208 报 45卷 SM图像中孔隙的大小、面积、数量等进行测量、统 割图形相比较以获得最佳阈值。对同一图像采用 计和分类。图像分析须将灰度图像转换为黑白二元 多人分别选取后取平均值，分析结果误差控制有 图像这一步骤是保证分析结果真实反映土壤孔隙 10%以内。实践证明，目视法是一种简单和有效的 结构的关键。本研究采用目视法，即利用PP值 方法。如图1所示，分割后的二元图像中，孔隙为白 设定功能。调值调试过程中用目测方式将图像与分 色，固体颗粒为黑色。 h)CL 图1©M图像分割后的二元图像（白：孔隙.黑：周体缅粒） 1.3分维数试验方法简介 直线.则D,=1-k D采用增大分辨率并测定分散系统背景消失速 率的方法来获得到。其原理是：将图1中二元图像 2结果与分析 视为矩形土壤截面的放大，假定最初将SM设定到 仅能看到标准化孔径d,(实测孔径d,用矩形截面的 21孔径分布与孔隙度 长边去除)的最大孔隙并求得可见孔隙以外的标准 8个土样的孔隙在其孔径范围内划分成10~14 化剩余面积Aⅱ（矩形截面积与可见孔隙面积之差用 个孔径级别，d为每孔径级别对应的平均孔径。定 矩形截面积去除)：增大放大倍数，将s王M调到正好 义孔隙度为二元图像中孔隙面积与整幅图像面积的 能看见标准化孔径；的孔隙，这时标准化剩余面积 比值，则孔径分布是指各孔径级别的孔隙所对应的 为A:继续增大SM的放大倍数，如此往复进行下 孔隙度。 去。利用这些标准化的；和A;的对数值作图，若 孔径对数分布曲线（图2）显示，孔隙的孔 有直线关系且斜率为k.则D=2-km。 分布极不规则，与土壤孔隙在宏观或细观上的孔径 分布相比山.网，差异较大。总体上粉砂壤因在小孔 与众多学者采用的格子计数法不同网， 本 区(d<5m)的孔隙数量很大，导致孔隙度增大因 文基于构造步长技术(Structured walk techniqe),利 存在一些大孔隙使大孔区(d≥10m的孔隙度世 用PP扩展功能编写程序计算求得D,其优点是分 较大，中孔区(5m≤d<10m)的孔隙度相对较 形概念明确，自动化程度高，受图像精度影响小。其 小。黏壤中Q1、3样因缺乏大孔隙，使大孔区 原理是：利用PP识别二元图像（图）中的孔隙轮 的孔隙度很小。 廓，并测量其最大Frd直径Fo(孔隙轮廊断面在任 孔隙度随孔径（对数）递增的变化曲线图3)昂 意方向上投影的最大尺寸)。选择一系列递减的 示，总体上在d<0的孔隙区域，孔隙度随孔稻 值作为标尺长度，自动侧量孔限轮廓周长P(6),测 (对数大致呈线性增加：大孔区(d≥10m的孔隙 得的周长将随6减小而增大。将测量数据相对于 度荫孔径（对数）的增长加快.这一趋势在粉砂壤中 F进行标准化处理，这些标准化的标尺长度8和 尤为明显。 周长P的对数值若能拟合成一条斜率为：的blishin粉砂壤击(》的总孔隙度依次为 SEM 图像中孔隙的大小、面积、数量等进行测量、统 计和分类。图像分析须将灰度图像转换为黑白二元 图像, 这一步骤是保证分析结果真实反映土壤孔隙 结构的关键。本研究采用目视法, 即利用 IPP 阈值 设定功能, 阈值调试过程中用目测方式将图像与分 割图形相比较, 以获得最佳阈值。对同一图像采用 多人分别选取后取平均值, 分析结果误差控制在 10%以内。实践证明, 目视法是一种简单和有效的 方法。如图 1 所示, 分割后的二元图像中, 孔隙为白 色, 固体颗粒为黑色。 图 1 SEM 图像分割后的二元图像( 白: 孔隙, 黑: 固体颗粒) Fig1 Binary images after segmentation of SEM images(white: pores, black: solid particles) 13 分维数试验方法简介 D m采用增大分辨率并测定分散系统背景消失速 率的方法来获得[ 20] 。其原理是: 将图 1 中二元图像 视为矩形土壤截面的放大, 假定最初将 SEM 设定到 仅能看到标准化孔径 d * 1 ( 实测孔径 d1用矩形截面的 长边去除) 的最大孔隙, 并求得可见孔隙以外的标准 化剩余面积 A * 1 ( 矩形截面积与可见孔隙面积之差用 矩形截面积去除) ; 增大放大倍数, 将 SEM 调到正好 能看见标准化孔径 d * 2 的孔隙, 这时标准化剩余面积 为A * 2 ; 继续增大 SEM 的放大倍数, 如此往复进行下 去。利用这些标准化的 d * i 和 A * i 的对数值作图, 若 有直线关系且斜率为 km, 则 D m= 2- k m。 与众多学者采用的格子计数法不同 [ 13~ 18] , 本 文基于构造步长技术( Structured walk technique) , 利 用 IPP 扩展功能编写程序计算求得 Ds, 其优点是分 形概念明确, 自动化程度高, 受图像精度影响小。其 原理是: 利用 IPP 识别二元图像( 图 1) 中的孔隙轮 廓, 并测量其最大Feret 直径 FD( 孔隙轮廓断面在任 意方向上投影的最大尺寸) 。选择一系列递减的 i 值作为标尺长度, 自动测量孔隙轮廓周长 P ( i ) , 测 得的周长将随 i 减小而增大。将测量数据相对于 FD进行标准化处理, 这些标准化的标尺长度 * i 和 周长P( i) * 的对数值若能拟合成一条斜率为 k s的 直线, 则 Ds= 1- k s。 2 结果与分析 21 孔径分布与孔隙度 8 个土样的孔隙在其孔径范围内划分成 10~ 14 个孔径级别, d 为每孔径级别对应的平均孔径。定 义孔隙度为二元图像中孔隙面积与整幅图像面积的 比值, 则孔径分布是指各孔径级别的孔隙所对应的 孔隙度。 孔径( 对数) 分布曲线( 图 2) 显示, 孔隙的孔径 分布极不规则, 与土壤孔隙在宏观或细观上的孔径 分布相比[ 11, 19] , 差异较大。总体上粉砂壤因在小孔 区( d < 5
m) 的孔隙数量很大, 导致孔隙度增大; 因 存在一些大孔隙, 使大孔区( d 10
m) 的孔隙度也 较大, 中孔区( 5
m ! d < 10
m) 的孔隙度相对较 小。黏壤中 CL
1、CL
3 样因缺乏大孔隙, 使大孔区 的孔隙度很小。 孔隙度随孔径( 对数) 递增的变化曲线( 图 3) 显 示, 总体上在 d < 10
m 的孔隙区域, 孔隙度随孔径 ( 对数) 大致呈线性增加; 大孔区( d 10
m) 的孔隙 度随孔径( 对数) 的增长加快, 这一趋势在粉砂壤中 尤为明显。 粉砂壤土 ( SL
1 ~ SL
5) 的总孔隙 度依次为 208 土 壤 学 报 45 卷