一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置及方法
2023-04-22 19:29:56
專利名稱：一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置及方法
技術領域：
本發明涉及土壤分析領域，尤其是基於圖像採集處理的土壤剖面分析裝置及方法。
背景技術：
林業調查中，土壤分析是一種常用手段，用於測定土壤的空隙及根系分布以及土壤性質等信息。傳統土壤分析方法是通過人工採集土壤，通過觀察得到土壤的顏色，空隙， 石礫和根莖分布情況等信息。由於完全通過人工進行分類與識別，傳統土壤剖面方法存在速度慢，效率低，精度低，主觀性強等缺點。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種土壤剖面分析裝置及方法，可以克服現有的人工土壤剖面分析存在的速度慢，效率低，精度低，主觀性強等缺點。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，包括圖像採集單元和中央處理單元；所述圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明；圖像採集設備，其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理；人機接口，其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果；所述中央處理單元控制所述圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。作為上述技術方案的優選，所述主控制器包括圖像採集單元、圖像分割模塊及數據處理模塊，其分別用於對土壤剖面樣本進行圖像採集並對其圖像進行圖像分割以及數據處理，得到所需研究組分的分布，計算得到其面積，分布等數據。本發明還提供了一種土壤剖面分析方法，所述方法包括步驟Sl 準備土壤剖面樣本；S2:裝置啟動及初始化；S3 土壤剖面圖像採集；S4:圖像處理分析；S5:結果輸出。作為上述技術方案的優選所述步驟S4包括S41:圖像顯示；S42:選擇待分析區域；S43 對所選區域進行圖像分割；
S44 分析分割結果的面積、分布參數。作為上述技術方案的優選所述步驟S41還包括對多種顏色標準的設定。作為上述技術方案的優選在同一地點採集的相似圖像中使用同一划分顏色標準。作為上述技術方案的優選，步驟S41還包括對多種顏色相似度的設定。作為上述技術方案的優選，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。作為上述技術方案的優選，所述步驟S3包括調節裝置及照明設備位置，用於採集清晰的土壤剖面圖像。作為上述技術方案的優選，所述方法還包括步驟S6 後期數據處理。(三)有益效果上述技術方案所提供的基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像採集單元和中央處理單元；所述圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明； 圖像採集設備，其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理；人機接口，其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果；所述中央處理單元控制所述圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。同時本發明還提供了一種土壤剖面分析方法，本技術方案使用成像設備獲得土壤樣本剖面的圖像後，通過圖像數據處理及分析等方法，將其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質的土壤部分分離，從而可以得到相應的土壤定量化分析數據。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。同時由於採用了量化的分析方法，使得分析結果更加公正客觀，可信度更高。
圖1是本發明實施例的土壤剖面分析裝置的結構示意圖；圖2是本發明實施例的土壤剖面分析方法的流程示意圖；圖3是本發明實施例的圖像處理分析的流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。結合附圖1，本實施例提供了一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，包括圖像採集單元和中央處理單元；圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明，以便能夠得到土壤剖面樣本清晰的圖像；圖像採集設備，其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集，將其圖像轉換成為數位化數據用於傳輸與處理；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元，進行處理分析；中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理，接收用戶指令及輸出分析結果等功能；人機接口， 其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果，接收用戶操作以及顯示圖像和處理結果等功能；中央處理單元控制圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。主控制器包括圖像採集單元、圖像分割模塊及數據處理模塊，其分別用於對土壤剖面樣本進行圖像採集並對其圖像進行圖像分割以及數據處理，得到所需研究組分的分布，計算得到其面積，分布等數據。結合圖2，本發明實施例還提供了一種應用上述土壤剖面分析裝置的土壤剖面分析方法，該方法包括步驟Sl 準備土壤剖面樣本，選擇合適的地點採集土壤剖面並製作土壤剖面樣本，使其能夠反映所在地區土壤的各種組分分布的典型情況，選取代表性高並且適合圖像採集的合適的土壤剖面樣本進行採集方便後續步驟。S2:裝置啟動及初始化，並等待系統自動完成初始化並進入工作狀態，如一些初始化參數的設置。S3 土壤剖面圖像採集，將土壤剖面樣本放置在圖像採集單元前方合適位置，並根據光照情況適當調整照明設備，使土壤中各個部分的色彩差異明顯，從而能夠採集得到清晰明亮的圖像。然後通過中央處理單元控制圖像採集單元對土壤剖面樣本進行圖像採集， 得到土壤剖面圖像。步驟S3包括調節裝置及照明設備位置，用於採集清晰的土壤剖面圖像。將土壤剖面樣本置於合適的位置並調節照明至適合圖像採集，中央處理單元通過同攝像模塊進行通信，控制其進行圖像採集工作，並接收圖像數據。S4:圖像處理分析，具體的，人工選擇圖像中需要分析的組分區域，例如其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質的土壤，系統自動按照選擇的部分對圖像進行分割。本實施例中的圖像處理分析方法為，基於顏色分割的圖像分割算法。該算法將圖像的各個部分分割提取，根據人工選擇的各個部分在圖像中尋找顏色相似的部分進行劃分，並對其區域進行分析並處理分割後的區域，得到分析結果分別得到每個部分的分布區域，包括分布、比例等所需的參數。S5:結果輸出，根據所需研究具體情況對處理結果進行進一步處理分析得到初步分析結果後。該方法還包括步驟S6 後期數據處理。得到初步分析結果後，可以將分析結果以及其他相關數據導出，並傳輸至其他設備中進行後續處理，以使用不同的處理方法達到不同的研究目的。採用基於顏色的圖像分割算法進行前期處理，得到土壤中各個部分的分布以及分析結果，具體過程如下，結合圖3，本實施例中圖像處理分析步驟S4具體包括S41 圖像顯示；中央處理單元接收到圖像數據後可以將圖像顯示出來供操作者判斷圖像質量，並選擇質量較高的圖像進行後續處理工作。步驟S41還包括對多種顏色標準的設定，在同一地點採集的相似圖像中使用同一划分顏色標準。在同一地點採集的相似圖像中使用同一組劃分顏色標準，從而可以統一圖像分割標準，提高圖像處理效率與速度，減少操作人員工作量。步驟S41還包括對多種顏色相似度的設定，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。對圖像進行分割時，可以由操作人員設定不同的分割顏色相似度，根據不同的樣本圖像情況使用不同的相似度進行分割，從而提高分割的準確度。S42:選擇待分析區域，根據所需在圖中由操作人員標示出不同組分的典型區域例如上述的土壤中的空隙，石爍，根莖以及不同性質的土壤即初始點的標識，以這些區域的顏色作為標準在圖中尋找顏色相似的區域，從而對圖像進行分割。S43 對所選區域進行圖像分割，具體的算法為根據分割區域的顏色對圖像整體按照成分進行分割。在全圖中搜索與標記的部分顏色匹配的部分，並將其區域進行分割。採用這種方法可以減少人工工作量並增加效率，可以在同一批的相似樣本中使用同一組區域顏色數據進行劃分，這樣在保證分割精度的同時能夠減少人工選擇次數，提高分析速度。分別提取所選區域的顏色數據，作為標準數據，在圖像中尋找所有和標準數據相近的點，作為分割區域。其中分割時所用的顏色相似度可以調節，從而可以由操作人員確定合適的相似度進行分割，以達到較準確的分割結果。。S44:得到分割的區域後，可以對區域進行計算面積，分布等分析，得到分析結果， 用於後續所需的處理分析工作。本發明的土壤剖面分析裝置以及處理分析算法能夠實現對土壤樣本的快速準確的分析工作，得到準確客觀的數據，簡化了土壤剖面分析過程，節省了處理分析時間，同時由於本系統實現了全過程數位化自動化，提高了操作人員的效率。由以上實施例可以看出，本發明實施例通過採用基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像採集單元和中央處理單元；所述圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明；圖像採集設備，其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理；人機接口，其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果；所述中央處理單元控制所述圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。同時本發明還提供了一種土壤剖面分析方法，本技術方案使用成像設備獲得土壤樣本剖面的圖像後，通過圖像數據處理及分析等方法，將其中的空隙，石礫，根莖以及不同性質的土壤部分分離，從而可以得到相應的土壤定量化分析數據。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。同時由於採用了量化的分析方法， 使得分析結果更加公正客觀，可信度更高。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，其特徵在於，包括圖像採集單元和中央處理單元；所述圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明；圖像採集設備， 其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元；所述中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理；人機接口，其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果；所述中央處理單元控制所述圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。
2.根據權利要求1所述的土壤剖面分析裝置，其特徵在於，所述主控制器包括圖像採集單元、圖像分割模塊及數據處理模塊，其分別用於對土壤剖面樣本進行圖像採集並對其圖像進行圖像分割以及數據處理。
3.一種應用權利要求1所述裝置的土壤剖面分析方法，其特徵在於，所述方法包括步驟51準備土壤剖面樣本；52裝置啟動及初始化；53土壤剖面圖像採集；54圖像處理分析；55結果輸出。
4.根據權利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，所述步驟S4包括541圖像顯示；542選擇待分析區域；543對所選區域進行圖像分割；544分析分割結果的面積、分布參數。
5.根據權利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，所述步驟S41包括對多種顏色標準的設定。
6.根據權利要求5所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，在同一地點採集的相似圖像中使用同一划分顏色標準。
7.根據權利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，步驟S41包括對多種顏色相似度的設定。
8.根據權利要求7所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，不同的樣本圖像使用不同的顏色相似度進行分割。
9.根據權利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，所述步驟S3包括調節裝置及照明設備位置，用於採集清晰的土壤剖面圖像。
10.根據權利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特徵在於，所述方法還包括步驟S6 後期數據處理。
全文摘要
本發明公開了一種基於圖像處理的土壤剖面分析裝置，其包括圖像採集單元和中央處理單元；圖像採集單元包括照明設備，其用於為待測土壤剖面提供照明；圖像採集設備，其用於對土壤剖面樣本進行圖像採集；以及圖像數據傳輸接口，其用於將圖像數據傳輸至中央處理單元；中央處理單元包括主控制器，其用於控制整個裝置運行、人機互動以及數據處理；人機接口，其用於接收用戶指令以及顯示圖像及處理結果；中央處理單元控制圖像採集單元運行並接收其採集的圖像數據。本裝置可以在人工輔助下半自動運行，從而提高了土壤剖面分析的速度與效率。本發明還提供了一種土壤剖面分析方法，由於採用了量化的分析方法，使得分析結果更加公正客觀，可信度更高。
文檔編號G01N21/84GK102565058SQ20111044115
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者餘新曉, 張振明, 樊登星, 谷建才, 陸貴巧, 陳麗華 申請人:北京林業大學