专利名称：一种基于图像处理的土壤剖面分析装置及方法
技术领域：
本发明涉及土壤分析领域，尤其是基于图像采集处理的土壤剖面分析装置及方法。
背景技术：
林业调查中，土壤分析是一种常用手段，用于测定土壤的空隙及根系分布以及土壤性质等信息。传统土壤分析方法是通过人工采集土壤，通过观察得到土壤的颜色，空隙， 石砾和根茎分布情况等信息。由于完全通过人工进行分类与识别，传统土壤剖面方法存在速度慢，效率低，精度低，主观性强等缺点。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种土壤剖面分析装置及方法，可以克服现有的人工土壤剖面分析存在的速度慢，效率低，精度低，主观性强等缺点。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于图像处理的土壤剖面分析装置，包括图像采集单元和中央处理单元；所述图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明；图像采集设备，其用于对土壤剖面样本进行图像采集；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元；所述中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理；人机接口，其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果；所述中央处理单元控制所述图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。作为上述技术方案的优选，所述主控制器包括图像采集单元、图像分割模块及数据处理模块，其分别用于对土壤剖面样本进行图像采集并对其图像进行图像分割以及数据处理，得到所需研究组分的分布，计算得到其面积，分布等数据。本发明还提供了一种土壤剖面分析方法，所述方法包括步骤Sl 准备土壤剖面样本；S2:装置启动及初始化；S3 土壤剖面图像采集；S4:图像处理分析；S5:结果输出。作为上述技术方案的优选所述步骤S4包括S41:图像显示；S42:选择待分析区域；S43 对所选区域进行图像分割；
S44 分析分割结果的面积、分布参数。作为上述技术方案的优选所述步骤S41还包括对多种颜色标准的设定。作为上述技术方案的优选在同一地点采集的相似图像中使用同一划分颜色标准。作为上述技术方案的优选，步骤S41还包括对多种颜色相似度的设定。作为上述技术方案的优选，不同的样本图像使用不同的颜色相似度进行分割。作为上述技术方案的优选，所述步骤S3包括调节装置及照明设备位置，用于采集清晰的土壤剖面图像。作为上述技术方案的优选，所述方法还包括步骤S6 后期数据处理。(三)有益效果上述技术方案所提供的基于图像处理的土壤剖面分析装置，其包括图像采集单元和中央处理单元；所述图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明； 图像采集设备，其用于对土壤剖面样本进行图像采集；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元；所述中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理；人机接口，其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果；所述中央处理单元控制所述图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。同时本发明还提供了一种土壤剖面分析方法，本技术方案使用成像设备获得土壤样本剖面的图像后，通过图像数据处理及分析等方法，将其中的空隙，石砾，根茎以及不同性质的土壤部分分离，从而可以得到相应的土壤定量化分析数据。本装置可以在人工辅助下半自动运行，从而提高了土壤剖面分析的速度与效率。同时由于采用了量化的分析方法，使得分析结果更加公正客观，可信度更高。


图1是本发明实施例的土壤剖面分析装置的结构示意图；图2是本发明实施例的土壤剖面分析方法的流程示意图；图3是本发明实施例的图像处理分析的流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。结合附图1，本实施例提供了一种基于图像处理的土壤剖面分析装置，包括图像采集单元和中央处理单元；图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明，以便能够得到土壤剖面样本清晰的图像；图像采集设备，其用于对土壤剖面样本进行图像采集，将其图像转换成为数字化数据用于传输与处理；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元，进行处理分析；中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理，接收用户指令及输出分析结果等功能；人机接口， 其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果，接收用户操作以及显示图像和处理结果等功能；中央处理单元控制图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。主控制器包括图像采集单元、图像分割模块及数据处理模块，其分别用于对土壤剖面样本进行图像采集并对其图像进行图像分割以及数据处理，得到所需研究组分的分布，计算得到其面积，分布等数据。结合图2，本发明实施例还提供了一种应用上述土壤剖面分析装置的土壤剖面分析方法，该方法包括步骤Sl 准备土壤剖面样本，选择合适的地点采集土壤剖面并制作土壤剖面样本，使其能够反映所在地区土壤的各种组分分布的典型情况，选取代表性高并且适合图像采集的合适的土壤剖面样本进行采集方便后续步骤。S2:装置启动及初始化，并等待系统自动完成初始化并进入工作状态，如一些初始化参数的设置。S3 土壤剖面图像采集，将土壤剖面样本放置在图像采集单元前方合适位置，并根据光照情况适当调整照明设备，使土壤中各个部分的色彩差异明显，从而能够采集得到清晰明亮的图像。然后通过中央处理单元控制图像采集单元对土壤剖面样本进行图像采集， 得到土壤剖面图像。步骤S3包括调节装置及照明设备位置，用于采集清晰的土壤剖面图像。将土壤剖面样本置于合适的位置并调节照明至适合图像采集，中央处理单元通过同摄像模块进行通信，控制其进行图像采集工作，并接收图像数据。S4:图像处理分析，具体的，人工选择图像中需要分析的组分区域，例如其中的空隙，石砾，根茎以及不同性质的土壤，系统自动按照选择的部分对图像进行分割。本实施例中的图像处理分析方法为，基于颜色分割的图像分割算法。该算法将图像的各个部分分割提取，根据人工选择的各个部分在图像中寻找颜色相似的部分进行划分，并对其区域进行分析并处理分割后的区域，得到分析结果分别得到每个部分的分布区域，包括分布、比例等所需的参数。S5:结果输出，根据所需研究具体情况对处理结果进行进一步处理分析得到初步分析结果后。该方法还包括步骤S6 后期数据处理。得到初步分析结果后，可以将分析结果以及其他相关数据导出，并传输至其他设备中进行后续处理，以使用不同的处理方法达到不同的研究目的。采用基于颜色的图像分割算法进行前期处理，得到土壤中各个部分的分布以及分析结果，具体过程如下，结合图3，本实施例中图像处理分析步骤S4具体包括S41 图像显示；中央处理单元接收到图像数据后可以将图像显示出来供操作者判断图像质量，并选择质量较高的图像进行后续处理工作。步骤S41还包括对多种颜色标准的设定，在同一地点采集的相似图像中使用同一划分颜色标准。在同一地点采集的相似图像中使用同一组划分颜色标准，从而可以统一图像分割标准，提高图像处理效率与速度，减少操作人员工作量。步骤S41还包括对多种颜色相似度的设定，不同的样本图像使用不同的颜色相似度进行分割。对图像进行分割时，可以由操作人员设定不同的分割颜色相似度，根据不同的样本图像情况使用不同的相似度进行分割，从而提高分割的准确度。S42:选择待分析区域，根据所需在图中由操作人员标示出不同组分的典型区域例如上述的土壤中的空隙，石烁，根茎以及不同性质的土壤即初始点的标识，以这些区域的颜色作为标准在图中寻找颜色相似的区域，从而对图像进行分割。S43 对所选区域进行图像分割，具体的算法为根据分割区域的颜色对图像整体按照成分进行分割。在全图中搜索与标记的部分颜色匹配的部分，并将其区域进行分割。采用这种方法可以减少人工工作量并增加效率，可以在同一批的相似样本中使用同一组区域颜色数据进行划分，这样在保证分割精度的同时能够减少人工选择次数，提高分析速度。分别提取所选区域的颜色数据，作为标准数据，在图像中寻找所有和标准数据相近的点，作为分割区域。其中分割时所用的颜色相似度可以调节，从而可以由操作人员确定合适的相似度进行分割，以达到较准确的分割结果。。S44:得到分割的区域后，可以对区域进行计算面积，分布等分析，得到分析结果， 用于后续所需的处理分析工作。本发明的土壤剖面分析装置以及处理分析算法能够实现对土壤样本的快速准确的分析工作，得到准确客观的数据，简化了土壤剖面分析过程，节省了处理分析时间，同时由于本系统实现了全过程数字化自动化，提高了操作人员的效率。由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用基于图像处理的土壤剖面分析装置，其包括图像采集单元和中央处理单元；所述图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明；图像采集设备，其用于对土壤剖面样本进行图像采集；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元；所述中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理；人机接口，其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果；所述中央处理单元控制所述图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。同时本发明还提供了一种土壤剖面分析方法，本技术方案使用成像设备获得土壤样本剖面的图像后，通过图像数据处理及分析等方法，将其中的空隙，石砾，根茎以及不同性质的土壤部分分离，从而可以得到相应的土壤定量化分析数据。本装置可以在人工辅助下半自动运行，从而提高了土壤剖面分析的速度与效率。同时由于采用了量化的分析方法， 使得分析结果更加公正客观，可信度更高。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于图像处理的土壤剖面分析装置，其特征在于，包括图像采集单元和中央处理单元；所述图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明；图像采集设备， 其用于对土壤剖面样本进行图像采集；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元；所述中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理；人机接口，其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果；所述中央处理单元控制所述图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。
2.根据权利要求1所述的土壤剖面分析装置，其特征在于，所述主控制器包括图像采集单元、图像分割模块及数据处理模块，其分别用于对土壤剖面样本进行图像采集并对其图像进行图像分割以及数据处理。
3.一种应用权利要求1所述装置的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述方法包括步骤51准备土壤剖面样本；52装置启动及初始化；53土壤剖面图像采集；54图像处理分析；55结果输出。
4.根据权利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步骤S4包括541图像显示；542选择待分析区域；543对所选区域进行图像分割；544分析分割结果的面积、分布参数。
5.根据权利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步骤S41包括对多种颜色标准的设定。
6.根据权利要求5所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，在同一地点采集的相似图像中使用同一划分颜色标准。
7.根据权利要求4所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，步骤S41包括对多种颜色相似度的设定。
8.根据权利要求7所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，不同的样本图像使用不同的颜色相似度进行分割。
9.根据权利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括调节装置及照明设备位置，用于采集清晰的土壤剖面图像。
10.根据权利要求3所述的土壤剖面分析方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S6 后期数据处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于图像处理的土壤剖面分析装置，其包括图像采集单元和中央处理单元；图像采集单元包括照明设备，其用于为待测土壤剖面提供照明；图像采集设备，其用于对土壤剖面样本进行图像采集；以及图像数据传输接口，其用于将图像数据传输至中央处理单元；中央处理单元包括主控制器，其用于控制整个装置运行、人机交互以及数据处理；人机接口，其用于接收用户指令以及显示图像及处理结果；中央处理单元控制图像采集单元运行并接收其采集的图像数据。本装置可以在人工辅助下半自动运行，从而提高了土壤剖面分析的速度与效率。本发明还提供了一种土壤剖面分析方法，由于采用了量化的分析方法，使得分析结果更加公正客观，可信度更高。
文档编号G01N21/84GK102565058SQ20111044115
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者余新晓, 张振明, 樊登星, 谷建才, 陆贵巧, 陈丽华 申请人:北京林业大学