基于VTK土壤养分三维可视化研究与实现

土壤养分空间分布的三维可视化对描述土壤中元素的空间分布规律、变量施肥及评价具有重要意义。三维可视化与传统的二维空间变异专题图相比,表示三维数据更自然、更清晰、更直观。利用Python语言引入三维可视化类库VTK,采用三维Kriging插值方法,实现了土壤养分空间分布的三维交互。以榆树市试验田土壤养分三维可视化为例,在肥力评价的基础上,验证了变量施肥的实验结果,比二维空间变异图更加直观,更有说服力。     

晋西黄土丘陵区不同植物群落的土壤分形特征

为研究晋西黄土丘陵区不同植物群落与土壤结构特性和入渗特性的关系,探索土壤结构的定量化描述,运用分形学原理和方法,研究晋西黄土丘陵区油松纯林、刺槐纯林、油松＋刺槐混交林、侧柏纯林、黄刺玫灌丛、柠条灌丛及荒地7种植物群落的土壤分形维数与土壤质地、密度、孔隙度、含水量及饱和导水率的关系.结果表明：1）植物群落具有改善土壤颗粒结构的作用,其改善作用以针阔混交林（油松＋刺槐混交林）最好,阔叶林（刺槐纯林、黄刺玫纯林）次之,针叶林（油松纯林、侧柏纯林）最低.2）研究区土壤颗粒分形维数在2.799 ～ 2.805之间,黏粒（＜0.002mm）质量分数偏高.3）土壤颗粒分形维数与土壤黏粒质量分数呈显著正相关关系,与土壤砂粒（2.00～0.02 mm）质量分数、土壤总孔隙度、含水量及饱和导水率呈显著负相关关系.因此,土壤颗粒分形维数可以表征土壤结构特性和入渗特性的好坏.不同的植物群落对土壤的改良效果不同,研究结果可为研究区域植树造林提供参考依据.     

基于粒子系统的土壤胶粒快速凝聚的三维可视化仿真

土壤胶体凝聚三维可视化有助于更好地理解土壤凝聚动力学过程和土壤团聚体形成.该文构建了土壤胶粒粒子系统算法,实现了土壤胶粒建模及其胶体快速凝聚动态演化可视化.首先将土壤整体当作土壤立方体,土壤胶体颗粒看作球形,实现所有胶粒的建模.然后胶粒在布朗运动作用下以扩散系数随机移动,移动后发生碰撞而快速凝聚.该文分别实现了有固定中...     

土壤粒径分布单重分形与孔隙单重分形

土壤颗粒大小的分布是重要的土壤物理性质,对土壤水、气、热传导特性有着显著的影响。鉴于土壤颗粒分形在分析和描述岩土介质多孔结构的优势,本文通过对5种不同质地的土样进行颗粒分析与水分特征曲线的测试。结果表明:土壤结构定量化表征的方法就是确定土壤结构的分形维数,针对不同地区的土壤,可以通过土壤粒径分布分形维数体现土壤粒径分布的情况,分形维数越大,颗粒粒径越小,细粒含量越高,质地越发呈现不均匀性;且可利用土壤粒径分形维数估算土壤孔隙分形维数。为建立土壤粒径分布模型提供数据支持,同时也为推进土壤结构的研究进展提供了新的方向。     

土壤显微结构的X光—同步加速器计算机三维图像透视技术

土壤结构特征决定了土壤的主要物理性能 ,并影响着土壤生态系统内的许多功能 ,土壤结构的三维结构透视及其定量分析是认识土壤结构和研究土壤结构与功能关系的前提。自 2 0世纪 30年代 ,奥地利学者库比纳开始使用生物显微镜、偏光显微镜和双目实体显微镜 ,研究土壤生物、土壤中的结晶形成物、土壤的结构和孔隙 ,显微观测与探测技术的每一次进步都被应用到土壤微结构的研究 ,产生了土壤学的一支独立学科—土壤微形态学[1～ 7] 。但是 ,原状土壤样品的镜下观测需要复杂的前处理 ,观察的现像多数为二维图像 ,并且需要很多定性的描述和解译才能…     

基于农学参数的玉米叶片表观建模与可视化方法

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,提出基于SPAD(soil and plant analyzer development)和生育期农学参数的作物叶片表观建模与可视化方法,并以玉米为例进行实际验证.将玉米叶片分成叶肉、一级叶脉、二级叶脉3种结构,首先获取主要生育期下各结构表观材质(包括漫反射强度、透射强度、高光反射强度、粗糙度4种参数)及SPAD数据;之后构建各类表观材质参数与SPAD及生育期之间的定量化模型;再对玉米叶片纹理样式进行抽象,构建参数化的玉米纹理结构几何表达,并基于定量化模型为纹理结构分配表观参数;最后整合实时光照计算框架,对大田光环境下玉米表观进行可视化模拟.该文方法搭建了农业知识与三维可视化效果间的桥梁,使用户可以通过调整农学参数实现对作物叶片表观的快速、准确设计与制作,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具.     

土壤团聚体稳定性评价方法比较

土壤团聚体稳定性是评价土壤结构和土壤物理形状的重要指标.对土壤团聚体分形维数、土壤团聚体平均重量直径和>0.25 mm团聚体含量3种土壤团聚体结构评价的方法进行了探讨.结果表明,分形维数与>0.25 mm团聚体的含量呈负相关性,但是平均重量直径与>0.25 mm团聚体的含量有正的相关性.这三种方法都能应用来评价土壤结构,但是分形维数不仅表示土壤结构,还能说明土壤水分和土壤其它的物理性质.因此,分形维数是评价土壤结构的较好的方法.     

土壤有机碳库与土壤结构稳定性关系的研究进展

土壤有机碳的形成抵押了二氧化碳的排放 ,也促进了土壤结构的形成并提高其稳定性。本文介绍土壤结构的层次性和稳定性 ,阐述不同土壤有机碳库影响土壤结构及其性质的作用机制 ,着重评述土壤活性碳库 ,颗粒有机物和可溶性有机物的数量及质量对土壤结构的层次性及其稳定性的影响机制 ,并突出土壤有机物的疏水性对土壤结构及其性质的影响等方面的研究工作。今后应深入研究不同土地利用和土壤管理措施下土壤活性碳库组成与土壤结构稳定性的关系 ;定量描述不同土壤碳库和土壤结构稳定性的形成过程 ;重视研究土壤碳库、土壤稳定性和土壤回复力三者之间的关系 ;深入研究有机碳库的性质影响土壤水分湿润速率的机制 ;应用获得的土壤有机碳库和土壤结构稳定性的新知识 ,完善土壤有机碳和水分循环模型     

基于线结构激光传感器的土壤表面粗糙度测量方法研究

土壤表面粗糙度是农作物种植、灌溉和收获等田间管理必须考虑的作业参数,也是精准农业发展中亟待解决的关键问题之一。针对土壤表面粗糙度缺乏快速检测手段的问题,提出一种基于线结构激光传感器的土壤表面粗糙度测量方法。利用半导体红光激光器、CCD工业相机、计算机及支架等构建测量系统,采集土壤样本的表面图像数据,借助MATLAB获取其三维点云模型,实现土壤表面的三维曲面建模并计算曲面面积。定义土壤表面三维曲面面积与其平面面积的比值为表征土壤表面粗糙度的量,并通过对比4个颗粒度土壤样本的该值范围,确定了判别样本表面粗糙度的阈值。利用3种土槽旋耕土壤表面样本对系统和算法进行验证,比值处于1.214～1.939之间,检测结果均与样本实际特征相符合。该方法能够检测和判断土壤表面的颗粒粗糙程度。     

不同风沙土壤颗粒的分形特征

应用土壤颗粒的重量与粒径分布原理来描述了古尔班通古特沙漠地风沙土壤颗粒的分形特征。通过对10种样品颗粒的机械组成进行分析,分别计算出了它们的分形维数(D=2.3237～2.9347),并分析了其与流动风沙土、半固定风沙土和固定风沙土之间的关系。分析结果表明,风沙土壤结构具有明显的分形特征,其粒径分布分形维数为2～3。土粒表面分形维数与2～0.2mm间的土粒含量存在显著的负相关;而与0.02～0.002mm和<0.002mm的颗粒含量存在显著的正相关,表现为随着土壤质地从流动风沙土、半固定风沙土到固定风沙土的变化,其土粒表面的平均分形维数呈依次增高。土粒表面分形维数与三种典型风沙土壤有机质含量为极显著正相关,而与其硬度为显著负相关。     

黑土长期定位试验原状土搬迁对土壤真菌群落多样性的影响

采用PCR-DGGE及其特异性条带克隆测序的方法,研究黑土长期定位试验原状土整体搬迁对土壤真菌群落结构多样性的影响。对同为小麦茬的搬迁前(2010年)和搬迁后(2013年)土壤真菌群落结构的研究表明:DGGE图谱中搬迁前后2个土层不同处理的样品间条带的数量和亮度存在部分变化;对DGGE图谱进行聚类分析可得,真菌群落结构在2个土层各处理中搬迁前后有部分变化,其中MNPK处理的变化较为显著;对DGGE图谱主成分分析结果可得,在0~20 cm土层中各处理虽然搬迁前和搬迁后产生分异,但搬迁前后的3年中处理间的分布规律相似,在20~40 cm土层中搬迁前和搬迁后MNPK和CK处理的分布规律发生了变化。搬迁前和搬迁后土壤真菌群落结构受到搬迁扰动的影响远小于耕作方式、植被类型、土壤肥力等的影响。     

退化草地恢复生态对土壤物理性状的影响——以藏北公路沿线车辆碾压干扰矮嵩草草甸为例

通过对西藏那曲地区碾压干扰矮嵩草草甸群落不同恢复演替阶段土壤物理性状调查,分析不同演替阶段土壤颗粒组成、土壤容重和孔隙度,对其物理特性进行研究。结果表明:植被恢复有效改善了土壤的物理性质,提高了土壤对侵蚀动力的抵抗能力;退化草地恢复演替阶段与土壤物理性状变化具有明显的相关性联系,植被恢复与演替有效改善了土壤的物理性质,提高了土壤对侵蚀动力的抵抗能力。(1)碾压使土壤暴露,致使侵蚀作用加剧,松散、不黏结的砂粒和粉粒流失量较大,而粒径小于0.02 mm和黏结性较强的粘粒流失量相对较少而表现出百分比相对增加;碾压改变原有土壤的正常质地层次构造,对公路沿线的土壤物理性质产生不良影响,促使土地进一步退化。(2)随着恢复进程,表层土壤总孔隙度增大,土壤容重减小,与演替阶段均极显著相关;随着土壤的通气性和渗透、排水率的改善,土壤有效水分增加。     

水土保持科技示范园地上下一体化三维建模

[目的]探讨水土保持生态科技示范园三维建模的流程和方法,以期为后续数字园区建设奠定基础。[方法]基于园区GPS测绘以及地面调查数据,将可视化建模技术应用于水土保持工程中。[结果]以江西省水土保持生态科技园为例,运用约束三角剖分和空间插值等技术,解决了地物与地形的无缝拼接、土壤实体建模、植物模型快速生成等关键问题,最终构建了包含工程措施、植被、土壤等要素的园区地上下一体化三维模型。[结论]开发的三维可视化系统,可以更好地发挥水土保持生态示范园区的科学支撑、社会宣传、典型带动和示范辐射作用。     

模拟降雨条件下塿土的溅蚀特征试验研究

溅蚀在破坏土壤表层结构的同时为后续侵蚀提供丰富材料,以黄土高原典型土壤塿土为试验用土,通过模拟降雨试验,根据溅蚀速率、溅蚀前后土壤颗粒组成及表面强度变化指标,系统研究塿土的溅蚀特征。结果表明,溅蚀速率随降雨历时呈现幂函数变化,分为迅速降低、缓慢降低、趋于稳定3个阶段。土盘表面松散颗粒及利于溅蚀的粒级范围内颗粒的消耗、团聚体破碎及超渗产生的水层消耗雨滴能量、结皮的形成和发育分别是3个阶段的主要影响因素。在90mm/h的雨强下,塿土颗粒富集与耗损的临界粒径是0.05mm,雨滴打击分离粒级0.05mm颗粒,富集迁移粒级0.05mm颗粒。当含水率相等时,降雨历时越长贯入深度越浅。塿土表面强度随降雨历时增加,0~30min是塿土结皮形成的关键时期。塿土溅蚀过程是表土颗粒组成不断变化和表面强度逐渐完善的过程。     

三峡库区紫色土坡地土壤颗粒流失特征

选取20°长期耕作紫色土坡面径流小区进行模拟降雨试验,分析坡面土壤的颗粒组成及其变异,比较侵蚀泥沙颗粒组成的过程变化及其与坡面土壤颗粒组成的差异。结果表明,紫色土具有较宽变幅的颗粒组成,0.002～0.25mm的颗粒含量最高,坡面土壤存在较大的异质性;降雨初期侵蚀泥沙中<0.05mm的单粒和微团聚体含量都在65%以上,富集率分别为1.30,1.44,整个泥沙中的富集率分别为1.12,1.10,是侵蚀泥沙的主体,这其中又主要是0.002～0.05mm的粉粒和微团聚体;泥沙中<0.01mm的物理性粘粒及>0.25mm的水稳性团聚体富集率分别为1.10,1.16;随着降雨时间延长,单个泥沙样的颗粒组成逐渐接近雨前表土。     

土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性研究

土壤溅蚀是土壤侵蚀的初始阶段,是降雨雨滴直接打击土壤表层引起的土壤颗粒分散和位移发生的过程。为研究土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性,研究通过人工模拟降雨溅蚀试验测定土壤溅蚀速率,运用SPSS 20.0软件,对土壤理化性质与土壤溅蚀速率进行了Pearson相关系数分析。结果表明:土壤渗透性、分散率、团聚度和土壤粒级与土壤溅蚀速率相关性最大。土壤的渗透系数在整个降雨历时阶段对土壤的溅蚀速率一直呈现负影响。分散率在降雨历时为15min时对土壤溅蚀速率呈显著负影响。团聚度对土壤溅蚀速率的影响由T=15min时的显著正相关变成T=20min时的极显著正相关。土壤粒级和土壤溅蚀速率相关性很大,且关系较为复杂。相较于其他4种粒级中,粒级范围在D0.002mm的土壤颗粒对土壤溅蚀速率影响最大,且在降雨历时为15~20min时,对土壤溅蚀速率皆有显著正相关性。另外,粒级范围在0.2≤D2mm和0.02≤D0.2mm的土壤颗粒分别在T=15min和T=20min时对土壤溅蚀速率有显著负相关性。土壤粒级对土壤溅蚀速率的相关性随降雨历时的变化可能与土壤结皮有关。     

沙地柏人工林和天然林风沙土特性研究

为了深入了解固沙植被恢复对土壤理化性质的影响,以毛乌素沙地东南缘沙地柏人工林和天然林为研究对象,通过收集灌丛下5个土层(0-100 cm)的土壤样品,分析其土壤颗粒组成及8个理化指标,探讨了沙地柏生长对风沙土特性的影响。结果表明:研究区土壤粒度组成以砂粒(体积分数97.09%)为主,其次是粉粒和黏粒,并形成以中砂(50.26%)为主的单峰,土壤弱碱性,其养分含量整体水平低,且具有明显表层聚集现象。土壤养分含量与土壤粒度之间存在良好的相关性,表现为土壤有机质、速效钾和盐分含量与细沙物质(粒径<100μm)含量呈线性正相关,与粗砂物质(100~500μm)呈线性负相关。沙地柏生长对风沙土改良效果呈现出人工林16 a树龄优于7 a树龄,天然林地迎风坡优于背风坡。整体上,造林时间增加土壤颗粒的粗细分配趋于良好态势发展,土壤结构优化,土地荒漠化进程减缓。因此,沙地柏可作为毛乌素沙地生态恢复工程的优良灌木。