基于圖像處理的土壤顏色判別方法研究

諸莉燕，畢利東 ，柳開樓

（1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院/南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046）

土壤顏色是土壤內(nèi)在的物質(zhì)組成在外在色彩上的表現(xiàn)，同時也是土壤物質(zhì)組成及其性質(zhì)在視覺上的綜合反映［1］。土壤顏色的變化是土壤發(fā)育程度評價的重要指標(biāo)［2］，而土壤顏色的深淺最為直觀地反映了土壤的肥力狀況［3-4］，因此準(zhǔn)確定量化研究土壤顏色特征具有重要的理論意義及應(yīng)用價值。土壤顏色的測定方法通常分為3種：一是目測比色法［5-6］，二是分光光度計算法［7-8］，三是利用電子設(shè)備測得照片的RGB值，通過一系列轉(zhuǎn)換求得門賽爾系統(tǒng)中的色調(diào)、色值和色度（HVC）值［9-10］。目測比色法通過觀察者肉眼對比土樣與比色卡顏色片得到土樣顏色，方法操作簡便，但較為依賴于眼睛對色彩的敏感度，導(dǎo)致較大的主觀性［5］；分光光度計算法是在土壤光譜反射特性研究基礎(chǔ)上提出的一種土壤顏色定量測定方法［7］。該方法應(yīng)用分光光度計，根據(jù)試驗光線的光譜強(qiáng)度、土樣光譜反射系數(shù)和光譜波段數(shù)等參數(shù)采用縱坐標(biāo)累積法或選擇波長法計算得到光譜三刺激值［8］，再轉(zhuǎn)換為 HVC 值［11-12］。分光光度計算法所需的分光光度計價格較昂貴，操作要求較高，攜帶性差，且顏色模型間轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜，過程中容易產(chǎn)生誤差［13］；為簡化試驗設(shè)備，縮短試驗用時，照相機(jī)、智能手機(jī)被應(yīng)用于土壤顏色測定。通過圖像處理技術(shù)讀取照片中土樣顏色的RGB值，并對其進(jìn)行校正，校正后的RGB值通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成土樣顏色的光譜三刺激值和HVC值。這種方法首先需要對照片色彩進(jìn)行精確修正，對圖像處理技術(shù)要求較高，其次轉(zhuǎn)換計算過程復(fù)雜。現(xiàn)有定量測定土樣顏色方法要求研究者具備較豐富的專業(yè)知識，為降低對研究者的技術(shù)要求，需簡化土樣顏色測定方法。因此，我們基于傳統(tǒng)的目測比色法，運(yùn)用簡單拍照結(jié)合圖像處理技術(shù)判別土壤顏色類別，以期簡化試驗儀器并規(guī)避復(fù)雜的色彩校正和轉(zhuǎn)換過程。由于Image J軟件［14］操作簡單，能直接獲得選定區(qū)域中圖像顏色的RGB平均值，故改進(jìn)后的土壤顏色測定方法選擇Image J這一專業(yè)圖像處理軟件進(jìn)行試驗操作。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省南昌市進(jìn)賢縣，屬亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，日照充足，無霜期長。年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，無霜期282 d，年平均氣溫17.7℃，最冷月（1月）平均氣溫為5.1℃，最熱月（7月）平均氣溫為29.8℃，年平均日照時數(shù)為 1 900～2 000 h。

1.2 試驗材料

土壤樣品選用不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤性水稻土，母質(zhì)類型包括第四紀(jì)紅色粘土、河積物、泥質(zhì)巖類風(fēng)化物、湖積物、酸性結(jié)晶巖類風(fēng)化物和石英巖類風(fēng)化物6種類型。根據(jù)進(jìn)賢縣土壤母質(zhì)圖采集耕作層和犁底層的土壤樣品，采樣地點及樣品編號如表1所示。樣品采集回室內(nèi)后風(fēng)干20 d后全部過2 mm土壤篩備用。每個樣品分別采用傳統(tǒng)門賽爾比色法和改進(jìn)后的圖像處理方法分別測定，每個樣品重復(fù)10次。試驗在自然光光照強(qiáng)度為4 000～4 500 lx，無燈光照射的實驗室內(nèi)進(jìn)行。實驗室窗戶玻璃為無色透明玻璃，且無大面積彩色物體。

表1 土壤樣品采樣地點

主要儀器設(shè)備：門賽爾土壤比色卡、照相機(jī)、白紙、雙面膠、白色塑料板。本試驗采用2009版門賽爾土壤比色卡型號為M50215B；照相機(jī)型號為NIKON D7000，光圈值為f/4.5，曝光時間為1/400 s，曝光補(bǔ)償為+0.3步驟，焦距為50 mm，白平衡選項設(shè)置為自動，閃光燈處于關(guān)閉狀態(tài)；白紙尺寸選用A3大小，2塊白色塑料板尺寸為200 mm×150 mm×2 mm。

1.3 試驗方法

根據(jù)三原色理論，任何一種顏色的光都可以用紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3種顏色的光按不同的比例混合而成，即顏色可以用紅、綠、藍(lán)3種基色的變化以及它們相互之間的疊加來描述。而國際上普遍采用的顏色分類和標(biāo)定體系為HVC顏色模型。HVC顏色模型與RGB顏色模型間差距很大，土壤顏色測定過程中需進(jìn)行顏色模型間的轉(zhuǎn)換。由于RGB色彩可以通過電子設(shè)備直接獲取，故考慮將門賽爾比色卡上顏色片的HVC值通過簡單拍照和圖像處理轉(zhuǎn)換為RGB值。通過比較土樣與顏色片的RGB值，找到與土樣顏色RGB值最接近的顏色片，該顏色片所對應(yīng)的HVC值即為土樣顏色的HVC值。

目測比色法：將風(fēng)干土樣碾磨過0.053 mm土壤篩，取適量放于白紙片上，將白紙片置于門賽爾土壤比色卡后，使得土樣居于比色卡顏色片的小孔中，移動白紙片，通過比較找到與土樣顏色最接近的顏色片，顏色片的HVC值即為該土樣顏色的HVC值。每個樣品重復(fù)10次，隨機(jī)找10位具有土壤學(xué)基礎(chǔ)的人員判讀，實驗者均無色盲、色弱，分別記錄判讀結(jié)果。

改進(jìn)后的方法：（1）將風(fēng)干土碾磨過0.053 mm土壤篩，均勻裝填于有雙面膠和白色塑料板組成的卡槽內(nèi)，土樣裝填厚度為0.5 mm；（2）選擇出與土壤顏色相近的幾張門賽爾比色卡，將比色卡粘貼于另一塊白色塑料板上；（3）將兩塊塑料板并排放置于A3白紙上，用相機(jī)對其進(jìn)行拍攝（拍攝距離：110 cm，圖像尺寸：4928像素×3264像素）；（4）將照片導(dǎo)入電腦，利用Image J軟件測得土樣和門賽爾比色卡上的顏色片的RGB平均值（土樣選擇區(qū)域：195像素×195像素，顏色片選擇區(qū)域：177像素×148像素）。（5）將土樣與顏色片的R、G和B值差的絕對值加權(quán)，通過比較找到加權(quán)值最小的RGB值，該RGB值所對應(yīng)的顏色片即為與土樣顏色最接近的顏色片，從而求得土樣顏色的HVC值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土樣顏色RGB值的變化

表2結(jié)果表明，不同母質(zhì)發(fā)育水稻土R、G、B 值區(qū)間分別為 166.4～177.6、146.1～153.5、96.1～124.2。同一種土壤犁底層R值均顯著大于其耕作層土壤R值，其中第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的水稻土犁底層與耕作層R值差異顯著，其余母質(zhì)發(fā)育的水稻土犁底層與耕作層R值差異極顯著。同一母質(zhì)發(fā)育的水稻土犁底層B值均小于耕作層B值，其中第四紀(jì)紅粘土、河積物由于土壤耕作層和犁底層的腐殖質(zhì)含量均較高，其耕作層和犁底層土壤R值差異不顯著，其余母質(zhì)發(fā)育的水稻土犁底層B值均顯著小于耕作層。除泥質(zhì)巖類風(fēng)化物發(fā)育的水稻土耕作層G值顯著大于犁底層外，其余母質(zhì)發(fā)育的水稻土耕作層與犁底層G值差異不顯著。

表2 紅壤水稻土顏色RGB值

2.2 測定方法對土壤顏色類型的影響

表3結(jié)果表明，采用改進(jìn)后的方法進(jìn)行土壤顏色測定時，得到的土壤顏色HVC值類型不大于兩種。部分土樣測定結(jié)果有2種類型的顏色HVC值，其主要原因是求取HVC值的方法為尋找與土樣顏色RGB值間差的絕對值加權(quán)和最小的顏色片，而門賽爾比色卡顏色片間的RGB值差異較小，不同色調(diào)的顏色片的RGB值與土樣顏色的RGB值接近的顏色種類不同且接近程度也不盡相同，故出現(xiàn)不同顏色片與土樣顏色的RGB值差的絕對值加權(quán)相同或相近的情況。

對比表3和表4，每一種土樣采用改進(jìn)后的方法重復(fù)測定結(jié)果間變異性顯著減小，采用目測比色法測得的土樣顏色類型均大于改進(jìn)后的方法測得的顏色類型數(shù)。其中，采用改進(jìn)后的方法測定的土壤顏色類型數(shù)平均值為1.4，而采用目測比色法得到的土壤顏色類型數(shù)平均值為4.6。這主要是由于門賽爾比色卡顏色片間的色彩差異較小，且觀察者對色彩的敏感度不同，導(dǎo)致試驗主觀性較為嚴(yán)重［5］。同時，這也間接說明門賽爾比色卡中的單一顏色片不能準(zhǔn)確描述江西地區(qū)水稻土的顏色，這一現(xiàn)象與余建軍等［15］的研究結(jié)果一致。

表3 改進(jìn)后的方法測得的土樣顏色類型

表4 目測比色法測得的土樣顏色類型

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，對于江西省6種母質(zhì)發(fā)育的水稻土，當(dāng)母質(zhì)類型相同時，水稻土犁底層R值顯著大于耕作層，B值則小于耕作層；除泥質(zhì)巖類風(fēng)化物發(fā)育的水稻土外，其余母質(zhì)發(fā)育的土壤耕作層與犁底層G值差異不顯著。水稻土犁底層和耕作層顏色的R、G值變化主要是腐殖質(zhì)含量［16-18］變化引起的，由于耕作層受施肥以及水稻返田秸稈影響較大，因此腐殖質(zhì)含量較高，腐殖質(zhì)呈現(xiàn)的顏色掩蓋了三價鐵離子的紅色。泥質(zhì)巖類風(fēng)化物發(fā)育的水稻土耕作層土壤顏色呈灰色，說明土壤中氧化亞鐵含量較高，氧化亞鐵本身呈綠色［1］，故耕作層土壤G值大于犁底層；而其余母質(zhì)的紅壤性水稻土耕作層有機(jī)質(zhì)含量高于犁底層，有機(jī)質(zhì)含量與土壤顏色G值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［19］，故耕作層土壤顏色G值小于犁底層，但由于耕作層和犁底層的氧化鐵等暗色礦物含量［20］或有機(jī)質(zhì)含量較高［21-23］，削弱了有機(jī)質(zhì)含量變化對G值的影響［24］。

土壤顏色是土壤理化性質(zhì)的集中體現(xiàn)，是土壤類型判斷、發(fā)生層劃分、發(fā)育程度評價以及土壤性質(zhì)研究的重要依據(jù)［1，25］。由于受到試驗設(shè)備和專業(yè)技術(shù)要求的限制，目前土壤顏色測定主要采用目測比色法［15］。隨土壤顏色與土壤理化性質(zhì)之間的深入研究發(fā)現(xiàn)，采用目測比色法存在較大主觀性［5］，且門賽爾比色卡上的顏色片間色差較小，肉眼因受色彩敏感度等因素的限制，易造成各人判定結(jié)果不統(tǒng)一。改進(jìn)后的方法基于傳統(tǒng)目測比色法，利用簡單拍照結(jié)合圖像處理技術(shù)進(jìn)行土壤顏色測定。對于江西省6種母質(zhì)類型的耕作層和犁底層土壤，采用改進(jìn)后的方法測定的土壤顏色類型數(shù)平均值為1.4，而采用目測比色法測得的土壤顏色類型數(shù)平均值為4.6，同一土樣采用改進(jìn)后的方法測得的土樣顏色類型數(shù)減少，重復(fù)測定結(jié)果間變異性顯著降低，試驗研究結(jié)果佐證該測定方法切實可行。因此，改進(jìn)后的方法簡化了試驗儀器，降低了試驗人員的專業(yè)技能要求，提高了判斷結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

本研究僅定量測定了江西省不同母質(zhì)的紅壤水稻土顏色，未對土壤顏色顯色機(jī)理進(jìn)行定量化深入研究，且樣本顏色主要為黃紅色調(diào)，下一步將擴(kuò)大研究區(qū)范圍，增加土壤類型，并研究土壤顏色與其影響因素的定量關(guān)系。