基于图像分析的杂草分形维数计算

介绍了分形维数的理论计算公式和试验公式，分析了计盒维数的计算方法，运用Matlab软件设计了图像的处理和基于图像的计盒维数的计算程序。随机地选择了4种双子叶杂草和两种单子叶杂草共6种杂草作为研究对象，运用自行设计的程序分别计算了杂草叶的RGB三色图像的分形维数并以其平均值作为杂草叶的分形维数。研究结果表明该文给出的分形维数的计算方法可靠；研究结果也验证了杂草叶具有分形特征；研究结果还说明不同种类的杂草 ，其叶的分形维数明显不同，可以用分形维数为特征参数识别杂草。     

岷江上游干旱河谷土壤粒径分布分形维数特征

具有分形特征是土壤的客观属性之一,为了探讨分形维数与土壤性质之间的关系与影响因素。运用土壤体积粒径分布分维模型计算了岷江上游干旱河谷不同土地利用方式下土壤表层(0～20cm)161个样品的分形维数,分析了分形维数的空间变化特点及其与粒度组成、有机质和土壤养分之间的相关性。土壤粒径分布分形维数可以作为表征土壤结构和性质的重要指标。结果表明:不同土地利用方式下土壤的粒径分布具有不同的分形特征,分形维数在2.5011～2.7825之间,粉壤土>壤土>砂壤土,耕地大于灌林地。土壤颗粒体积分形维数与黏粒(<0.002mm)和粉粒(0.002～0.05mm)的体积百分含量以及土壤全钾含量呈极显著正相关关系,与砂粒(>0.05mm)的体积百分含量呈极显著负相关关系,而与土壤有机质,全氮,全磷,速效磷和速效钾含量的相关性未达到显著水平。研究结果可以为研究区植被恢复和土地利用开发提供一定的依据。     

基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测

果园精细管理中,苹果树冠层结构决定了叶幕期光照分布情况,而叶幕期光照分布又是关系到果实产量和质量的重要因素之一。该文以纺锤体苹果树为研究对象,提出了基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测方法。在冠层尺度内,按照网格法划分休眠期苹果树冠层三维点云数据,通过分析该数据构成的果树冠层空间结构,提出用计盒维数量化果树冠层结构的方法;通过分析休眠期冠层结构特征和叶幕期冠层相对光照分布特点,研究了休眠期苹果树三维冠层网格空间计盒维数与叶幕期冠层光照空间分布之间的关系,预测了叶幕成形期苹果树冠层光照分布。通过连续3 a的数据分析,叶幕期苹果树冠层阳面光照分布平均预测精度为76.11%,阴面平均光照分布预测精度为74.10%,该方法可为苹果树自动化修剪合理性评判提供技术支持。     

土壤颗粒粒径分布质量分形维数和体积分形维数的对比

用激光衍射法(LD法)和吸管法实测了60个富铁土土样的颗粒粒径分布(PSD)数据,在此基础上分别计算了颗粒的质量分形维数Dm和体积分形维数Dv。结果发现:由于LD法"低估"了黏粒部分,因此Dv相对低于Dm;由于Dv和Dm之间呈现出了一定的正相关性(p<0.001),且Dv与其实测黏粒之间呈一定的正相关性,因此Dv在一定程度上也能够用于表征土壤的某些基本属性;LD法可以对粒径进行更多的分级,但不同的粒径分级会对Dv产生影响,对粒径的再细分会导致Dv略微降低。     

沙柳沙障对沙丘土壤颗粒粒径及分形维数的影响

统计分析了库布齐沙漠流动沙丘、设置沙柳活沙障和死沙障沙丘的土壤颗粒粒径分布、分形维数及其与土壤砂粒(>0.05 mm)、粉粒(0.05~0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量的关系。结果表明:与流动沙丘相比,设置沙障沙丘的粉粒和黏粒含量增加,且随着土层的加深而表现为下降趋势,不同部位则均呈沙丘下部>上部>中部的趋势。土壤颗粒分形维数因设置沙障而呈增大趋势,且表现为活沙障沙丘>死沙障沙丘>流动沙丘;垂直分布上,设置沙障沙丘的土壤分形维数随土层加深而逐渐减小,而流动沙丘表现为表层与下层大而中层小的特征,沙丘不同部位的分形维数则均表现为沙丘下部>上部>中部。土壤颗粒分形维数大小与土壤质地的细粒化有一致的变化趋势,且与砂粒含量呈极显著负相关关系,而与黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关关系。<0.05 mm粒径物质含量的增加和>0.05 mm粒径物质含量的降低共同导致了土壤颗粒分形维数在设置沙障后的增大。     

黄土高原水蚀风蚀交错区小流域泥沙粒径的分形分析

泥沙颗粒特征是表征泥沙表面形态、泥沙机械组成、排列模式及泥沙絮凝现象的主要物理属性之一。在水土流失严重的水蚀风蚀交错区,不同地表覆被类型的侵蚀产沙方式和粗泥沙的侵蚀产沙强度很不均衡,导致其泥沙粒径分布的差异很大。以黄土高原典型淤地坝为例,采用分形原理和多重分形理论研究淤地坝坝控小流域泥沙粒径的分形特征,结果表明:淤地坝坝内泥沙与坡面泥沙存在线性关系,相关系数高达0.93;泥沙粒径分形维数D在淤地坝坝内垂直方向上随泥沙颗粒的增大而减小;分形的5个特征参数D,D（0）,D（1）,D（2）,D（0）/D（1）均表明不同地表覆被类型下,草地的粒度分布较均匀,裸地次之,分布最狭窄的是砂岩,该结果可为小流域泥沙来源和水土保持治理措施提供重要依据。     

基于GIS的流域地貌形态分形盒维数测定方法研究

流域地貌形态分形维数测定是目前地貌分形研究的薄弱环节,对于流域水土流失预报模型中地貌因子量化具有重要科学意义。依据分形盒维数测定原理,结合流域地貌的复杂三维立体特性,提出了以地形等高线为基本数据源,以GIS技术作为主要实现手段的流域地貌形态分形盒维数测定方法,编制出了相关测算程序,并以岔巴沟流域为例进行了实证研究。结果表明,该方法快速、准确、数据可靠,可实现不同尺度流域地貌形态分形盒维数的测定。     

风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征——以黄河上游内蒙古段西柳沟为例

[目的]研究在风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征,为风水两相侵蚀产沙和高含沙水流侵蚀产沙的治理等问题的研究提供理论和试验依据。[方法]选取位于黄河上游内蒙古段的西柳沟流域为例,采集沉积物表层样,利用激光粒度仪对43个样点的泥沙粒度组成进行分析,采用分形理论,结合方差分析以及K均值聚类法进行分析和研究。[结果](1)不同沉积环境下泥沙粒径分布分形维数不同,以水力侵蚀为主的丘陵沟壑区分形维数平均值最大,为2.48;以风力侵蚀为主的沙漠区分形维数平均值最小,为1.95。(2)对于西柳沟流域,泥沙颗粒组成中粒径在0.05mm以下的含量越高,粒径越离散,分维值越高;粒径在0.05~1mm之间的颗粒含量越高,分形维数越低;粒径在1mm以上的颗粒含量与分形维数关系不明显。相对来说,粉粒含量对于分形维数的影响大于黏粒含量。[结论]地貌条件主要影响的是河床样的泥沙粒径组成,产沙层土样的颗粒组成不受地貌条件的影响,河滩样的泥沙粒径组成受地貌条件和沉积环境的双重影响。     

重庆四面山4种人工林地土壤粒径分形特征

运用分形模型,对重庆四面山4种人工林地土壤结构进行分析,结果表明:4种人工林地的土壤粒径分形维数在土层0-40cm深度平均在2.625～2.693,随土壤层深度的变化土壤粒径分形维数差异不显著,而随林地类型的不同差异显著;从总体上看,4种人工林地土壤粒径分形维数变化由高到低依次为木荷石栎混交林(2.693)>杉木马尾松木荷混交林(2.688)>杉木马尾松混交林(2.659)>杉木纯林(2.625),木荷石栎混交林的土壤结构最好,杉木纯林的最差;在四面山地区阔叶混交林不仅对土壤良好结构的形成具有促进作用,而且其土壤的抗蚀能力和渗透性能也存在着明显的优势,对于该地区水土保持林的营造具有重要的指导意义。土壤粒径分形维数与土壤中黏粒含量存在显著的线性相关关系,表现为黏粒含量越高的土壤,其分形维数也越高,当土壤中直径<0.001mm黏粒含量的质量百分数在11.38%左右时,其土壤结构状况良好。     

基于砂滤层内水体积分数瞬态模拟的反冲洗速度优选

为了对石英砂滤层反冲洗过程水的体积分数波动规律进行分析,并确定合理的反冲洗速度范围,该文采用数值模拟手段对滤层反冲洗过程水的体积分数进行三维动态模拟,采用Gambit软件建立了石英砂过滤器的几何模型,并对几何模型进行了网格划分,以Mixture模型做为反冲洗过程水的体积分数的数值模拟模型。以当量粒径分别为1.06、1.2和1.5 mm的3种石英砂滤层为研究对象进行动态模型。为了验证模拟结果的准确性,开展了室内模型试验,并将模拟结果与试验结果进行对比,结果显示,水的体积分数的最大模拟误差为5.64%,说明数值模拟结果是可信的。在使用模拟数据进行流场分析时,为了得出更具普遍性的结论,引入了反冲洗流化倍数的概念,最小反冲洗流化速度的倍数称为反冲洗流化倍数。在此基础上,分别分析了反冲洗流化倍数为1.1、1.3、1.5、1.7和1.9时,滤层高度分别为15、25和35 cm共3个横截面上,反冲洗过程水的体积分数随时间的变化规律。计算了水的体积分数的均值和标准偏差,分析了水的体积分数的均值和标准偏差随随反冲洗流化倍数的变化规律。在3个截面上水的体积分数均值基本相同的情况下,根据标准偏差的大小,判定滤层反冲洗的稳定性。由此得出,使反冲洗水的体积分数波动保持稳定的反冲洗流化倍数的临界值为1.7。当反冲洗流化倍数范围为1~1.7时,标准偏差适中,反冲洗效果理想。结果表明,对于均质石英砂滤层,反冲洗效果是否理想,决定因素是反冲洗流化倍数。该文可为砂过滤器的反冲洗运行机理提供参考。     

微灌石英砂滤层流态特性与分形阻力模型参数确定

石英砂是微灌过滤中常用滤料,具有多孔介质属性。该文将多孔介质模型和分形理论相结合,对3种粒径的微灌石英砂滤层的过滤过程展开研究。将Ergun型方程无量纲化,并结合试验确定了石英砂滤层的流态分区。构建了石英砂滤层清洁压降的分形阻力模型,在模型中,过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数为待定参数。为了确定二者的值,将Ergun型方程与分形阻力模型相对比,得出了Ergun型方程经验系数的分形表达式,从而确定待定参数的值。首先,结合试验数据,拟合出湍流区经验系数的值,根据经验系数的分形表达式,确定了过滤通道曲线分形维数、滤层横截面分形维数等参数,得出了湍流区分形模型的表达式。然后,以湍流流区分形参数的值为边界值,确定了Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数表达式和滤层横截面分形维数的值,并得出了Forchheimer流区分形模型的表达式。在此基础上,分析了滤层过滤特性:1)根据Forchheimer流区过滤通道曲线分形维数的变化规律,得出了在Forchheimer流区滤层存在成熟期的结论;2)探讨了滤层最佳过滤速度和最佳清洁压降的计算方法,构建了石英砂滤层过滤性能函数,并利用过滤性能函数计算出了滤层的最佳过滤速度和最佳清洁压降。3种滤层最佳过滤速度分别为0.02、0.024和0.027 m/s,最佳清洁压降分别为6 045、9 660、14 500 Pa。研究为微灌砂过滤器运行和设计优化提供了技术依据。     

农田土壤颗粒尺寸分布分维及颗粒体积分数的空间变异性

盐渍土膜下滴灌过程中的土壤理化性质存在空间变异性,对灌溉管理有一定影响。该文根据3个不同尺度下土壤采样及颗粒尺寸分布（PSD）测定结果,探讨了土壤PSD分维和颗粒体积分数之间的定量关系,分析了各尺度和综合尺度下土壤PSD分维和颗粒体积分数的经典统计特征和地质统计特征,根据颗粒体积分数的半方差函数计算了不同尺度颗粒体积分数的分形维,并做出了等值线图。研究表明,土壤PSD分维与黏粒的体积分数呈正相关关系,黏粒体积分数增大引起PSD分维增加的原因在于细颗粒的比表面积比粗颗粒的大;各尺度土壤PSD分维及颗粒体积分数均无强变异特征;不同尺度下土壤PSD分形维的半方差函数中块金和基台值均非常低;50 m尺度土壤PSD分维和黏粒体积分数的等值线图具有类似的集中度和走势,而砂粒体积分数和粉粒体积分数则具有相反的集中度和走势。该研究说明土壤PSD分维和颗粒体积分数都有一定的尺度依赖性。     

土壤颗粒分布体积分形维数与数量分形维数之间的关系

土壤的体积颗粒分布(PSD)可用于同时确定数量分形维数(DN)和体积分形维数(DV)。以往的试验和理论研究均未直接比较DV和DN的关系。为建立DV和DN的关系并分析其参数的敏感程度,在中国各地取了12种不同质地土壤,利用激光粒度仪进行了测定。提出了含3个参数Rupper(颗粒半径的上限),Ri(第i个半径)和Rlower(半径下限)的DV-DN理论关系,该关系可说明为什么DN可能大于3。在未调整的幂定律范围内(PLR),DV的幂定律半径为38.6～85.8μm,DN的幂定律半径为53.2～358μm,估算的DV值(2.18～2.69)比DN值(2.38～3.19)小。调整后的PLR比未调整的窄。在调整的PLRs范围内,估算的DV值变化范围为2.11～2.56,而DN变化范围为2.28～3.02。调整和未调整PLRs得出的DV和DN的差异说明,Rupper,Rlower,Ri和Rlower/Rupper均可能影响DV与DN关系,有必要进行参数的敏感性分析。进行敏感性分析可基于敏感系数(C)来鉴别DV-DN关系中各参数改变所引起的DV和DN相对变化,从而找出对该关系影响最大的参数。就不同情况下计算的C值而言,Rupper是影响DN值的最重要参数,小的Rupper值可能导致估算DN的准确度降低。PLR范围越大,DN的估算越准确。根据DV估算DN的相对误差的绝对值在12%范围内,说明得出的DV-DN理论关系是正确的。     

根据土壤粒径分形估计紫色土水分特征曲线

选择不同质地紫色土,分别根据土壤颗粒的数量和重量分布计算土壤粒径分形维数,并与Tyler和Wheatcraft土壤水分特征曲线模型的拟合分形维数进行比较分析。结果表明,三种途径获得的分形维数与土壤质地密切相关,均表现出土壤黏粒含量越高,质地越细,分形维数越高。土壤粒径数量分布分形维数(2.98～3.26)和土壤粒径重量分布分形维数(2.73～2.81)存在较大的差异,但二者间却存在显著的线性关系。土壤粒径分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数(2.72～2.84)均存在显著的线性关系,尤其是土壤粒径重量分布分形维数与土壤水分特征曲线模型拟合分形维数数值十分接近。通过建立的土壤水分特征曲线模型分形维数与土壤粒径分布分形维数关系式,结合Tyler和Wheatcraft模型进行土壤水分特征曲线预测,预测值与实测值具有良好的一致性,因而根据土壤粒径分形预测紫色土水分特征曲线是可行的。     

微灌砂石过滤器滤层泥沙的沉积与迁移特征

为探明泥沙颗粒在砂石过滤器滤层中沉积与迁移的规律,选用3种粒径（>0.90～1.25、>1.25～1.60、>1.60～2.00 mm）的石英砂作为滤料,通过滤柱模型开展0.4‰的浑水过滤试验,分析滤层沉积与迁移的泥沙质量、泥沙粒度分布以及过滤时的水力性能。结果表明：过滤过程3种滤柱泥沙截留率分别为 97.08%、94.53%、90.50%,滤后水均满足微灌水质要求,但构成砂滤柱的滤料粒径越大,泥沙在滤层中分布越均匀。各砂滤层截留泥沙的粒径分布宽度自上向下分别为1.86、3.37、4.12、4.21,随滤层深度增加,截留泥沙颗粒粒径减小;在>0.90～2.00 mm 范围内,随滤料粒径增大,更多的细颗粒泥沙可以随水流排出过滤器,但中砂与粗砂全部截留在滤层中。综上,3种砂滤柱过滤效率的差异主要体现在小粒径泥沙截留量上,而在满足微灌水质标准的情况下,该部分小颗粒泥沙并不会使灌水器流道产生物理堵塞。同时,根据流速与压强分析得,大粒径的砂滤柱不仅流速稳定,压强升高较慢,而且纳污能力强。因此,在滤后水满足微灌水质的情况下,应当优先采用大粒径滤料,这样不仅可以提升过滤效率,而且节能省材。研究结果对砂石过滤器滤料粒径及滤层高度的优化具有重要意义。     

南昌不同城市化强度土壤粒度组成和分形特征及其影响因素

为探究南昌城市化强度对土壤粒度组成与分形特征的影响,将南昌市建成区按不透水面面积占比区分城市化强度等级取样调查（184个样方）,测定土壤粒度组成、理化性质及植被指标,通过土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数值。结果显示：①南昌城市土壤颗粒以粉粒（46~59%）和砂粒（40~53%）为主,高城市化导致土壤中砂粒含量增加,粉粒含量减少。②南昌城市土壤分形维数的变化范围为2.69~2.97,随城市化强度增加呈下降趋势。土壤粉粒与分形维数正相关,砂粒与之相反,粉粒对土壤分形维数的影响最大。③皮尔森相关分析与结构方程模型分析结果共同表明：丰富的地上植被能够减少土壤颗粒的流失,改善土壤物理性质,缓解土壤退化;城市绿地中粉粒、极细砂粒等粒径适中的土壤颗粒保水、保肥更佳,更能反映土壤的质量水平。     

基于CT扫描的不同粒形滤料孔隙结构特征

滤层孔隙结构直接影响过滤过程中的颗粒沉积和运移效果。为了掌握砂石过滤器不同粒形滤料组成滤层的内部孔隙结构特征,该研究以粒径为1～1.18 mm的普通石英砂（QS1）、天然海砂（SS2）、改性玻璃（MG3）和玻璃微珠（GB4）4 种滤料为研究对象,采用CT 扫描技术对滤层孔隙模型进行了三维重构,利用VGStudio MAX、Image J等计算机图像处理软件,分析了 4 种滤层的孔隙率、孔径大小及孔隙形状参数,并结合分形理论确定了 4 种滤层孔隙结构的计盒分形维数。结果表明：4种滤层的表观孔隙率范围分别为39.7%～44.6%、38.5～42.3%、40.7%～45.6%、34.8%～38.7%,对应体积孔隙率分别为0.422、0.412、0.441、0.366;对应孔径范围分别为75～960、80～760、70～1 050、85～930 μm,圆度值区间分别为1.59～1.78、1.35～1.54、1.65～2.03、1.20～1.36,扁平度值区间分别为2.62～2.75、2.05～2.20、3.04～3.21、1.94～2.04,计盒维数均值分别为1.621、1.566、1.661、1.446。该研究定量表征了滤层孔隙结构特性,得出不同粒形滤料细观孔隙结构的差异：滤层表观孔隙率呈现“上高下低”分布规律,孔径分布规律表明滤层内均是小孔隙占多数,大孔隙占少数,且孔隙以狭长型为主。随着滤料棱角度增加,表观孔隙率分布越分散,体积孔隙率越大,大孔隙占比也相应增加,最大达到17.24%（MG3）,孔隙形状更加偏离球形,表征孔隙结构复杂性的计盒维数相应增加,且分形维数与孔隙率呈负相关关系。滤层孔隙结构研究可为后续研究滤层内颗粒沉积和运移规律奠定基础。     

土壤图像孔隙轮廓线分形特征及其应用

孔隙轮廓线分形维数是用来描述孔隙本身所具有的分形特征，它反映了土壤孔隙与固体颗粒接触界限的不规则性。该文采用数字图像处理技术研究了中国科学院封丘农业生态实验站内3种不同质地土壤样本图像的孔隙轮廓线分形特征。结果表明：土壤孔隙轮廓线分形特征与土壤质地之间存在着一定的相关关系，即土壤质地越细(黏粒含量越高)分形维数取值越大。同时，根据这3种土壤的孔隙轮廓线分形维数，结合不同分形方法分别预测了它们的水分特征曲线，并与实测的土壤水分特征曲线进行了比较。     

细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器堵塞的影响

为探明细小泥沙粒径对迷宫流道灌水器抗堵塞性能的影响,该文以内镶片式斜齿形迷宫流道灌水器为研究对象,应用类短周期堵塞测验方法对8种粒径小于0.1 mm的泥沙颗粒进行浑水测试。在此基础上,分析了泥沙粒径和含沙量对灌水器堵塞的影响,探讨引起灌水器发生堵塞时的敏感粒径范围与含沙量水平。试验结果表明:对于粒径小于0.1 mm的细小颗粒,含沙量是引起灌水器堵塞的主要原因,当浑水含沙量水平大于1.25 g/L时,影响尤其显著,呈正相关关系;粒径对堵塞的影响并不是单调的递增或递减,堵塞发生的敏感粒径范围在0.03～0.04 mm之间。试验结果有助于进一步提高含沙水源滴灌的应用水平。