基于MATLAB GUI的土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)

范瑞宇，金 玉，劉延鋒

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078)

土壤質(zhì)地是土壤一個相對穩(wěn)定的自然屬性，影響著土壤的蓄水、導(dǎo)水、持水、通氣、傳熱等水理性能，從而影響土壤中水分、溶質(zhì)和熱量的傳輸與分布以及營養(yǎng)物質(zhì)、微生物、元素的形態(tài)等[1-7]。土壤質(zhì)地也是土壤質(zhì)量評價、地質(zhì)工程、巖土工程所需考慮的重要指標(biāo)[8-9]。土壤質(zhì)地類型是指土壤中不同粒徑土粒的相對比例(土壤機(jī)械組成的差異)[10-11]。利用土壤機(jī)械組成對土壤質(zhì)地類型進(jìn)行分類已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，至今全球已提出了20～30種分類標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的土壤質(zhì)地類型分類標(biāo)準(zhǔn)是美國農(nóng)業(yè)部制、國際制、卡慶斯基制和在卡慶斯基制基礎(chǔ)上形成的中國制，其中我國使用最廣的是美國制和國際制[12]分類標(biāo)準(zhǔn)，兩者均通過查詢土壤質(zhì)地三角圖來確定土壤質(zhì)地類型名稱。利用土壤質(zhì)地三角圖確定土壤質(zhì)地類型時，依據(jù)砂粒、粉粒和黏粒的百分含量，通過表征三個含量值的直線交點(diǎn)來確定土壤質(zhì)地類型名稱，但當(dāng)樣品數(shù)很多時，手動查詢則耗費(fèi)大量時間，而且三角圖坐標(biāo)不易識別，可能會導(dǎo)致誤讀坐標(biāo)值而造成土壤質(zhì)地定名錯誤。

為了能夠自動確定土壤質(zhì)地類型，國內(nèi)外學(xué)者開展了土壤質(zhì)地類型自動識別程序的研究，常用的方式主要有3種：①利用編程語言開發(fā)土壤質(zhì)地類型自動識別程序；②通過編制Excel宏程序來識別土壤質(zhì)地類型；③利用能夠繪制三角圖的圖形繪制軟件。目前土壤質(zhì)地類型自動分類計(jì)算機(jī)程序主要有Christopher等[13]提出的Texture AutoLookup (TAL) for Windows程序(http://www.christopherteh.com/tal/)、Gerakis等[14]提出的TRIANGLE 程序、張麗萍等[15]提出的STAC程序、李建波等[16]提出的STARS程序、Moeys等[17]提出的基于R語言的soiltexture程序包(https://cran.r-project.org/web/packages/soiltexture/)和Hoffmann[18]提出的基于MATLAB的土壤質(zhì)地分類程序(https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/45468-soil_classification-sand-clay-tvarargin)。其中，TAL程序包括美國制、國際制、英國制和加拿大制4種土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)；TRIANGLE程序(https://nowlin.psm.msu.edu/software/triangle_form.html)包括網(wǎng)絡(luò)版程序(the web version)、Windows控制臺應(yīng)用程序(Windows console version)和Windows應(yīng)用程序(full-blown Windows version)，能夠?qū)崿F(xiàn)美國制、葡萄牙制和奧地利制的土壤質(zhì)地分類[14-15]；STAC 程序是由中科院地理科學(xué)與資源研究所張麗萍等利用Visual Basic語言并基于多邊形內(nèi)點(diǎn)判別算法開發(fā)的綠色軟件，主要依據(jù)美國制土壤質(zhì)地三角圖進(jìn)行土壤質(zhì)地類型分類[15]；李建波等使用C#語言開發(fā)的土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)( STARS)主要基于坐標(biāo)系進(jìn)行分類，包括美國制和國際制[16]；基于R語言的soiltexture程序包中包含了十幾個國家的土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)[17]?；贓XCEL宏的主要有美國農(nóng)業(yè)部Natural Resources Conservation Service Soils(NRCS)的土壤質(zhì)地計(jì)算器Soil Texture Calculator(STC)，可以在線計(jì)算或下載EXCEL文件進(jìn)行美國制土壤質(zhì)地分類(https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/de tail/soils/survey/?cid=nrcs142p2_054167)；郭彥彪等[3]利用Excel 邏輯函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)了美國制土壤質(zhì)地類型的自動查詢；Origin(https://www.originlab.com/fileExchange/details.aspx?fid=300)、Dplot[19](https://www.dplot.com/help/index.htm?helpid_scale_triangle.htm)等軟件能夠繪制三角圖，亦被用于土壤質(zhì)地三角圖的繪制。

目前我國學(xué)者在學(xué)術(shù)研究中約有20%使用了卡慶斯基制與中國制進(jìn)行土壤質(zhì)地分類，中國自然資源部、中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等技術(shù)規(guī)范中也使用了這兩種分類制[12]。但現(xiàn)有土壤質(zhì)地類型自動識別程序與方法中幾乎沒有包括這兩種土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)。目前激光粒度分析儀已越來越多地用于土壤顆粒組成分析，其結(jié)果包含不同粒徑顆粒所占的比例，首先需要根據(jù)土壤質(zhì)地分類所對應(yīng)的粒徑級別對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，才能進(jìn)行土壤質(zhì)地類型識別。對利用激光粒度儀分析數(shù)據(jù)文件進(jìn)行自動預(yù)處理并進(jìn)行土壤質(zhì)地類型劃分，可以大幅度提高效率。為此，本文基于MATLAB GUI開發(fā)了土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)(Graphical Soil Texture Automatic Recognition System，GSTARS)，該系統(tǒng)功能齊全、界面友好，能夠同時識別大批量樣品、對比不同土壤質(zhì)地分類制分類結(jié)果和自動處理激光粒度儀測試結(jié)果數(shù)據(jù)文件。

1 土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

1. 1 美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)是美國農(nóng)業(yè)部(U.S.Department of Agriculture)根據(jù)砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)三種粒徑顆粒的百分含量，劃定了12種土壤質(zhì)地類型(見表1)。該分類制采用等邊三角形表示，等邊三角形的三個頂點(diǎn)分別代表100%的砂粒、100%的粉粒和100%的黏粒，根據(jù)不同土壤質(zhì)地類型的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以在三角圖中繪制不同土壤質(zhì)地類型的分布區(qū)，依據(jù)不同粒徑顆粒的百分含量與分類標(biāo)準(zhǔn)確定土壤質(zhì)地類型，也可以在三角圖中識別，即在三角圖中表示三種粒徑顆粒百分含量的三條直線相交點(diǎn)所處的土壤質(zhì)地類型區(qū)就是該土壤樣品的土壤質(zhì)地類型，見圖1。在使用GSTARS識別土壤質(zhì)地類型時，將土壤樣品顆粒組成(砂粒、粉粒和黏粒的含量)與分類標(biāo)準(zhǔn)中三種粒徑顆粒百分含量范圍進(jìn)行對比，可獲得該土壤質(zhì)地類型。

表1 美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

圖1 美國制土壤質(zhì)地三角圖Fig.1 Triangle coordinate diagram of USDA’s soil texture classification system

1. 2 國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

國際制土壤質(zhì)地分類在第二屆國際土壤學(xué)會上通過，該分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、黏粒(<0.002 mm)三種粒徑顆粒的百分含量，劃定了12種土壤質(zhì)地類別，見表2。與美國制相似，國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)亦采用三角圖表征，根據(jù)不同土壤質(zhì)地類型的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以在三角圖中繪制土壤質(zhì)地類型分布區(qū)，依據(jù)三種粒徑顆粒的百分含量與分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比來確定土壤質(zhì)地類型，也可以在三角圖中識別，即在三角圖中表示三種粒徑顆粒百分含量的三條直線相交點(diǎn)所處的土壤質(zhì)地類型區(qū)即為該土壤樣品的土壤質(zhì)地類型，見圖2。

表2 國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

圖2 國際制土壤質(zhì)地三角圖Fig.2 Triangle coordinate diagram of International soil texture classification system

1. 3 卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)是1957年前蘇聯(lián)土壤物理學(xué)家卡慶斯基(H.A Качинский)制定的，該分類制將土壤顆粒劃分為物理性砂粒(>0.01 mm)和物理性黏粒(<0.01 mm)，并按照兩者的含量，參考土壤質(zhì)地類型劃分，將土壤質(zhì)地類型劃分為砂土、壤土和黏土三類，見表3。該分類制有基本分類和詳細(xì)分類兩種，前者有3組9種土壤質(zhì)地類型，后者在前者的基礎(chǔ)上細(xì)分為39種土壤質(zhì)地類型[10,12,20]。目前國內(nèi)通常使用該卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類制，我國大多數(shù)土壤可以按照草原土及紅黃壤類的土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。

表3 卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

1. 4 中國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)

自1959年擬定我國南方土壤質(zhì)地四級分類以來，經(jīng)過多次補(bǔ)充修改，1987年《中國土壤》第2版公布了中國土壤質(zhì)地分類制，分3組12種土壤質(zhì)地類型，分類標(biāo)準(zhǔn)見表4[20-21]。該分類制粒徑級制是在卡慶斯基制的基礎(chǔ)上修訂而來的，將黏粒取為<0.002 mm，并將黏粒分為粗黏粒(0.002～0.001 mm)和細(xì)黏粒(<0.001 mm)。需要說明的是，該分類標(biāo)準(zhǔn)只列出了作為分類依據(jù)的顆粒組成的主要粒級：砂粉(0.05～1 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)和細(xì)黏粒(<0.001 mm)，而未列出中粉粒(0.005～0.01 mm)、細(xì)粉粒(0.002～0.005 mm)和粗黏粒(0.001～0.002 mm)，主要是因?yàn)樗鼈冊谕寥乐兴憩F(xiàn)的特性尚不足以影響到土壤質(zhì)地等級的歸屬[23]。

表4 中國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)(1985年)

2 土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能夠批量自動實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)地分類并便于不同分類制結(jié)果的對比，基于MATLAB GUI開發(fā)了土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)(GSTARS)。

2. 1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

開發(fā)的GSTARS能夠?qū)崿F(xiàn)美國制、國際制、卡慶斯基制和中國制的土壤質(zhì)地類型自動識別與圖形化顯示，既可通過數(shù)據(jù)錄入方式確定單個土壤樣品的土壤質(zhì)地類型，又能以數(shù)據(jù)文件的形式實(shí)現(xiàn)批量土壤樣品質(zhì)地類型識別，并以數(shù)據(jù)文件的形式輸出；對于基于土壤質(zhì)地三角圖的美國制和國際制，能夠在三角圖中顯示土壤樣品所處的位置，對于單個土壤樣品模式，能保存計(jì)算歷史，方便查詢。同時，GSTARS能夠處理多種形式的土壤顆粒組成數(shù)據(jù)文件：將激光粒度儀分析、土工分析等方法獲取的不同粒徑及其對應(yīng)含量的數(shù)據(jù)處理成砂粒、粉粒和黏粒的百分含量，將包含多個土壤樣品的數(shù)據(jù)文件通過提取、計(jì)算和重組的方式，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)文件(文件按土壤樣品編號、各分類制劃分所需數(shù)據(jù)組織)；能夠?qū)牒蜑g覽數(shù)據(jù)文件；能夠讀取和輸出*.xls、*.xlsx、*.csv和*.txt等格式的數(shù)據(jù)文件。此外，為了保證三種粒徑組成的百分含量之和為100%，系統(tǒng)將通過“100-砂粒含量-黏粒含量”的形式獲取粉粒的百分含量。

2. 2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

圖形化操作界面對用戶友好，不需要掌握程序的內(nèi)核。本研究遵循功能分區(qū)化、簡潔易懂和方便操作的方式進(jìn)行土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，采用MATLAB GUIDE工具實(shí)現(xiàn)程序的界面化，見圖3。其中，界面左側(cè)A1區(qū)為工具欄部分，用于導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件、清空文本與正三角形畫布、保存批量計(jì)算文件、幫助介紹軟件使用、退出軟件，A2區(qū)為分類標(biāo)準(zhǔn)選擇部分，A3區(qū)為單樣品土壤質(zhì)地計(jì)算部分，A4區(qū)為多樣品土壤質(zhì)地批量計(jì)算部分；界面右側(cè)(B區(qū))是美國制/國際制土壤質(zhì)地分類三角圖或中國制/卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)表。

圖3 土壤質(zhì)地類型自動識別軟件系統(tǒng)界面Fig.3 Graphical User Interface design of STRAS

2. 3 三角圖設(shè)計(jì)

美國制和國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)均采用三角圖的形式顯示。首先在繪圖框內(nèi)建立坐標(biāo)系，繪制正三角圖框及網(wǎng)格；然后以平面直角坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0)作為一個頂點(diǎn)，并設(shè)定正三角形邊長為100，則可求得其他另外兩個頂點(diǎn)的坐標(biāo)；最后根據(jù)求得的坐標(biāo)點(diǎn)，用plot命令繪制正三角圖，并填充次要參考線以及坐標(biāo)軸名稱與刻度。

三角圖采用的是三角坐標(biāo)系，而繪圖框內(nèi)為笛卡爾坐標(biāo)系，因此需要對三角圖的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將每個土壤樣品顆粒組成數(shù)據(jù)坐標(biāo)(sand,silt,clay)轉(zhuǎn)換為繪圖框內(nèi)的笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)(x,y)：

x=100-sand×100-clay×100×cos60°

(1)

y=clay×100×sin60°

(2)

依據(jù)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)，利用plot函數(shù)可以繪制樣品點(diǎn)在三角圖中的位置。

依據(jù)美國制和國際制不同土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)(見表1和表2)，確定各分類標(biāo)準(zhǔn)下土壤質(zhì)地類型劃分界線端點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，使用plot命令繪制對應(yīng)分類標(biāo)準(zhǔn)的土壤質(zhì)地類型分界線，并使用text命令標(biāo)明各分區(qū)巖性，從而形成美國制和國際制的土壤質(zhì)地三角圖，見圖1和圖2。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

本文以美國制土壤質(zhì)地分類為例，介紹了土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)(GSTARS)的使用方法，具體如下：

(1) 單個土壤樣品土壤質(zhì)地類型識別時，先在分類標(biāo)準(zhǔn)區(qū)內(nèi)點(diǎn)擊“美國制”按鈕(GSTARS默認(rèn)為美國制)，然后在軟件界面數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)輸入土壤顆粒組成數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，右側(cè)列表自動顯示該樣品的土壤質(zhì)地類型名稱，同時將該樣品以藍(lán)色點(diǎn)定位在美國制土壤質(zhì)地三角圖中相應(yīng)的土壤質(zhì)地類型區(qū)；當(dāng)輸入新的數(shù)據(jù)后，右側(cè)列表更新結(jié)果并保留歷史計(jì)算結(jié)果及計(jì)算序號，同時三角圖上更新數(shù)據(jù)點(diǎn)并保留歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)及其序號，見圖4。

圖4 單個和多個土壤樣品土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)的分類結(jié)果Fig.4 Calculated results of GSTARS using the IGBP data

(2) 多個土壤樣品土壤質(zhì)地類型識別時，先導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件(*.xls、*.xlsx、*.csv或*.txt等格式)，再選擇分類標(biāo)準(zhǔn)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”，即可確定土壤質(zhì)地分類結(jié)果，同時將其結(jié)果顯示在美國制土壤質(zhì)地三角圖上(圖4中紅色的點(diǎn))；最后點(diǎn)擊保存按鈕，可將土壤質(zhì)地分類結(jié)果輸出到結(jié)果文件。

(3) 當(dāng)土壤顆粒組成數(shù)據(jù)為激光粒度儀分析數(shù)據(jù)時，先導(dǎo)入該數(shù)據(jù)文件(*.xls、*.xlsx、*.csv或*.txt等格式)，再選擇分類標(biāo)準(zhǔn)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，在右側(cè)即可預(yù)覽對應(yīng)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)下的土壤質(zhì)地分類結(jié)果以及砂粒、黏粒、粉粒含量，同時將其結(jié)果以藍(lán)綠色點(diǎn)在三角圖上批量顯示；最后點(diǎn)擊保存按鈕，可將土壤質(zhì)地分類結(jié)果(包含砂粒、黏粒、粉粒的含量)輸出到結(jié)果文件。

本文以IGBP-DIS數(shù)據(jù)庫中的土壤顆粒分析數(shù)據(jù)[22]為例，使用GSTARS對該數(shù)據(jù)庫中的土壤樣品按美國制進(jìn)行批量快速土壤質(zhì)地分類，將土壤樣品數(shù)據(jù)整理成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入系統(tǒng)并進(jìn)行計(jì)算，將其顯示在三角圖中(見圖4)。從GSTARS分類結(jié)果中隨機(jī)抽選10個土壤樣品與NRCS的在線計(jì)算工具STC的判別結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果顯示：GSTARS的分類結(jié)果與STC判別的計(jì)算結(jié)果一致，見表5。采用同樣的方式，按照國際制進(jìn)行土壤質(zhì)地分類對比，將前面選取的10個土壤樣品與人工查詢結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果顯示：GSTARS的國際制分類結(jié)果與人工查詢結(jié)果一致，見表5。

表5 GSTARS土壤質(zhì)地分類結(jié)果與STC和人工查詢分類結(jié)果的對比

由于中國制和卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)是直接利用各粒徑顆粒含量數(shù)值進(jìn)行分類，而不需要借助三角圖，其識別過程比較簡單，對比結(jié)果顯示：GSTARS可以很好地進(jìn)行中國制和卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類，并準(zhǔn)確地對批量土壤樣品進(jìn)行土壤質(zhì)地類型批量識別。

4 結(jié) 論

基于MATLAB GUI的土壤質(zhì)地類型自動識別系統(tǒng)(GSTARS)包括了國內(nèi)常用的美國制、國際制、卡慶斯基制和中國制4種土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，可以快速實(shí)現(xiàn)不同級制的土壤質(zhì)地類型識別，并可進(jìn)行不同分類制結(jié)果的比較。該系統(tǒng)功能齊全，界面簡潔，界面中包括了級制選擇、數(shù)據(jù)輸入/輸出、圖形顯示和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的顯示，全部操作在一個界面中完成，不需要切換窗口；能夠直接處理移液管法或比重計(jì)法、激光粒度儀法進(jìn)行顆粒分析所獲取的數(shù)據(jù)而不需先將其整理成砂粒、粉粒和黏粒含量；能夠進(jìn)行單個土壤樣品和多個土壤樣品的土壤質(zhì)地類型識別，數(shù)據(jù)量僅受數(shù)據(jù)文件格式限制(*.xls文件的數(shù)據(jù)限制為65 535組；*.xlsx文件的數(shù)據(jù)限制為1 048 575組)，便于大批量土壤樣品數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)基于MATLAB于2016年開發(fā)，運(yùn)行時需要MATLAB的相關(guān)環(huán)境，會受到MATLAB版本的影響，后續(xù)將嘗試開發(fā)脫離MATLAB環(huán)境的軟件。本程序可供國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)工作人員免費(fèi)使用，軟件安裝包和源代碼的獲取方式可聯(lián)系作者。