一种基于比色法的冻土观测方法及装置

摘要

本发明涉及一种基于比色法的冻土观测方法及装置，属于冻土观测技术领域，通过对加入有溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像进行分层处理，将各分层图像的颜色特征值与设定标准值一一比较，直到某一个分层图像的颜色特征值与设定标准值差异在设定范围内，根据分层图像在整个冻土图像中的高度位置，得到待识别冻土的冻结深度。本发明的冻土深度识别原理简单，测量冻土深度的精度高，有助于实验环境下冻土深度的研究和观测，利用本发明的冻土观测方法及装置检测的冻土深度验证冻土设备的测量精度。

权利要求

1.一种基于比色法的冻土观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）获取加入溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像；所述溶水变色溶质为高锰酸钾；

2）将冻土图像沿冻土深度方向进行分层处理；

3）开始计算分层图像的颜色特征值，并将分层图像的颜色特征值与设定标准值进行比较，直至某一个分层图像的颜色特征值与设定标准值的差异在设定范围内，则根据所述差异在设定范围内的对应分层图像在整个冻土图像中的高度位置，得到待识别冻土的冻结深度；

所述颜色特征值为分层图像由RGB颜色空间转换到HSV颜色空间的V值，或者颜色特征值为RGB颜色空间的RGB值；

所述设定标准值通过以下步骤获取：在设定温度环境下获取加入溶水变色溶质的冻土图像，将该冻土图像作为标准图像；

所述设定温度环境为使土壤达到冻结状态的临界温度值；

将标准图像分割为多层，得到多个分层图像，获取每个分层图像的颜色特征值，将各分层图像的颜色特征值作为设定标准值。

2.一种基于比色法的冻土观测装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1所述的基于比色法的冻土观测方法。

说明书

一种基于比色法的冻土观测方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于冻土观测技术领域，具体涉及一种基于比色法的冻土观测方法及装置。

背景技术

[0002] 冻土是反映土壤热状态的一项指标，在研究地表和大气的热交换上有重要意义。为了对各个地区的土壤的冻结状态进行了解，常常取用一些土壤在不同的温度下进行冻土
深度的研究和观测。此时，一般通过采用人工坑挖法或冻土钻凿洞法进行观测，该方法操作
繁琐，主观性强，观测精度较低。

[0003] 为了对土壤的冻结程度进行观测，还可采用冻土设备如实现冻土深度的自动测量，如公告号CN102749057B的中国发明专利提出的“一种冻土自动观测装置”、公告号
CN203337114U的中国实用新型专利提出的“冻土自动观测装置”，但现有的冻土设备测量的
冻土深度仍无法达到要求的精度，因此，有必要对冻土设备对冻土深度的测量精度进行验
证。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于比色法的冻土观测方法及装置，用于解决验证冻土自动测量仪器测量精度的问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出一种基于比色法的冻土观测方法，包括以下步骤：

[0006] 1)获取加入溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像；

[0007] 2)将冻土图像沿冻土深度方向进行分层处理；

[0008] 3)开始计算分层图像的颜色特征值，并将分层图像的颜色特征值与设定标准值进行比较，直至某一个分层图像的颜色特征值与设定标准值的差异在设定范围内，则根据差
异在设定范围内的对应分层图像在整个冻土图像中的高度位置，得到待识别冻土的冻结深
度。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明还提出一种基于比色法的冻土观测装置，包括存储器和处理器，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述步骤1)至步骤3)。

[0010] 本发明的冻土观测方法及装置，通过对加入有溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像进行分层处理，将各分层图像的颜色特征值与设定标准值一一比较，直到某一个分层
图像的颜色特征值与设定标准值之间的差异在设定范围内，根据分层图像在整个冻土图像
中的高度位置，得到待识别冻土的冻结深度。本发明的冻土深度识别原理简单，测量冻土深
度的精度高，有助于实验环境下冻土深度的研究和观测，利用本发明的冻土观测方法及装
置检测的冻土深度验证冻土设备的测量精度，如冻土传感器和冻土器。

[0011] 为保证冻土深度的识别精度，该设定标准值通过以下步骤获取：

[0012] 在设定温度环境下获取加入溶水变色溶质的冻土图像，将该冻土图像作为标准图像；设定温度环境为使土壤达到冻结状态的临界温度值。获取标准图像的颜色特征值，将标
准图像的颜色特征值作为设定标准值。

[0013] 进一步，上述标准图像的颜色特征值为分层图像由RGB颜色空间转换到HSV颜色空间的V值，HSV颜色空间的V值比RGB颜色空间的RGB值表征图像的效果更好。

[0014] 为增加溶质对冻土的显色效果，从而得到清晰的冻土图像，上述溶水变色溶质优选为高锰酸钾，使得冻土与未冻土具有明显颜色差异，从而直观便捷的获得冻土冻结深度。

附图说明

[0015] 图1是本发明的基于比色法的冻土观测方法流程图；

[0016] 图2‑1是本发明在冻结临界温度下对冻土拍照的标准图像；

[0017] 图2‑2是本发明在第一个冻结过程对冻土拍照的图像；

[0018] 图2‑3是本发明在第二个冻结过程对冻土拍照的图像；

[0019] 图3是上述图2‑1、图2‑2和图2‑3中的V值分别与土壤实际深度的关系图；

[0020] 图4‑1是对应图2‑2中冻土的冻结深度的图像；

[0021] 图4‑2是对应图2‑3中冻土的冻结深度的图像。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

[0023] 方法实施例：

[0024] 如图1所示，获取加入溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像。其中，候选的溶水变色溶质有无水硫酸铜、高锰酸钾和氯化钴。无水硫酸铜又叫硫酸铜，为白色或灰白色粉
末，溶液呈酸性，粉尘刺鼻性很强，极易吸水变成蓝色，可用来检验化学反应水的存在或生
成，主要用于船底防污漆原料、干燥剂、催化剂等方面。高锰酸钾是一种有光泽的紫黑色固
体，不易挥发，具有强氧化性，易溶于水，在水溶液中呈现出特有的紫红色，常用于消毒剂杀
菌剂，是一种常见的化工试剂。氯化钴为粉红色至红色结晶，无水物为蓝色。微有潮解性，易
溶于水、乙醇、乙醚、丙酮和甘油，常用于分析试剂，湿度和水分的指示剂。

[0025] 然后，需要对候选的溶水变色溶质进行可行性验证，包括颜色变化明显、可重复操作性强、土壤冻结特性无变化等方面，满足上述要求的溶质，即可加入在待识别冻土中，因
此，分别对无水硫酸铜、高锰酸钾、氯化钴和PH试剂分别进行土壤显色效果和冻融可重复性
的实验，实验对比结果如下表所示：

[0026]   土壤显色效果 冻融可重复性高锰酸钾 较好 可重复
氯化钴 一般 不可重复
无水硫酸铜 一般 不可重复
PH试剂 一般 不可重复

[0027] 由上表可知，选用高锰酸钾加入待识别冻土的溶水变色溶质效果最佳。

[0028] 冻土图像获取后，将冻土图像沿冻土深度方向进行分层处理。开始计算分层图像的颜色特征值，并将分层图像的颜色特征值与设定标准值进行比较，直至某一个分层图像
的颜色特征值与设定标准值的差异在设定范围内，则根据该差异在设定范围内的对应分层
图像在整个冻土图像中的高度位置，得到待识别冻土的冻结深度。

[0029] 上述设定标准值通过以下步骤获取：

[0030] 在设定温度环境下获取加入溶水变色溶质的冻土图像作为标准图像，该设定温度环境为使土壤达到冻结状态的临界温度值，获取标准图像的颜色特征值，将标准图像的颜
色特征值作为设定标准值。标准图像的颜色特征值为分层图像优选为由RGB颜色空间转换
到HSV颜色空间的V值(即色调值)，或者为RGB颜色空间的RGB值。

[0031] 其中，每个分层图像的颜色特征值与设定标准值的比较方法可采用以下方式：

[0032] 自上而下计算冻土图像中各分层图像的颜色特征值，计算一个分层图像的颜色特征值后便与设定标准值进行比较，如果该分层图像的颜色特征值与设定标准值的差异不在
该设定范围内，再计算下一个分层图像的颜色特征值，再进行比较，直到找到颜色特征值与
设定标准值的差异在设定范围内的那个分层图像。

[0033] 本发明通过对加入溶水变色溶质的待识别冻土的冻土图像进行分层处理，将各分层图像的颜色特征值与设定标准值一一比较，直到某一个分层图像的颜色特征值与设定标
准值之间的差异在设定范围内，根据分层图像在整个冻土图像中的高度位置，得到待识别
冻土的冻结深度。本发明的冻土深度识别原理简单，测量冻土深度的精度高，有助于实验环
境下冻土深度的研究和观测。

[0034] 同时，还可将本发明的冻土观测方法检测的冻土深度作为标准，验证用于测量冻土深度的冻土设备的测量精度，冻土设备包括冻土传感器和冻土器。验证方法为，在观测装
置中放入混有高锰酸钾溶质的土壤，在土壤中埋入冻土传感器或冻土器，将观测装置放入
冷库中进行冷冻，得到冻土传感器或冻土器的冻土深度检测结果，同时对冷冻后得到的冻
土按照本实施例的冻土观测方法进行拍照和图像处理，得到采用本实施例中冻土深度识别
法的冻土深度检测结果。通过对比检测结果，评估冻土传感器或冻土器的测量准确性。

[0035] 具体的验证方法如下：

[0036] 在0℃环境下对观测装置中的土壤进行拍照，得到的标准图像如图2‑1所示，将该标准图像由RGB颜色空间转换到HSV颜色空间，由于每次观测位置角度不同，因此需要在图
2‑1中选出观测区域，在选定的观测区域中自上而下把图像分割为多个块，得到多个分层图
像，提取每个分层图像的V值，自上而下计算每个分层图像的V值，作为土壤冻结判断的基准
向量，即各分层图像对应的标准值。

[0037] 土壤冻结的两个过程的拍照图像分别如图2‑2和图2‑3所示，土壤的冻结自上而下进行，未冻部分呈现暗红色，完全冻结部分为土色，由于下层土壤温度降低缓慢，其冻结是
一个多层同时缓慢进行的过程。拍照的同时分别记录每次拍照时冻土传感器或冻土器检测
的冻土深度。首先，将获取的拍摄的图像进行分层处理，得到多个分层图像。然后，同样由上
而下提取每个分层图像的V值，作为每个分层图像的颜色特征值，分层图像的颜色特征值与
图2‑1中对应分层图像的标准值比较，当比较的差值初次小于0.2则判定相应分层图像中的
土壤开始冻结，最后通过该分层图像中的V值与土壤实际深度的关系计算土壤冻结的冻结
深度，图2‑1、图2‑2和图2‑3中的V值分别与土壤实际深度的关系如图3所示(图2‑1的V值与
土壤实际深度的关系对应为图3中的曲线Image1，图2‑2的V值与土壤实际深度的关系对应
为图3中的曲线Image2，图2‑3的V值与土壤实际深度的关系对应为图3中的曲线Image3)，根
据该关系求出图2‑2中的冻土的冻结深度如图4‑1所示，图2‑3中的冻土的冻结深度如图4‑2
所示，最后，将图4‑1、图4‑2所示的冻土深度分别与冻土传感器检测的冻土深度进行对比，
从而确定冻土传感器检测冻土深度的测量精度。

[0038] 以上V值与土壤实际深度的关系中的土壤实际深度，是通过对应分层图像与整个冻土图像的比例关系，再结合土壤的实际整体高度得到的。

[0039] 需说明的是，图2‑1所示的为所有土壤处于一种即将冻结但却没有冻结的状态，理论上该图中的土壤应该是一个颜色，即该图中每个分层图像的V值都应该是一样，图中每个
分层图像的V值之所以不一样，是因为土壤杂质、均匀程度等各种外界因素造成的。因此，在
设置标准值时，对每个分层图像分别提取对应的V值，设置多个标准值，将图2‑2中的与图2‑
1中的分层图像的V值比较的时候，是一层一层的比较，即图2‑2的第一层分层图像与图2‑1
的第一层分层图像进行比较，图2‑2的第二层分层图像与图2‑1的第二层分层图像进行比
较，以此类推。同理，图2‑3与图2‑1中的分层图像的V值比较的时候，也是一层一层的比较，
不再赘述。

[0040] 装置实施例：

[0041] 本实施例提出一种基于比色法的冻土观测装置，包括存储器和处理器，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述方法实施例中的冻土观测方法中的步骤。另外，
本实施例中的处理器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，
如FGPA、DSP等。