آمار
| تعداد نشریات | 14 |
| تعداد شماره‌ها | 692 |
| تعداد مقالات | 7,158 |
| تعداد مشاهده مقاله | 11,761,001 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 10,478,298 |
مقایسه روش‌های مختلف آستانه‌گذاری در تحلیل کمی تصاویر توموگرافی پرتو ایکس به‌منظور ارزیابی اثرات تراکم خاک | ||
| مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک | ||
| مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 23 آبان 1405 | ||
| نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwsc.2026.24464.3846 | ||
| نویسندگان | ||
| مجتبی شیرازی1؛ عطااله خادم الرسول* 2؛ لارس مونکلوم3 | ||
| 1دانشجوی دکتری گروه خاکشناسی دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید چمران اهواز | ||
| 2گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز-ایران | ||
| 3استاد دپارتمان خاکشناسی دانشگاه آرهوس دانمارک | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: ساختار خاک، به ویژه شبکه سه‌بعدی منافذ آن، نقش اساسی در فرآیندهای هیدروفیزیکی، تبادل گاز، نفوذ آب، و رشد ریشه دارد و به طور مستقیم بر عملکرد پایدار زمین‌های کشاورزی تأثیر می‌گذارد. تراکم خاک ناشی از تردد ماشین‌آلات کشاورزی می‌تواند با تغییر اندازه، شکل و اتصال منافذ، عملکرد خاک را کاهش دهد و موجب کاهش نفوذپذیری، افزایش تراکم ظاهری و محدود شدن رشد ریشه‌ها شود. با وجود اهمیت این پدیده، روش‌های سنتی اندازه‌گیری تراکم و تخلخل به صورت فیزیکی قادر به شناسایی دقیق ویژگی‌های مورفولوژیکی و سه‌بعدی شبکه منافذ نیستند. تصویربرداری توموگرافی پرتو ایکس (X-ray CT) یک روش غیرمخرب است که امکان مشاهده و تحلیل کمی ساختار داخلی خاک در مقیاس میکرومتری را فراهم می‌کند، اما دقت استخراج شاخص‌های ساختاری به کیفیت تصاویر، پیش‌پردازش، و انتخاب روش مناسب آستانه‌گذاری وابسته است. هدف این مطالعه، مقایسه‌س روش‌های مختلف آستانه‌گذاری در پردازش و تحلیل تصاویر توموگرافی و در نهایت استخراج اطلاعات کمی در مورد ساختمان خاک تحت تاثیر تراکم ناشی از تردد ماشین‌آلات کشاورزی با استفاده از نرم‌افزار ImageJ/Fiji بود. مواد و روش‌ها: این مطالعه در یکی از مزارع نیشکر استان خوزستان با خاکی از بافت Clay Loam و وسعت حدود ۲۵ هکتار انجام شد. نمونه‌برداری در سن بازرویی سوم نیشکر (R3) و در دو مرحله قبل و بعد از برداشت انجام گرفت. سه وضعیت شامل قبل از تراکم (BH)، تراکم ناشی از تردد ماشین‌آلات با ۷۵ درصد ظرفیت حمل (AH-75%) و ۱۰۰ درصد ظرفیت حمل (AH-100%) بررسی شد. نمونه‌های خاک از عمق ۰ تا ۲۵ سانتی‌متر و از ۹ پروفیل در هر تیمار با استفاده از لوله‌ی پلی اتیلن سه اینچ جمع‌آوری و برای تصویربرداری آماده شدند. تصویربرداری سه‌بعدی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه X-ray Micro-CT انجام و تصاویر بازسازی‌شده با رزولوشن ۶۰ میکرومتر تهیه شدند. پردازش تصاویر با نرم‌افزار ImageJ/Fiji شامل انتخاب ناحیه مورد مطالعه (ROI)، تبدیل تصاویر ۱۶ بیتی به ۸ بیتی، پیش‌پردازش و حذف نویز بود. برای جداسازی منافذ از ماتریکس خاک، نه روش آستانه‌گذاری شامل Bernsen، Contrast، Mean، Median، MidGrey، Niblack، Otsu، Phansalkar و Sauvola اعمال شد. سپس شاخص‌های کمی منافذ شامل تعداد منافذ، میانگین اندازه منافذ و تخلخل قابل تفکیک استخراج گردید. انتخاب مناسب‌ترین روش آستانه‌گذاری بر اساس ترکیبی از شاخص‌های کمی، ارزیابی بصری، سازگاری ساختاری و تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) انجام شد تا روشی انتخاب شود که بیشترین تطابق را با ساختار واقعی منافذ خاک داشته باشد. یافته‌ها: برای ارزیابی اثر روش‌های مختلف آستانه‌گذاری بر تحلیل کمی تصاویر توموگرافی پرتو ایکس خاک، تصاویر سه تیمار تراکم خاک (BH، AH-75% و AH-100%) با استفاده از ۹ روش متداول آستانه‌گذاری بر کل حجم سه‌بعدی داده‌ها پردازش شدند. تمامی تحلیل‌ها بر مبنای ۱۰۰۰ برش متوالی برای هر نمونه انجام گرفت تا پایداری فضایی نتایج در مقیاس سه‌بعدی تضمین شود. نتایج نشان داد که عملکرد الگوریتم‌های آستانه‌گذاری در تفکیک فاز جامد و فضاهای خالی تفاوت‌های چشمگیری دارد و انتخاب روش نامناسب می‌تواند منجر به بیش‌برآورد یا کم‌برآورد ساختار متخلخل خاک شود. مقایسه شاخص‌های کمی شامل تعداد منافذ، میانگین اندازه منافذ و درصد تخلخل نشان داد که روش‌هایی نظیر Bernsen، Contrast، MidGrey و به‌ویژه Niblack با شناسایی تعداد بسیار زیادی منافذ ریز و افزایش تخلخل، ساختار متخلخل را بیش‌ازحد برآورد کرده‌اند که عمدتاً ناشی از تفسیر نویز و نوسانات محلی شدت خاکستری به‌عنوان منافذ واقعی است. در مقابل، روش‌هایی مانند Sauvola و Median با حذف گسترده منافذ ریز و ادغام مصنوعی منافذ، منجر به کم‌برآورد شدید ساختار متخلخل شدند. این رفتارهای متضاد بیانگر محدودیت الگوریتم‌ها در مواجهه با ناهمگنی شدت خاکستری در تصاویر CT خاک، به‌ویژه در شرایط خاک متراکم، است. در میان روش‌های بررسی‌شده، آستانه‌گذاری Phansalkar عملکردی متعادل و پایدار از خود نشان داد و توانست توازن مناسبی بین تفکیک منافذ واقعی، جلوگیری از تولید منافذ مصنوعی و حفظ مرزهای طبیعی فازها برقرار کند. مقادیر تخلخل و توزیع اندازه منافذ حاصل از این روش با محدوده‌های فیزیکی خاک‌های لوم رسی سازگار بود و پایداری نتایج آن در کل حجم سه‌بعدی تصاویر تأیید شد. تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCA) نیز که به‌عنوان ابزار توصیفی به کار رفت، این تعادل را تأیید کرد و نشان داد که Phansalkar در فضای چندمتغیره موقعیتی میانی و متوازن دارد. در مجموع، نتایج نشان می‌دهد که انتخاب روش آستانه‌گذاری باید بر پایه ارزیابی هم‌زمان چند شاخص ساختاری، پایداری فضایی و واقع‌گرایی فیزیکی انجام شود و بر این اساس، روش Phansalkar به‌عنوان مناسب‌ترین گزینه برای تحلیل کمی تصاویر CT خاک معرفی می‌شود. نتیجه‌گیری: در این مطالعه، اثر روش‌های مختلف آستانه‌گذاری بر تحلیل کمی تصاویر توموگرافی پرتو ایکس خاک ارزیابی شد. نتایج نشان داد که انتخاب الگوریتم آستانه‌گذاری نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت بخش‌بندی تصاویر و دقت استخراج شاخص‌های ساختاری دارد و می‌تواند منجر به بیش‌برآورد یا کم‌برآورد ساختار متخلخل خاک شود. مقایسه هم‌زمان شاخص‌هایی نظیر تعداد منافذ، میانگین اندازه منافذ و درصد تخلخل نشان داد که الگوریتم‌ها در مواجهه با ناهمگنی شدت خاکستری و نویز رفتاری متفاوت دارند؛ برخی روش‌ها نویز را به‌عنوان منافذ واقعی شناسایی کرده و برخی دیگر با حذف منافذ ریز، ساختار متخلخل را به‌طور محافظه‌کارانه برآورد می‌کنند. در میان روش‌های بررسی‌شده، الگوریتم Phansalkar عملکردی متعادل و پایدار از خود نشان داد و توانست تفکیک دقیق منافذ واقعی را با کاهش اثر نویز و حفظ مرزهای طبیعی فازها ترکیب کند. بر این اساس، این روش به‌عنوان مناسب‌ترین گزینه برای تحلیل کمی تصاویر میکرو-CT خاک معرفی می‌شود. این مطالعه تأکید می‌کند که انتخاب روش آستانه‌گذاری باید بر پایه ارزیابی هم‌زمان چند شاخص ساختاری و بررسی پایداری نتایج در کل حجم سه‌بعدی تصاویر انجام گیرد. در مجموع با توجه به اهمیت بسیار بالای ساختمان خاک بهره گیری از این تکنیک ها و روش ها به مدیریت بهینه خاک کمک شایانی می نماید. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| معماری منافذ خاک؛ آستانه‌گذاری محلی؛ تحلیل غیرمخرب؛ مورفولوژی منافذ خاک؛ پیوستگی منافذ خاک | ||
| مراجع | ||
|
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1 |
||
سامانه مدیریت نشریات علمی. طراحی و پیاده سازی از سیناوب