土壤結(jié)構(gòu)三維可視化研究

段春曉，夏敏（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院 ，南京0095）

土壤是作物生長發(fā)育的環(huán)境，是作物賴以生存的基礎(chǔ)，但土壤結(jié)構(gòu)對土壤功能的影響機(jī)制至今仍模糊不清，對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維可視化，完整地獲取土壤原狀結(jié)構(gòu)的定量信息，是從根本上認(rèn)識土壤結(jié)構(gòu)與功能間關(guān)系及有關(guān)過程內(nèi)在機(jī)制的必要前提。

一、土壤結(jié)構(gòu)三維可視化

土壤結(jié)構(gòu)三維可視化就是指根據(jù)土壤的特點(diǎn)以及研究目的，將三維可視化技術(shù)有目的的運(yùn)用在土壤結(jié)構(gòu)研究上，也就是通過研究土壤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及土壤質(zhì)地的組成成分，更具需要建立相應(yīng)的分析應(yīng)用模型，通過圖像制備技術(shù)獲取土壤結(jié)構(gòu)原狀圖像，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將原狀土壤實(shí)體以三維圖形的方式在屏幕上展示出來，并得到土壤結(jié)構(gòu)的定量化信息。

二、土壤結(jié)構(gòu)三維可視化研究的重要性

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)條件下，要想農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，耕地是必不可少的。耕地的肥力狀況又是影響作物生長的關(guān)鍵因素，農(nóng)業(yè)要持續(xù)發(fā)展，獲得穩(wěn)定增長的生產(chǎn)力，首先必須保證耕地肥力的持久性，而土壤結(jié)構(gòu)是耕地肥力的基礎(chǔ)，土壤結(jié)構(gòu)不同，土壤中的孔隙，差異就會顯著，這就直接影響著土壤中水分、熱量、空氣、養(yǎng)分的運(yùn)移和傳遞，從而在很大程度上反映土壤肥力的水平。因此，對于土壤結(jié)構(gòu)的研究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中具有非常重要的意義。

目前對于土壤結(jié)構(gòu)的研究還很少。主要有三個原因：一、對土壤結(jié)構(gòu)對土壤功能的影響機(jī)制仍模糊不清，二、很難做到在不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)的前提下對土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測量，三、缺少有效的方法來建立土壤結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型，從而導(dǎo)致對土壤結(jié)構(gòu)的定量化描述受到限制。因此，在不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)的前提下對土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量并對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，完整地獲取土壤原狀結(jié)構(gòu)的定量信息，實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)的三維可視化是從根本上認(rèn)識土壤結(jié)構(gòu)與功能間關(guān)系及有關(guān)過程內(nèi)在機(jī)制的必要前提，也是土壤學(xué)工作者長期關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。

三、土壤結(jié)構(gòu)三維可視化的新技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷的被人們發(fā)明、接受和應(yīng)用。CT（Computerized Tomography)掃描技術(shù)的引入，大大促進(jìn)了土壤結(jié)構(gòu)的研究。CT掃描技術(shù)是一種非侵入性的無損探測技術(shù)，可以在不破壞原狀多孔物質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)的情況下獲得表征介質(zhì)幾何和拓?fù)涮卣鞯膱D像信息，而且省去了制備土壤切片等一系列繁瑣復(fù)雜的程序。CT掃描技術(shù)同時也是一種無損的3D成像技術(shù)，是獲取原狀三維土壤結(jié)構(gòu)的理想方法，能獲得多孔介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的三維圖像，因此可以對土壤孔隙的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)了土壤孔隙結(jié)構(gòu)的三維可視化。在眾多能實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)三維可視化的方法中，唯有CT掃描技術(shù)能夠簡便、迅速、完整地、在不破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)的前提下對土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)的三維可視化。因此，CT掃描技術(shù)在土壤結(jié)構(gòu)三維可視化的研究中具有很大的應(yīng)用前景。

總之，人們對三維信息的需求與日俱增，三維可視化技術(shù)的研究也越來越受到人們的重視，但是對于土壤結(jié)構(gòu)方面的三維可視化研究目前還比較少。近20多年來，CT掃描等三維成像技術(shù)的不斷發(fā)展使得高精度數(shù)字圖像的快速獲取成為可能，其在醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域的成功應(yīng)用和推廣為我們獲取完整的土壤結(jié)構(gòu)原狀圖提供了可供借鑒的新 思 路。SketchUp、3ds MAX、Image J等三維重建軟件的開發(fā)與使用也為土壤結(jié)構(gòu)的三維可視化提供了可能。