基于冻土四相高精度辨识的黑土孔隙结构与相变耦合

Freezing and thawing alternation is critical to alter black soil structure and accelerate soil erosion in black soil region of Northeast China. However, lack of understanding how ice-water phase transformation changes quantity and morphology of soil pore leads to an impossibility of quantifying the relationship between soil pore structure and phase transformation, with the limit of image segmentation accuracy. To fill the gap, top soil and subsoil from farmland was sampled and was subjected to different simulative freezing conditions. After hierarchical image segmentation based on Canny edge detection, the four phase boundary of frozen soil was identified with higher precision, and the quantity and morphology of soil pore and ice was measured. Based on the quantification of soil structure and ice-water phase transformation, coupling relationship of them was found. The research founding will help to understanding the effect of phase change when soil freezing on soil pore structure and its reconstruction; and lay a theoretical foundation for reveal the mechanism that seasonal freezing and thawing cycles affect the structure and function of black soil.

冻融交替是改变黑土结构、加剧该区土壤侵蚀的关键因子，但关于冻融过程中冰-水两相的交替转化如何改变土壤孔隙数量与形态特征的研究鲜有报道，尤其是冻土研究过程中因图像分割精度差，缺乏有效、定量辨识冰-水相态，导致土壤孔隙结构与相变间关系无法实现定量表达。为此，本项目以季节性冻融发生频率与强度不同的黑土耕作区与非耕作区土壤为研究对象，基于不同冻结条件处理下同位CT扫描图像以及Canny等边缘提取算子的多层级图像分割手段，确定冻土CT图像内各组成介质的边界范围，实现冻土四相的高精度识别；在此基础上，通过黑土孔隙结构与孔隙内冰、水形态与含量等指标参数的测定与计算，量化冻土孔隙结构与冰-水相变过程，进而构建冻融过程中冰-水相变与土壤孔隙结构特征间耦合关系模型，定量阐明冻土冰-水相变对黑土耕作土壤孔隙结构变化与重构的影响，为进一步揭示黑土结构与功能对季节性冻融的响应机制奠定理论基础。

黑土孔隙拓扑结构的改变是冻融交替中冰-水相变最直接的反应，它决定了对水分和空气的保持能力与传导能力，对黑土养分的迁移、功能多样性等生态过程具有重要影响。因此，对孔隙拓扑结构的辨识与量化，不仅是从根本上认识黑土内部结构的必要前提，也为探讨冻融交替对黑土结构的影响机制提供了数据基础。本课题基于深度学习和计算机断层扫描技术（CT）提出了3种黑土孔隙结构智能辨识方法和1个孔隙量化系统，能够无损地获取孔隙特征，实现孔隙结构的可视化，为进一步研究黑土结构、功能及其对冻融交替的响应奠定了技术基础。本课题3年来的主要研究内容如下：.（1）基于深度学习和图像处理技术，提出了3种能够自适应辨识孔隙结构的智能辨识方法，并基于定性实验和定量实验证明了方法的精确性。其中，基于全卷积网络的孔隙辨识方法（Fully Convolution Network, FCN）的平均辨识正确率达98.1%。.（2）基于孔隙多维度特征和统计学方法，提出了1个孔隙量化系统，该系统集成了基于黑土CT图像的图像处理过程和孔隙二维和三维参数的量化过程，能够为冻融交替下孔隙结构变化特征的获取提供有效的技术手段。.（3）基于计算机三维重构技术，实现了孔隙结构多方位多角度的可视化，为孔隙空间结构的直观性研究提供一种工具和方法。其中，射线投影法（Ray Casting, RC）能够保留孔隙表面的细节信息，其重构效率和结果是三种方法中最为理想的。.基于上述研究内容，本课题组总计发表7篇论文（2篇SCI，3篇EI），申请2项发明专利，授权5项软件著作权，培养5名研究生，并荣获梁希林业科学技术奖二等奖（排名第3），超额完成既定任务。