土壤结构三维可视化研究

段春晓，夏敏（南京农业大学 公共管理学院 ，南京0095）

土壤是作物生长发育的环境，是作物赖以生存的基础，但土壤结构对土壤功能的影响机制至今仍模糊不清，对土壤结构进行三维可视化，完整地获取土壤原状结构的定量信息，是从根本上认识土壤结构与功能间关系及有关过程内在机制的必要前提。

一、土壤结构三维可视化

土壤结构三维可视化就是指根据土壤的特点以及研究目的，将三维可视化技术有目的的运用在土壤结构研究上，也就是通过研究土壤结构的特点以及土壤质地的组成成分，更具需要建立相应的分析应用模型，通过图像制备技术获取土壤结构原状图像，然后运用计算机图形学和图像处理技术，将原状土壤实体以三维图形的方式在屏幕上展示出来，并得到土壤结构的定量化信息。

二、土壤结构三维可视化研究的重要性

农业可持续发展是我国现代农业发展的重要方向。在现代农业条件下，要想农业可持续发展，耕地是必不可少的。耕地的肥力状况又是影响作物生长的关键因素，农业要持续发展，获得稳定增长的生产力，首先必须保证耕地肥力的持久性，而土壤结构是耕地肥力的基础，土壤结构不同，土壤中的孔隙，差异就会显著，这就直接影响着土壤中水分、热量、空气、养分的运移和传递，从而在很大程度上反映土壤肥力的水平。因此，对于土壤结构的研究在农业生产实践中具有非常重要的意义。

目前对于土壤结构的研究还很少。主要有三个原因：一、对土壤结构对土壤功能的影响机制仍模糊不清，二、很难做到在不破坏土壤原状结构的前提下对土壤内部结构进行直接测量，三、缺少有效的方法来建立土壤结构的三维结构模型，从而导致对土壤结构的定量化描述受到限制。因此，在不破坏土壤原状结构的前提下对土壤内部结构进行测量并对土壤结构进行三维重建，完整地获取土壤原状结构的定量信息，实现土壤结构的三维可视化是从根本上认识土壤结构与功能间关系及有关过程内在机制的必要前提，也是土壤学工作者长期关注的热点和难点问题之一。

三、土壤结构三维可视化的新技术

随着科学技术的不断发展，新技术不断的被人们发明、接受和应用。CT（Computerized Tomography)扫描技术的引入，大大促进了土壤结构的研究。CT扫描技术是一种非侵入性的无损探测技术，可以在不破坏原状多孔物质的孔隙结构的情况下获得表征介质几何和拓扑特征的图像信息，而且省去了制备土壤切片等一系列繁琐复杂的程序。CT扫描技术同时也是一种无损的3D成像技术，是获取原状三维土壤结构的理想方法，能获得多孔介质微观孔隙结构的三维图像，因此可以对土壤孔隙的三维结构进行研究，从而实现了土壤孔隙结构的三维可视化。在众多能实现土壤结构三维可视化的方法中，唯有CT扫描技术能够简便、迅速、完整地、在不破坏土壤原状结构的前提下对土壤内部结构进行测量，从而实现土壤结构的三维可视化。因此，CT扫描技术在土壤结构三维可视化的研究中具有很大的应用前景。

总之，人们对三维信息的需求与日俱增，三维可视化技术的研究也越来越受到人们的重视，但是对于土壤结构方面的三维可视化研究目前还比较少。近20多年来，CT扫描等三维成像技术的不断发展使得高精度数字图像的快速获取成为可能，其在医学、工程技术等领域的成功应用和推广为我们获取完整的土壤结构原状图提供了可供借鉴的新 思 路。SketchUp、3ds MAX、Image J等三维重建软件的开发与使用也为土壤结构的三维可视化提供了可能。