本发明涉及土壤功能研究领域，尤其涉及一种基于ct图像的土壤功能评估方法及装置。
背景技术：
1、土壤生产力是指土壤支撑绿色植物(特别是农作物生长的能力)。除了土壤肥力之外，土壤生产力还取决与土壤的诸多关键功能，如土壤有效养分容量、土壤养分转运能力、土壤的物理固碳能力及土壤养分传输效率等。因此，对上述土壤关键功能的评估是衡量土壤生产力的关键，在农业生产、土壤生态评价和土壤改良评估等方面具有重要的意义。由于目前尚缺乏土壤关键功能的评估方法，所以无法完成对土壤生产力的直接评估。因此，在目前的农业生产中，土壤生产力只能根据于农作物产量进行间接评估。然而间接评估法需要经历农作物的整个生长周期，不但耗时较长，且容易受到天气等外界条件的干扰，从而影响评估的准确性。
2、专利文献cn117372196a提供了一种中低产田健康诊断与改良技术及应用，该诊断过程如下：(1)选定耕地健康评价地块，获取耕地健康指标；(2)划分土壤功能；(3)计算指标隶属度；(4)计算土壤功能；(5)计算耕地健康指数；(6)识别中低产田健康状况；(7)制定中低产田改良技术方案。将对土壤健康响应敏感的微生物生物量、微生物呼吸、胞外酶活性、微生物群落结构等数据纳入到耕地健康评价体系中，结合耕地的气候、地形、水文、立地条件、污染情况等属性，选择合适的耕地健康评价方法全面准确地对多个土壤功能和耕地健康进行评价。该技术方案通过大量分析调研数据对土壤的性能进行评估，但是存在分析方案复杂的问题，即分析难度较大，成本较高，调查周期长。
3、专利文献cn115456338a公开了一种用于污染场地原位修复后土壤生态恢复评估方法，涉及污染场地生态评估技术领域，选用已经完成污染修复并通过验收的污染场地作为评估对象，在制定评估对象的采样点布设、采样深度和采样周期等步骤的基础上，以土壤理化指标、土壤功能性指标和土壤生物群落指标作为评估指标构建生态恢复评估指标分层体系，根据评估公式确定各分层指标权重值，通过各指标的复合权重对污染场地修复后土壤生态恢复水平做出等级量化评估。该方法通过给出各类指标对土壤的恢复情况进行评估，但是评估指标仅用于污染场地复原的评估。
4、针对上述情况，亟待建立一种能够快速评价土壤关键功能的方法，从而实现土壤生产力的快速评估。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种土壤功能评估方法及装置，该方法可解决土壤关键功能无法评估的重要难题，进而为农业生产中土壤生产力和土壤改良效果的评估提供快捷可靠的解决方案。
2、为了实现本发明的第一个发明目的，提供了一种基于ct图像的土壤功能评估方法，包括以下步骤：
3、获取原状土样本并进行ct扫描，以获得对应的土壤三维ct图像；
4、对土壤三维ct图像进行图像处理以提取土壤的孔隙信息，所述孔隙信息包括土壤三维ct图像中所有孔隙所占用的体素数量和位置信息；
5、统计土壤三维ct图像所有孔隙所占用的体素数量，并将统计结果与土壤三维ct图像的体素分辨率相乘，以获得土壤三维ct图像中土壤的总孔隙体积；
6、基于所有孔隙所占用的体素数量以计算对应孔隙的孔径分布，并选取孔径小于阈值的孔隙并计算对应的孔隙总体积，以所述孔隙总体积与所述总孔隙体积的比值作为第一土壤功能评估指标；
7、将土壤三维ct图像中的孔隙划分为空间中相互连通的连通孔隙与空间中独立互不连通的孤立孔隙；
8、统计所有孤立孔隙的体素数量以获得第一统计结果，基于第一统计结果与所述土壤三维ct图像的体素分辨率相乘，获得对应的孤立孔隙总体积，并以所述孤立孔隙总体积与所述总孔隙体积的比值作为第二土壤功能评估指标；
9、统计连通孔隙的体素数量以获得第二统计结果，基于第二统计结果与所述土壤三维ct图像的体素分辨率相乘，获得对应的连通孔隙总体积，并以所述连通孔隙总体积与所述总孔隙体积的比值作为第三土壤功能评估指标；
10、基于所有连通孔隙所占用的体素数量以计算对应连通孔隙的孔径分布，并选取符合预设孔径范围外的连通孔隙，以获得大于预设孔径范围所有连通孔隙的第一连通孔隙体积和小于预设孔径范围所有连通孔隙的第二连通孔隙体积，将所述第一连通孔隙体积与所述连通孔隙总体积的比值作为第四土壤功能评估指标，将所述第二连通孔隙体积与所述连通孔隙总体积的比值作为第五土壤功能评估指标；
11、基于第一土壤功能评估指标，第二土壤功能评估指标，第三土壤功能评估指标，第四土壤功能评估指标以及第五土壤功能评估指标，对所述原状土样本进行土壤功能评估。
12、本发明通过ct扫描的方式获取土壤孔隙特征，并基于获取的土壤孔隙特征对土壤的关键功能进行评估，进而为后续农业生产计划提供更全面的指导。
13、具体的，采用imagej软件对土壤三维ct图像进行图像处理，以获得对应土壤的孔隙信息。
14、具体的，在选取第一孔径大于阈值的孔隙并计算对应的孔隙总体积时，所采用的阈值为30μm。
15、具体的，当所有<30μm孔隙的孔隙总体积与总孔隙体积的比值>0.25时，对应的土壤有效养分容纳量高；当所有<30μm孔隙的孔隙总体积与总孔隙体积之和的比值在0.05～0.25之间时，对应的土壤有效养分容纳量适中；当所有<30μm孔隙的孔隙总体积与总孔隙体积之和的比值<0.05时，对应的土壤有效养分容纳量较低。
16、具体的，当土壤的孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值>0.35时，对应的土壤的物理固碳能力为高；当土壤的孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值在0.15～0.35之间时，对应的土壤的物理固碳能力为适中；当土壤的孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值<0.15时，对应的土壤物的物理固碳能力为低。
17、具体的，当连通孔隙总体积与总孔隙体积的比值>0.5时，对应的土壤的养分转运能力为高；当连通孔隙总体积与总孔隙体积的比值在0.25～0.5之间时，对应的土壤的养分转运能力为中；当连通孔隙总体积与总孔隙体积的比值<0.25时，对应的土壤养分转运能力为低。
18、具体的，在选取符合预设孔径范围外的连通孔隙时，所预设孔径范围为30μm～80μm。
19、具体的，当>80μm连通孔隙的体积和与全部连通孔隙体积比值>0.6时，对应土壤在饱和或优先流条件下养分传输效率为高；当>80μm连通孔隙的体积和与全部连通孔隙体积比值在0.3～0.6之间时，应土壤在饱和或优先流条件下养分传输效率为中；当>80μm连通孔隙的体积和与全部连通孔隙体积比值<0.3时,对应土壤在饱和或优先流条件下养分传输效率为低。
20、具体的，当<30μm连通孔隙的体积与全部连通孔隙体积比值>0.4时，对应土壤在毛管流条件下的养分传输效率为高；当<30μm连通孔隙的体积与全部连通孔隙体积比值在0.2～0.4之间时，对应土壤在毛管流条件下的养分传输效率为中；当<30μm连通孔隙的体积与全部连通孔隙体积比值在<0.2时，对应土壤在毛管流条件下的养分传输效率为低。
21、具体的，对所述原状土样本进行土壤功能评估的过程如下：
22、当孔径小于阈值的孔隙总体积与总孔隙体积的比值大于0.25时，则对应的第一土壤功能评估指标为2；
23、当孔径小于阈值的孔隙总体积与总孔隙体积的比值为0.05～0.25时，则对应的第一土壤功能评估指标为1；
24、当孔径小于阈值的孔隙总体积与总孔隙体积的比值小于0.05时，则对应的第一土壤功能评估指标为0；
25、当孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值大于0.35时，则对应的第二土壤功能评估指标为2；
26、当孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值为0.15～0.35时，则对应的第二土壤功能评估指标为1；
27、当孤立孔隙总体积与总孔隙体积的比值小于0.15时，则对应的第二土壤功能评估指标为0；
28、当通孔隙总体积与总孔隙体积的比值大于0.5时，则对应的第三土壤功能评估指标为2；
29、当通孔隙总体积与总孔隙体积的比值为0.25～0.5时，则对应的第三土壤功能评估指标为1；
30、当通孔隙总体积与总孔隙体积的比值小于0.25时，则对应的第三土壤功能评估指标为0；
31、当第一连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值大于0.6时，则对应的第四土壤功能评估指标为2；
32、当第一连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值为0.3～0.6时，则对应的第四土壤功能评估指标为1；
33、当第一连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值小于0.3时，则对应的第四土壤功能评估指标为0；
34、当第二连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值大于0.4时，则对应的第五土壤功能评估指标为2；
35、当第二连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值为0.2～0.4时，则对应的第五土壤功能评估指标为1；
36、当第二连通孔隙体积与连通孔隙总体积的比值小于0.2时，则对应的第五土壤功能评估指标为0；
37、即土壤功能评估结果＝(a*a+b*b+c*c+d*d+e*e)/0.1；
38、其中，a，b，c，d和e表述预设的权重参数，a表示第一土壤功能评估指标，b表示第二土壤功能评估指标，c表示第三土壤功能评估指标，d表示第四土壤功能评估指标，e表示第五土壤功能评估指标。
39、具体的，所述权重参数根据所评估的土壤种类或所重点关注的土壤功能进行设置。
40、具体的，在原状土样本进行ct扫描时需放入预制的塑料管中进行定型，所述塑料管的容积为0.8-1cm3。
41、具体的，所述ct扫描的分辨率采用5μm。
42、为了实现本发明的第二个发明目的，提供了一种土壤功能评估装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于ct图像的土壤功能评估方法的步骤。
43、与现有技术相比，本发明的有益效果：
44、通过对土壤高分辨率ct图像的解译，建立了快速评估土壤关键功能的方法，实现了对土壤养分有效容纳能力、土壤的物理固碳能力、土壤养分转运能力以及土壤养分传输效率进行快速评估。该方法能够在农业生产中土壤生产力的评估和土壤改良效果的评估中能够发挥重要的作用。
1.一种基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，采用imagej软件对土壤三维ct图像进行图像处理，以获得对应土壤的孔隙信息。
3.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，在选取第一孔径大于阈值的孔隙并计算对应的孔隙总体积时，所采用的阈值为30μm。
4.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，在选取符合预设孔径范围外的连通孔隙时，所预设孔径范围为30μm～80μm。
5.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，所述原状土样本的土壤功能包括土壤有效养分容纳能力，土壤物理固碳能力，土壤养分转运能力，土壤在饱和或优先流条件下的养分传输效率以及在毛管流条件下的养分传输效率。
6.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，对所述原状土样本进行土壤功能评估的过程如下：
7.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，在原状土样本进行ct扫描时需放入预制的塑料管中进行定型，所述塑料管的容积为0.8-1cm3。
8.根据权利要求1所述的基于ct图像的土壤功能评估方法，其特征在于，所述ct扫描的分辨率采用5μm。
9.一种土壤功能评估装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～8任一项所述的基于ct图像的土壤功能评估方法的步骤。
