基于MATLAB GUI的土壤質地類型自動識別系統

范瑞宇，金 玉，劉延鋒

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430078)

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

為了能夠自動確定土壤質地類型，國內外學者開展了土壤質地類型自動識別程序的研究，常用的方式主要有3種：①利用編程語言開發土壤質地類型自動識別程序；②通過編制Excel宏程序來識別土壤質地類型；③利用能夠繪制三角圖的圖形繪制軟件。目前土壤質地類型自動分類計算機程序主要有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種土壤質地分類標準；TRIANGLE程序(https://nowlin.psm.msu.edu/software/triangle_form.html)包括網絡版程序(the web version)、Windows控制臺應用程序(Windows console version)和Windows應用程序(full-blown Windows version)，能夠實現美國制、葡萄牙制和奧地利制的土壤質地分類[14-15]；STAC 程序是由中科院地理科學與資源研究所張麗萍等利用Visual Basic語言并基于多邊形內點判別算法開發的綠色軟件，主要依據美國制土壤質地三角圖進行土壤質地類型分類[15]；李建波等使用C#語言開發的土壤質地類型自動識別系統( STARS)主要基于坐標系進行分類，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地分類標準[17]。基于EXCEL宏的主要有美國農業部Natural Resources Conservation Service Soils(NRCS)的土壤質地計算器Soil Texture Calculator(STC)，可以在線計算或下載EXCEL文件進行美國制土壤質地分類(https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/de tail/soils/survey/?cid=nrcs142p2_054167)；郭彥彪等[3]利用Excel 邏輯函數功能實現了美國制土壤質地類型的自動查詢；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，亦被用于土壤質地三角圖的繪制。

目前我國學者在學術研究中約有20%使用了卡慶斯基制與中國制進行土壤質地分類，中國自然資源部、中國農業農村部等技術規范中也使用了這兩種分類制[12]。但現有土壤質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地分類標準。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，其結果包含不同粒徑顆粒所占的比例，首先需要根據土壤質地分類所對應的粒徑級別對數據進行預處理，才能進行土壤質地類型識別。對利用激光粒度儀分析數據文件進行自動預處理并進行土壤質地類型劃分，可以大幅度提高效率。為此，本文基于MATLAB GUI開發了土壤質地類型自動識別系統(Graphical Soil Texture Automatic Recognition System，GSTARS)，該系統功能齊全、界面友好，能夠同時識別大批量樣品、對比不同土壤質地分類制分類結果和自動處理激光粒度儀測試結果數據文件。

1 土壤質地分類標準

1. 1 美國制土壤質地分類標準

美國制土壤質地分類標準是美國農業部(U.S.Department of Agriculture)根據砂粒(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分別代表100%的砂粒、100%的粉粒和100%的黏粒，根據不同土壤質地類型的分類標準，可以在三角圖中繪制不同土壤質地類型的分布區，依據不同粒徑顆粒的百分含量與分類標準確定土壤質地類型，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所處的土壤質地類型區就是該土壤樣品的土壤質地類型，見圖1。在使用GSTARS識別土壤質地類型時，將土壤樣品顆粒組成(砂粒、粉粒和黏粒的含量)與分類標準中三種粒徑顆粒百分含量范圍進行對比，可獲得該土壤質地類型。

表1 美國制土壤質地分類標準

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

1. 2 國際制土壤質地分類標準

國際制土壤質地分類在第二屆國際土壤學會上通過，該分類標準根據砂粒(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種土壤質地類別，見表2。與美國制相似，國際制土壤質地分類標準亦采用三角圖表征，根據不同土壤質地類型的分類標準，可以在三角圖中繪制土壤質地類型分布區，依據三種粒徑顆粒的百分含量與分類標準進行對比來確定土壤質地類型，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所處的土壤質地類型區即為該土壤樣品的土壤質地類型，見圖2。

表2 國際制土壤質地分類標準

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

1. 3 卡慶斯基制土壤質地分類標準

卡慶斯基制土壤質地分類標準是1957年前蘇聯土壤物理學家卡慶斯基(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，參考土壤質地類型劃分，將土壤質地類型劃分為砂土、壤土和黏土三類，見表3。該分類制有基本分類和詳細分類兩種，前者有3組9種土壤質地類型，后者在前者的基礎上細分為39種土壤質地類型[10,12,20]。目前國內通常使用該卡慶斯基制土壤質地分類制，我國大多數土壤可以按照草原土及紅黃壤類的土壤質地分類標準進行分類。

表3 卡慶斯基制土壤質地分類標準

1. 4 中國制土壤質地分類標準

自1959年擬定我國南方土壤質地四級分類以來，經過多次補充修改，1987年《中國土壤》第2版公布了中國土壤質地分類制，分3組12種土壤質地類型，分類標準見表4[20-21]。該分類制粒徑級制是在卡慶斯基制的基礎上修訂而來的，將黏粒取為<0.002 mm，并將黏粒分為粗黏粒(0.002～0.001 mm)和細黏粒(<0.001 mm)。需要說明的是，該分類標準只列出了作為分類依據的顆粒組成的主要粒級：砂粉(0.05～1 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)和細黏粒(<0.001 mm)，而未列出中粉粒(0.005～0.01 mm)、細粉粒(0.002～0.005 mm)和粗黏粒(0.001～0.002 mm)，主要是因為它們在土壤中所表現的特性尚不足以影響到土壤質地等級的歸屬[23]。

表4 中國制土壤質地分類標準(1985年)

2 土壤質地類型自動識別系統設計

為了能夠批量自動實現土壤質地分類并便于不同分類制結果的對比，基于MATLAB GUI開發了土壤質地類型自動識別系統(GSTARS)。

2. 1 系統功能設計

開發的GSTARS能夠實現美國制、國際制、卡慶斯基制和中國制的土壤質地類型自動識別與圖形化顯示，既可通過數據錄入方式確定單個土壤樣品的土壤質地類型，又能以數據文件的形式實現批量土壤樣品質地類型識別，并以數據文件的形式輸出；對于基于土壤質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據文件：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含量的數據處理成砂粒、粉粒和黏粒的百分含量，將包含多個土壤樣品的數據文件通過提取、計算和重組的方式，轉換成系統所需的數據文件(文件按土壤樣品編號、各分類制劃分所需數據組織)；能夠導入和瀏覽數據文件；能夠讀取和輸出*.xls、*.xlsx、*.csv和*.txt等格式的數據文件。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 系統界面設計

圖形化操作界面對用戶友好，不需要掌握程序的內核。本研究遵循功能分區化、簡潔易懂和方便操作的方式進行土壤質地類型自動識別系統界面設計，采用MATLAB GUIDE工具實現程序的界面化，見圖3。其中，界面左側A1區為工具欄部分，用于導入數據文件、清空文本與正三角形畫布、保存批量計算文件、幫助介紹軟件使用、退出軟件，A2區為分類標準選擇部分，A3區為單樣品土壤質地計算部分，A4區為多樣品土壤質地批量計算部分；界面右側(B區)是美國制/國際制土壤質地分類三角圖或中國制/卡慶斯基制土壤質地分類標準表。

圖3 土壤質地類型自動識別軟件系統界面Fig.3 Graphical User Interface design of STRAS

2. 3 三角圖設計

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

三角圖采用的是三角坐標系，而繪圖框內為笛卡爾坐標系，因此需要對三角圖的坐標進行轉換，即將每個土壤樣品顆粒組成數據坐標(sand,silt,clay)轉換為繪圖框內的笛卡爾坐標系坐標(x,y)：

x=100-sand×100-clay×100×cos60°

(1)

y=clay×100×sin60°

(2)

依據轉換后的坐標，利用plot函數可以繪制樣品點在三角圖中的位置。

依據美國制和國際制不同土壤質地分類標準(見表1和表2)，確定各分類標準下土壤質地類型劃分界線端點的坐標(x,y)，使用plot命令繪制對應分類標準的土壤質地類型分界線，并使用text命令標明各分區巖性，從而形成美國制和國際制的土壤質地三角圖，見圖1和圖2。

3 實例應用與分析

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

(1) 單個土壤樣品土壤質地類型識別時，先在分類標準區內點擊“美國制”按鈕(GSTARS默認為美國制)，然后在軟件界面數據輸入區輸入土壤顆粒組成數據，點擊“計算”按鈕，右側列表自動顯示該樣品的土壤質地類型名稱，同時將該樣品以藍色點定位在美國制土壤質地三角圖中相應的土壤質地類型區；當輸入新的數據后，右側列表更新結果并保留歷史計算結果及計算序號，同時三角圖上更新數據點并保留歷史數據點及其序號，見圖4。

圖4 單個和多個土壤樣品土壤質地類型自動識別系統的分類結果Fig.4 Calculated results of GSTARS using the IGBP data

(2) 多個土壤樣品土壤質地類型識別時，先導入數據文件(*.xls、*.xlsx、*.csv或*.txt等格式)，再選擇分類標準后，點擊“計算”，即可確定土壤質地分類結果，同時將其結果顯示在美國制土壤質地三角圖上(圖4中紅色的點)；最后點擊保存按鈕，可將土壤質地分類結果輸出到結果文件。

(3) 當土壤顆粒組成數據為激光粒度儀分析數據時，先導入該數據文件(*.xls、*.xlsx、*.csv或*.txt等格式)，再選擇分類標準后，點擊“計算”按鈕，在右側即可預覽對應土壤質地分類標準下的土壤質地分類結果以及砂粒、黏粒、粉粒含量，同時將其結果以藍綠色點在三角圖上批量顯示；最后點擊保存按鈕，可將土壤質地分類結果(包含砂粒、黏粒、粉粒的含量)輸出到結果文件。

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

表5 GSTARS土壤質地分類結果與STC和人工查詢分類結果的對比

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

4 結 論

基于MATLAB GUI的土壤質地類型自動識別系統(GSTARS)包括了國內常用的美國制、國際制、卡慶斯基制和中國制4種土壤質地分類標準，可以快速實現不同級制的土壤質地類型識別，并可進行不同分類制結果的比較。該系統功能齊全，界面簡潔，界面中包括了級制選擇、數據輸入/輸出、圖形顯示和相關標準的顯示，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法、激光粒度儀法進行顆粒分析所獲取的數據而不需先將其整理成砂粒、粉粒和黏粒含量；能夠進行單個土壤樣品和多個土壤樣品的土壤質地類型識別，數據量僅受數據文件格式限制(*.xls文件的數據限制為65 535組；*.xlsx文件的數據限制為1 048 575組)，便于大批量土壤樣品數據分析。該系統基于MATLAB于2016年開發，運行時需要MATLAB的相關環境，會受到MATLAB版本的影響，后續將嘗試開發脫離MATLAB環境的軟件。本程序可供國內外學者和相關工作人員免費使用，軟件安裝包和源代碼的獲取方式可聯系作者。