基于紫外本征矢量场图像解析的全局性胶体迁移监测方法

本发明涉及多孔介质中胶体迁移监测，特别涉及基于紫外本征矢量场图像解析的全局性胶体迁移监测方法。

背景技术：

1、胶体是100-102纳米尺度的颗粒物质。在多孔介质中，胶体是可溶和不可溶解污染物迁移的重要载体，溶解或者不溶解的污染物吸附在胶体中，随着胶体发生运动。由于胶体的尺度大比表面特性和非饱和土壤孔隙中水流特性（胶体通常在土壤孔隙中间的高速区域运动），是了解非饱和土壤中溶解和非溶解性物质的迁移特性的重要指标。

2、目前，通常将纳米级二氧化钛（tio2），纳米级四氧化三铁（fe3o4）等材料作为胶体的示踪剂。以水凝胶的形式监测胶体的迁移，为了测定发生胶体迁移的区间，通常采用的方法包括：

3、（1）对大孔隙通道中的胶体聚集体进行监测，这些胶体聚集体能够被肉眼所直接监测，采用常规照相测量和土壤解析的方法即可测定；然而，对于纳米级的非聚集胶体，则无法直接测量。

4、（2）依据胶体的性能，例如基于fe3o4所具有磁力特性采用磁力场进行测定，基于tio2的电子转移特性、颜色变化特性等，实现对胶体迁移路径的示踪。

5、然而，无论是纳米级tio2还是fe3o4模拟胶体，在低浓度条件下的示踪结果的可靠性，都是不可知的。更为重要的是，胶体在迁移过程中，浓度也在不断发生变化。对于示踪胶体迁移过程中胶体浓度发生的变化，缺少必要的监测理论和监测方法。

技术实现思路

1、针对土壤中胶体迁移路径测定缺少可靠性方法，以及胶体浓度缺少测量机理和测量方法的问题，本发明提供了一种基于紫外本征矢量场图像解析的全局性胶体迁移监测方法，对胶体的迁移路径和胶体浓度实现了同步测定，能直接揭示污染物在非饱和土壤中的输运规律，对重金属、病原体、有机污染物等与胶体协同迁移的环境行为具有重要解释力，能够提高污染风险评估的准确性，为修复工程（如原位反应屏障、纳米材料注入修复）提供关键监测技术支持。具体通过以下技术实现。

2、本发明提供了一种基于紫外本征矢量场图像解析的全局性胶体迁移监测方法，包括以下步骤：

3、制备粒径均匀的纳米胶体溶液，在原位土壤中监测所述纳米胶体的迁移过程；

4、在纳米胶体的迁移区域开挖工作区形成土壤剖面，利用紫外偏振光照射所述土壤剖面，条件下获得对应的土壤剖面图像；

5、采用本征矢量场分解法，构建各个所述像素点的反射光强度和入射光强度的比值随所述偏振方位角变化的转移速率矩阵；设置转移速率阈值，识别存在纳米胶体迁移的像素点；

6、设置不同的胶体设定浓度；在不同的胶体设定浓度条件下，建立不同所述偏振方位角的图像差异矩阵之间的关联向量；根据率定所得的所述关联向量，解析所述土壤剖面图像中存在所述纳米胶体迁移的像素点的胶体浓度；

7、继续开挖工作区形成新土壤剖面，测量所述新土壤剖面的胶体迁移通道和胶体浓度，直至完成所有工作区内全部剖面的测量。

8、进一步地，所述纳米胶体溶液为纳米氢氧化锶胶体溶液。氢氧化锶的纳米胶体溶液稳定性较好，纯度高；现场条件下，用edta滴定，容易验证。因此，可以选用氢氧化锶的纳米胶体溶液监测土壤中胶体迁移过程。

9、更进一步地，所述纳米氢氧化锶胶体溶液的制备方法为：将乙酸锶与氢氧化钠溶液按预定摩尔比例进行反应，加入胶体稳定剂；反应结束后保温，制得粒径均匀的纳米氢氧化锶胶体溶液。

10、更进一步地，乙酸锶、氢氧化钠溶液中的naoh、胶体稳定剂的摩尔比为1:2.5:5。

11、更进一步地，所述胶体稳定剂为聚乙二醇和/或羧基聚乙二醇硬脂酸。

12、进一步地，利用入射光发射-反射光接收装置拍摄获得在不同偏振方位角条件下对应的所述土壤剖面图像；

13、所述入射光发射-反射光接收装置按照入射光的光路方向依次包括光源、单色仪和旋转格兰-汤普森偏光器，按照反射光的光路方向依次包括旋转补偿器、偏振态分析仪和相机模组。

14、入射光按顺序通过单色仪和旋转格兰-汤普森偏光器，照射在土壤剖面后发生反射。反射光通过旋转补偿器和偏振态分析仪。由低噪点的相机模组（例如ccd相机）采集不同偏振方位角变化下的光强图像。

15、更进一步地，所述光源为功率100-150 j/s（例如100 j/s）的短弧汞灯。

16、旋转格兰-汤普森偏光器可以产生各向异性的紫外偏振光。可选地，在拍摄过程中，设置旋转格兰-汤普森偏光器的偏振方位角αp在56°-120°进行旋转扫描，扫描速率为1°/步，所述旋转补偿器的方位角αc设置为3αp。

17、可选地，每张所述土壤剖面图像中的像素点不低于1 pixel/cm。

18、本发明中，设定在空气环境中完成胶体运动后的土壤剖面的各像素点包括了土壤基质信息和水膜信息，还包括土壤结构信息、胶体信息中的至少一个信息。

19、（1）土壤基质信息，具备土壤基质光学特性；

20、（2）胶体信息，具备土壤孔隙区域中胶体的光学特性；

21、（3）水膜信息，与土壤性质和水的表面张力有关，取决于土壤孔隙的大小和含水率，具备土壤水的光学特性，反映土壤含水率差异对光学特性的影响；

22、（4）土壤结构信息，反映土壤材质、结构，包括根系、大孔隙通道和结构性孔隙等光学特性。

23、进一步地，所述土壤剖面图像的光学特性以倾斜角θ、线性极化方向的方位角φ、去极化参数qz、土壤表面粗糙度txy、消光系数fsi和复折射率fab共6个紫外本征偏振参数进行表征。

24、倾斜角θ是入射光与土壤剖面法线之间的夹角；线性极化方向的方位角φ是入射光偏振方向的初始角度；去极化参数qz为土壤剖面使入射偏振光退偏振的程度。这三个参数均由实验设置条件确定。

25、土壤表面粗糙度txy表征土壤剖面的微观不平整度，影响反射光的偏振特性，通过空白实验率定。消光系数fsi和复折射率fab分别为光在土壤基质、水、胶体等介质混合中传播时被吸收和散射的程度，和反映速度变化和能量损耗的参数，由测试装置ccd测量图像解析获得。

26、上述这6个紫外本征偏振参数分为三类参数：

27、（1）光学特性用测量系统参数，由测试条件确定；包括倾斜角θ、线性极化方向的方位角φ、去极化参数qz；

28、（2）土壤参数，仅与土壤性质有关；包括土壤表面粗糙度txy；

29、（3）混合介质层光学参数，与土壤所包含的信息（土壤基质信息、土壤结构信息、水膜信息和胶体信息）有关；包括消光系数fsi和复折射率fab。

30、通过对土壤剖面图像中的所有像素点进行最佳匹配，确定混合介质条件下各像素的信息。再根据上述三类参数的解析，确定土壤剖面图像中存在纳米胶体迁移的像素点的位置，即纳米胶体分布。

31、更进一步地，采用本征矢量场分解法，构建各个所述像素点的反射光强度和入射光强度的比值随所述偏振方位角变化的转移速率矩阵；设置转移速率阈值，识别存在纳米胶体迁移的像素点的方法为：

32、设定所述土壤剖面图像中每个所述像素点存在土壤基质信息和水膜信息，以及土壤结构信息和/或胶体信息；

33、以6个所述紫外本征偏振参数建立各所述像素点的反射光强度和入射光强度的比值t的函数关系如下式ⅰ所示；

34、，式ⅰ；

35、其中，δ为delta函数，紫外偏振光的反射光在反射锥内时为1，不在反射锥内时为0；

36、对于所述土壤剖面图像在x方向和y方向的k×m个所述像素点，各所述像素点的反射光强度和入射光强度的比值tkm的矩阵t(hφ)为如下式ⅱ所示的k×m阶矩阵；

37、，式ⅱ；

38、其中，k和m为所述土壤剖面图像中各像素点的位置坐标，k=1,2,3,...,k，m=1,2,3,...,m；hφ为所述偏振方位角；

39、所述土壤剖面图像中各所述像素点t值的转移速率矩阵rφ（表示土壤剖面各像素点在偏振角变化情况下的反射光强度和入射光强度比t值的变化速率）如下式ⅲ所示；

40、，式ⅲ；

41、其中，rkm,φ是(k,m)位置的所述像素点在不同所述偏振方位角变化下的t值的转移速率。

42、rkm,φ如下式ⅳ所示；

43、，式ⅳ；

44、设置转移速率阈值，如果rkm,φ超过所述转移速率阈值，则对应的所述像素点为存在纳米胶体迁移的像素点。

45、土壤剖面中，对于没有胶体的像素点，其转化速率介质信息单一而相对稳定。对于有胶体的像素点，由于胶体浓度差异，转移速率表现出高度的不稳定性，通过设定转移速率阈值可以确定包含胶体的像素点位。

46、进一步地，设置不同的胶体设定浓度；在不同的胶体设定浓度条件下，建立不同所述偏振方位角的图像差异矩阵之间的关联向量；根据率定所得的所述关联向量，解析所述土壤剖面图像中存在所述纳米胶体迁移的像素点的胶体浓度的方法为：

47、在同一土壤条件下，设定不同胶体浓度appρ，测定各个所述像素点的偏振方位角从x1变化到xn的反射光强度和入射光强度的比值t的变化量，i=1,…,n，j=1,…,n，形成对应的如下式ⅴ所示的图像差异矩阵，并将所述图像差异矩阵与所述胶体设定浓度appρ通过式ⅵ和ⅶ实现关联；

48、，式ⅴ；

49、，式ⅵ；

50、，式ⅶ；

51、其中，n为偏振方位角的数量，w为不同所述偏振方位角的图像差异矩阵之间的关联向量。

52、基于率定所得的所述关联向量w，以及各个所述像素点的所述偏振方位角从x1变化到xn的所述图像差异矩阵，解析确定存在所述纳米胶体迁移的像素点的胶体浓度。

53、进一步地，所述胶体设定浓度appρ为胶体的土壤质量浓度（即胶体质量/单位体积干土质量）或者胶体的土壤溶液浓度（即单位胶体质量/单位土壤溶液体积）。

54、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

55、1、本发明所提供的基于紫外偏振图像解析的全局性胶体迁移监测方法，不同于目前测量方法，发展了非饱和条件下胶体浓度的测量机理及其对应的测量方法，填补了测量技术的空白。

56、由于测量机理机制完备，保障了对胶体迁移测量结果的精度和可靠性，解决了传统方法测量不可靠性问题（基于一般光学的测量方法仅对于胶体团聚体有较好的测量精度）。

57、2、本方法实现了多孔介质条件下对胶体迁移路径和胶体浓度变化的同步测量。测试结果表明，胶体迁移路径和浓度的测试结果可靠。