Využití počítačové tomografie v pedologii

David Pivrnec

Bachelor's thesis

Application of X-ray computed tomography to soil science

Abstract:

V současné době jsou stále častěji využívány nedestruktivní metody analýzy různých typů přírodních i nepřírodních materiálů včetně půdy. Jednou z takovýchto metod je průmyslová rentgenová počítačová tomografie (CT). Bakalářská práce se v literární rešerši zaměřila na měření různých typů materiálů pomocí této metody, včetně příkladů jejího použití v pedologii a půdní fyzice (charakterizace pevné půdní fáze, zjišťování fyzikálních a hydrologických vlastností půdy a zkoumání půdní bioty, včetně kořenového systému rostlin) a jaké půdní charakteristiky dokáže určit. Dále zjišťovala, jestli je tato metoda perspektivní do budoucnosti. Zajímalo nás také jestli je tato metoda srovnatelná s ostatními metodami využívanými v pedologii a jaké existují v současné době možné softwarové nástroje pro analýzu tomografických půdních vzorků. Práce se skládá z rešerše a experimentu, který se zaměřil na analýzu snímků pořízených na tomografu. Vzorky půd pochází z různých odběrů, které byly součástí našeho experimentu a jsou k této práci vhodné (různé systémy hospodaření, rozdílný pokryv). K dispozici byly půdní vzorky, jejichž půdní struktura se měnila v závislosti na pěti typech pokryvu půdy (sečená tráva, nesečená tráva, holá půda, kůrový mulč a betonové dláždění). Tyto snímky jsme nejdříve zpracovali a zanalyzovali pomocí pluginu SoilJ pro software ImageJ a pak se pomocí klasické laboratorní metody stanovila pórovitost půdních vzorků. Výsledky pórovitosti jsme porovnali a určili rozdíl v pórovitosti obou metod. Metoda využívající rentgenové počítačové metody, ve srovnání se standardní metodou laboratorního určení pórovitosti, zachytila přibližně polovinu z celkové pórovitosti, kterou určila klasická metoda. To bylo dáno tím, že tomograf nedokázal zachytit mikropóry, které byli pod jeho rozlišovací schopnost. Z pokusu vyšlo, že nejlepší vliv na půdní strukturu měl travní pokryv, především nekosená tráva. Nejvíce utužená půda byla pod kůrovým mulčem, vlivem vyplavování živin.

Abstract:

Nowadays, non-destructive methods are increasingly used to analyse various natural and non-natural materials, including soil. One such method is industrial X-ray computed tomography (CT). This bachelor thesis in literature research focused on the measurement of different types of materials using this method, including examples of its application in pedology and soil physics (characterisation of the solid phase of soil, determination of physical and hydrological properties of soil, and investigation of soil biota, including plant root systems) and what soil properties it can determine. We also looked at whether this method was promising for the future. We were also interested in whether this method is comparable to other methods used in pedology and what software tools are currently available for the analysis of tomographic soil samples. The thesis consists of research and an experiment focused on the analysis of images taken by a tomograph. The soil samples come from different sampling carried out in our experiment and are suitable for this work (different farming systems, different land cover). The soil texture of the available soil samples varied according to five land cover types (mown grass, unmown grass, bare soil, bark mulch and concrete pavement). These images were first processed and analysed using the SoilJ plug-in for ImageJ software and the porosity of the soil samples was determined using a conventional laboratory method. We compared the results and determined the difference in porosity between the two methods. The X-ray computed tomography method captured about half of the total porosity determined by the conventional laboratory method. This was because the tomograph failed to detect micropores below its resolution. The experiment showed that grass cover, especially uncut grass, had the greatest effect on soil structure. The most compacted soil was under the bark mulch, due to nutrient leaching.

Keywords

počítačová tomografie, analýza obrazu, pórovitost, distribuce kořenů, půda

Keywords

soil, computed tomography, image analysis, porosity, root distribution

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Aleš Klement, Ph.D.
• Reader: Miroslav Fér, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme:
Landscape Conservation and Use of Natural Resources