 较 大, 而 工 业 CT 图 像 处 理 得 到 的 孔 隙 度 值 在 距 地 面 40 mm 一 下 能 更 准 确 地 反 映 出 较 深 层 次 土 壤 的 孔 隙 度 4 讨 论 医 学 CT 在 日 常 生 活 中 很 常 见, 工 业 CT 也 广 泛 应 用 在 精 密 仪 器 检 测 上, 工 业 CT 检 测 成 本 相 对 较 高 整 个 样 品 处 理 过 程 中 断 层 图 像 分 割 的 阈 值 采 用 人 工 对 比 选 取, 存 在 一 定 的 误 差, 因 此 在 以 后 试 验 过 程 中 需 探 寻 更 为 合 适 准 确 的 方 法 从 2 种 CT 扫 描 分 析 土 壤 样 品 结 果 来 看, 反 映 出 土 壤 孔 隙 度 随 土 壤 深 度 的 变 化 是 一 致 的, 因 此 在 考 虑 经 济 成 本 的 前 提 下 选 择 医 学 CT 扫 描 来 定 性 分 析 土 壤 孔 隙 特 征 从 图 像 清 晰 程 度 来 看, 工 业 CT 断 层 图 像 的 清 晰 度 较 高, 在 人 工 设 定 阈 值 的 时 候 能 够 准 确 区 分 孔 隙 根 系 以 及 土 壤, 可 以 用 来 定 量 分 析 土 壤 孔 隙 特 征 因 此 对 于 2 种 CT, 可 以 根 据 对 土 壤 孔 隙 特 征 分 析 要 求 的 不 同 以 及 经 济 成 本 的 考 虑 选 择 合 适 的 CT 进 行 扫 描 分 析 参 考 文 献 [1] 冯 杰, 郝 振 纯.CT 扫 描 确 定 土 壤 大 孔 隙 分 布 [J]. 水 科 学 进 展,2002, 13(5): [2] 刘 伟, 区 自 清, 应 佩 峰. 土 壤 大 孔 隙 及 其 研 究 方 法 [J]. 应 用 生 态 学 报, 2001,12(3): [3] Singh P, Rameshwar K S, Thompson M. Measurement and

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