热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

利用X射线CT研究多尺度土壤结构

2021-11-16 14:41     来源:生命科学实验     CT X射线
土壤结构是土壤水、气等贮存和运输的场所。定量获取土壤内部结构信息,是认识土壤水、气运动规律,进而准确模拟和预测土壤中各种物理过程的前提。然而由于土壤组成物质的复杂性以及土壤结构的易破碎性,直接研究土壤结构非常困难。利用传统的土壤微形态方法虽然可以得到二维土壤结构信息,但试验周期长且对样品有破坏性。近年来,X射线计算机断层扫描(以下简称CT)技术发展迅速,由于其能够快速、无损的获取土壤三维结构,因而被广泛应用到土壤结构的研究中。综合利用各种CT技术,可以研究土壤团聚体、土块乃至土体等多个尺度的土壤结构特征,进而分析不同尺度土壤结构同土壤物理、生物乃至化学过程的关系。

1、CT的基本原理

土壤结构研究中应用的CT主要包括医用CT、工业显微CT和同步辐射显微CT,三种CT的主要原理如下图所示。其中,同步辐射显微CT采用单色光源;而医用CT和工业CT采用多色光源,会产生射线硬化伪影,需要通过加滤波器等方法消除。医用CT可扫描样品尺寸大,分辨率低,主要用于大土柱的研究;同步辐射显微CT分辨率高,图像对比度强,但可扫描样品尺寸小,主要用于团聚体尺度的研究;而普通工业CT的分辨率和扫描样品尺度则介于二者之间。结合利用不同类型CT,研究多尺度土壤结构特征。


医用CT( a)、工业CT(b)和同步辐射显微CT(c)原理示意图

2、样品采集

以水稻田土壤样品为例,采集的土壤为发育于第四纪红黏土母质的水稻土。共采集三种规格的表层土壤样品:大土柱(直径100 mm,高200 mm),小土柱(直径30 mm,高30 mm)和团聚体(直径约5 mm),如下图。其中,大土柱和小土柱利用PVC管采集,团聚体用铲子采集。采样和运输过程中尽可能避免震动等对土壤结构的扰动。

3、CT扫描

大土柱利用医用CT( Discov-ery CT HD 750,GE , USA)扫描,小土柱利用工业显微CT ( Phenix Nano-tom S, GE, USA)扫描,团聚体样品应用同步辐射显微CT进行扫描。图像重建均采用背投影算法,利用不同CT自带软件完成,,详细试验参数见下表。此外,两种显微CT均输出tiff格式图像,而医用CT输出图像为DICOM 格式,需要利用ImageJ软件转化为tiff格式。

4、CT图像处理和分析

在图像分析之前,需要选取感兴趣区域。对于土柱样品,选取未受扰动的中心部分土柱;而对于不规则的团聚体样品,则选取中心部分的立方体。

通过对CT图像的处理和分析可以定量提取土壤结构信息。图像处理的主要步骤有图像增强、去噪和分割等。图像的增强主要是通过在频率域或空间域的变换,使孔隙结构更加突出。去噪主要是利用滤波减少图像中的噪声。有效的图像增强和去噪会降低图像分割的难度。图像分割是将图像中感兴趣目标物提取出来,是定量研究土壤孔隙结构的关键和难点。本研究中,首先通过直方图拉伸增强图像对比度,然后利用中值滤波平滑图像和去噪。图像分割采用双阈值法,分割后图像三维结构如下图A所示


图A不同土壤样品孔隙结构


图B不同土壤样品孔隙度的垂直分布


图C不同土壤样品孔隙度的垂直分布

不同大小土壤样品三维土壤孔隙结构如上图A所示。可以看到大土柱上部孔隙较多,有裂隙存在,下部孔隙较少,且无连通性孔隙。通过孔隙度的垂直分布(图B) ,可以发现大土柱在90 mm以上孔隙度较高( >6% ),然后迅速降低至2%左右,这一现象说明该田块耕作深度过浅,亟待深耕,因为我国稻田现在普遍采用旋耕机,旋耕深度一般在10 ~15cm左右。小土柱在上部和下部孔隙度低,而在中部偏上部分孔隙度较高。团聚体内部孔隙分布则相对均匀。

大土柱、小土柱和团聚体的孔隙度分别为6.4% 5.2%和5.6%%,孔隙大小分布如图C所示。不同类型CT扫描的样品尺寸和获取的图像分辨率不同,通过CT扫描只能获取其分辨能力以内的孔隙信息,因而得到的孔隙大小范围不同。本研究中,团聚体、小土柱和大土柱的孔隙大小范围分别为0.02 ~0.22 mm ,0.11 ~1.68 mm和0.56 ~5.86mm。可以发现,不同尺寸样品的孔隙在部分范围存在重合(大土柱和小土柱:0.56 ~ 1. 68 mm,小土柱和团聚体0.11 ~0.22 mm)。在重合部分,大土柱孔隙度高于小土柱,后者高于团聚体(图C)。这种现象表明,在一定尺度范围内,随着样品尺寸的增加,大孔隙度增加,这可能是采集的大样品更容易包含大的孔隙(如裂隙)。



推荐阅读

全球顶尖技术分别掌握在哪些国家手里?

当前,科技创新正成为大国博弈的主战场,而在顶尖技术上的“科技秀”无疑是国家实力的硬核彰显。本文将聚焦47个领域的全球顶尖技术,并对其技术掌握国家进行详细分析。 2021-11-22

无损检测技术之钢材强度测定试验

当前建筑钢结构工程无损检测的对象是钢结构材料本身以及焊缝,主要问题就是缺陷,分为表面和内部缺陷两种。 2021-11-22

中科院研制出相对论激光驱动的超快X射线衍射系统

在超快时间尺度上获得物质的动力学演化过程一直是科研人员努力的重要方向,中科院物理研究所宣布,光物理实验室 L05 组博士研究生朱常青等利用研究组的高脉冲能量(>100mJ)、低重频(10Hz)激光器,研制了一套飞秒时间分辨的 X 射线衍射系统。 2021-11-22

血液辐照科普

辐照血是指经过一定剂量放射线处理后,淋巴细胞的DNA产生不可逆的损伤,并干预其正常修复过程,造成淋巴细胞丧失有丝分裂的活性和增殖,保全其他血液成分活性的血液制剂。 2021-11-22

HEPS工程首期第二批光束线站完成光学设计

11月5日,中科院高能同步辐射光源(HEPS)项目低维结构探针光束线站光学设计评审会召开,标志着HEPS工程首期第二批光束线站完成光学设计,正式进入工程设计阶段。 2021-11-22

阅读排行榜