COSTA, L. da F.

CRUVINEL, O. E.

MACEDO, A.

PEREIRA, M. F. L.

SAITO, J. H.

RCAAP - Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal

Uma ferramenta para análise de parâmetros físicos de solos baseada em com tomografia de raios X.

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Anais do 6° Congresso Brasileiro de Agroinformática - SBIAgro 2007, São Pedro, Brasil, 8-11 outubro 2007,Embrapa Informática Agropecuária, p.111-115.UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE PARÂMETROS FÍSICOS DE SOLOSBASEADA EM COM TOMOGRAFIA DE RAIOS XMAURÍCIO FERNANDO LIMA PEREIRA!PAULO ESTEVÃO CRUVINEULUCIANO DA FONTOURA COSTA3JOSÉ HIROKI SAIT04ÁLVARO MACED05RESUMO: Este trabalho apresenta uma ferramenta para análise de densidade e porosidade deamostras de solo, com base em tomografia de raios X. O sistema utiliza algoritrnos paralelosde reconstrução 2D e 3D para acelerar o processo de geração de imagens e objetos tridimensi-onais. A ferramenta permite ao usuário, através de um ambiente desenvolvido com uso da bi-blioteca Visualization Too/kit(VTK.), a visualização de cortes sagitais, coronais e transversaisdas amostras tridimensionais de solo, bem como recursos para a extração de medidas de den-sidade do objeto. Neste trabalho apresentam-se os resultados obtidos no estudo de amostrastomográficas de solo que foram obtidas com o tomógrafo de resolução micrométrica da Em-brapa Instrumentação Agropecuária Destas amostras, extraíram-se medidas de porosidade edensidade que demonstraram o potencial da ferramenta na análise das características do solo.PALAVRAS-CHAVE: Porosidade, Densidade, Tomografia de Raios X, Visualização tridi-mensional, Processamento Paralelo.A TOOL FOR SOIL PHYSICS PARAMETERS ANALYSIS BASED ON X-RAYTOMOGRAPHYABSTRACT: This work presents a tool for density and porosity analysis of soil samplesbased on X ray tomography's essay. The system uses parallel algorithms for 2D and 3Dreconstruction in order to speed up the generation of images and objects. The tool allows theuser, through an environment developed by using the library VTK, the visual inspection ofsagital, coronal and transversal cuts in three-dimensional reconstructed soil samples. It alsopermits the extraction of measurements of density of the objects. In this work, results havebeen obtained related to the study of tomographic soil samples that have been scanned withthe micrometric resolution scanner from the Embrapa Agricultural Instrumentation.Measurements of porosity were obtained, and the respective density demonstrated thepotential of this tool for analysis of geometrical features of soil images.KEY-WORDS: Porosity, Density, X-Ray Tomography, Tridimensional visualization,Parallel Processing.1. INTRODUÇÃOAvaliando a evolução que vem ocorrendo na área física de solos, percebe-se o crescente inte-resse da comunidade científica para o desenvolvimento e aplicação de técnicas não invasivaspara o estudo de características do solo. Dentre as técnicas utilizadas, destaca-se a tomografiacomputadorizada de raios X, que se sobressai em relação às demais técnicas aplicadas na físi-ca de solos devido à sua precisão na extração de atributos físicos, como densidade e umidade,e pela característica de possibilitar o exame de amostras de solo de forma não destrutiva (TEI-XEIRA eta/. 2005) (AYLMORE; HAINSWORTH, 1983) (CRESTANA, 1985). Outra vanta-1 Doutor em Física Aplicada, IFSC-USP, E-mail: mauricioflp@if.sc.usp.br2 Doutor em Engenharia Elétrica, Embrapa Instrumentação Agropecuária, E-mail: cruvinel@cnpdia.embrapa.br3 Doutor em Engenharia Elétrica, IFSC-USP, E-mail: lucianoéàif.sc.usp.br4 Doutor em Engenharia Elétrica, OC-UFSCar, E-mail: saito@dc.ufscar.br5 Doutor em Engenharia Ambiental, Embrapa Instrumentação Agropecuária, E-mail: alvaro@Cnpdia.embrapa.br111Anais do 6° Congresso Brasileiro de Agroinformática - SBIAgro 2007, São Pedro, Brasil, 8-11 outubro 2007,Ernbrapa Informática Agropecuária, p.111-115.gem oferecida pela tomografia computadorizada, em relação às demais, é a possibilidade defazer-se uso, após a reconstrução, das ferramentas do processamento de imagens para auxiliara investigação dos fenômenos físicos que ocorrem no solo, tais como movimentação de água esoluto, formação de estruturas de poros e texturas e a distribuição de raízes. Para avaliar as ca-racterísticas do solo, um conjunto de tomógrafos dedicados para aplicação em física de solosfoi desenvolvido nos últimos 20 anos pela Embrapa Instrumentação Agropecuária, em parce-ria com a Unicamp e a USP. Dentre os equipamentos desenvolvidos, destacam-se o minitomó-grafo de raios X e y (CRUVINEL et a/. 1990), o minitomógrafo de campo (NAIME et ai,1997), o tomógrafo de resolução micrométrica (MACEDO et ai, 2002), o tomógrafo de varre-dura em leque (NAIME, 2001) e mais recentemente, um tomógrafo que explora o efeito do es-palhamento Compton e que permite a extração de medidas com menor degradação do ambien-te de estudo (CRUVINEL; BALOGUN, 2006). Adicionalmente, melhorias têm realizadascomo aprimoramento na interface de visualização dos objetos reconstruí dos, acompanhando odesenvolvimento das áreas de computação gráfica (PEREIRA et ai, 2006) (ALVES et ai,2006). Para análise tomográfica em solos, a amostragem pode ser conduzida de duas maneirasdistintas. A primeira, que trata da análise laboratorial, é feito com base na coleta das amostrasno campo, com uso de cilindros metálicos próprios, os quais são posteriormente envolvidosem parafina, para evitar a perda de umidade, a priori de seu encaminhamento para análise. Asegunda, que trata de análise direta no campo com o uso de tomógrafos portáteis, é feita atra-vés da abertura de trincheiras em tomo do local de análise. Quanto à profundidade possívelpara análise, a mesma tem sido limitada aos horizontes A e B dos solos, uma vez que são es-ses os horizontes de interesse para as práticas agrícolas. Neste trabalho apresenta-se um siste-ma para extração de medidas e visualização de imagens tomográficas que se baseia na biblio-teca VTK (VTK, 2006).2. OBJETIVOSA medida e caracterização dos parâmetros físicos do solo tem sido objeto de estudo, visto queadicionalmente à sua gênese, necessita-se conhecer a sua textura, densidade e teor de umidadepara as recomendações no processo de plantio. Este trabalho apresenta uma ferramenta paraanálise da porosidade e teor de umidade de amostras de solos ensaiadas com tomografia deraios X.3. MATERIAIS E MÉTODOSNa agricultura moderna o tráfego de máquinas com peso excessivo por eixo e que trafegamquando o solo está muito úmido contribui para a compactação do solo. Esta compactaçãopromove uma alteração estrutural e reorganização das partículas do solo, causandodecréscimo da disponibilidade de água e nutrientes e da difusão de gases no solo. Tambémneste caso, ocorre o aumento da densidade e o decréscimo do volume de poros de maiordiâmetro. Os poros grandes têm papel importante na penetração de raízes, gases e água novolume do solo. Na planta, a compactação do solo reduz o crescimento radicular porimpedimento mecânico, aeração deficiente e menor taxa de absorção de água e nutrientes,causando decréscimos significativos de produtividade (BEUILER et ai, 2006). A tomografiautiliza um feixe colimado de radiação e, através de vários feixes colimados paralelos, pode-sedefinir um plano. De cada reta de propagação dos feixes que partem da fonte para o detector,obtêm-se valores que formam uma projeção. Os dados necessários para a reconstrução são narealidade um conjunto de integrais de linha ao longo dos raios que atravessam o objeto sobanálise. As varreduras devem ser realizadas para n valores de e dentro do intervaloO ~ 8 < 1 8 O • Com isso, o que se obtém após a varredura completa é a transformada de Radon112Anais do 6° Congresso Brasileiro de Agroinformática - SBIAgro 2007, São Pedro, Brasil, 8-11 outubro 2007,Embrapa Informática Agropecuária, p.111-115.do objeto. Um dos principais algoritmos de reconstrução é o algoritmo da retroprojeçãofiltrada, o qual é um dos mais utilizados em aplicações que usam fontes não difrativas. Oalgoritmo utiliza as projeções Po , obtidas pelo conjunto fonte-detector em K ângulos e, asquais são filtradas para redução de artefatos. Esta filtragem é realizada em freqüência, atravésda implementação da Eq. (1).Q9 (nr) = r x IFFr{FFr[Pg (nr )lx FFr[h(nr)]} (1)onde FFT e IFFT representam as Transformadas Rápidas de Fourier e sua inversa,respectivamente, e a função h(m) , conhecida como Ram-Lak, é responsável por remover asfreqüências indesejadas do sinal das projeções. Após a filtragem das projeções, cada pixel daimagem reconstruí da será estimado através da aplicação da Eq. 2, a qual constitui o processode retroprojeção~ Te Kf(x,y) = -Lª', (xcos8 i + ysen8 JK i=1(2)Algumas das idéias que fundamentam o algoritrno de retroprojeção filtrada podem ser melhorestudadas em (KAK.; SLANEY; 1999) tornando mais clara a forma como o algoritmo atua nareconstrução tomográfica do objeto. Para reconstrução 3D utiliza-se um modelo, o qualenvolve filtragem não linear a priori de Wiener, reconstrução 2D paralela com retroprojeçãofiltrada, empilhamento de planos reconstruí dos e interpolação de planos virtuais, tal qualilustra a Figura 1. com base em um algoritmo paralelo de B-Spline-Wavelet.zPlanos reaisN-2f(jJ) = L ajB(NjJ - i);=-2Pontosinterpoladost(2t X)3t(4- 6x2 - 2x3)B(x) = }(4-6x2t2x3)t(2- X)3O-2<x~-1-l<x~OÜ< x s 11< x c 22~ I~Figura 1 - Dustração do empilhamento de pianos reais e interpolação de panos virtuais através do uso deB-Spline-Wavelets. As funções f(Jt) e B(x) são utilizadas no cálculo dos pontos interpolados.Na figura 1 apresentam-se as funções }(J.l) e de Blending B(x), as quais são responsáveis pelocálculo dos pontos interpolados baseando-se nos pontos reais, representados por ai.Finalmente, o modelo de reconstrução 3D também inclui a visualização baseada em uso deVTK.4. RESULTADOS E DISCUSSÃOPara avaliar o potencial da ferramenta desenvolvida na contagem de poros e na analise dedensidade, realizaram-se estudos em amostras de solo, com base nos seguintes parâmetrostomo ráficos:Passo linearO,083mmAssim, a partir das imagens reconstruí das, a exemplo da mostrada na figura 2(a), aplicou-se oalgoritmo de detecção e contagem de poros na imagem reconstruí da, a qual tem os elementosreconhecidos em círculos amarelos na imagem apresentada na figura 2(b). Dado que, deantemão, os parâmetros de aquisição das projeções são conhecidos, pode-se determinar amedida em milímetros do pixel na imagem reconstruí da e consequentemente é possívelestabelecer-se os diâmetros dos poros reconhecidos. A partir dos resultados obtidos, gerou-se113Anais do 60 Congresso Brasileiro de Agroinformática - SBIAgro 2007, São Pedro, Brasil, 8-11 outubro 2007,Embrapa Informática Agropecuária, p.111-115.um histograma da distribuição dos poros detectados em função de seus diâmetros, conforme éapresentado na Figura 2(c).80••• ..-70'0O,3S2 0,86' 0,998 1,328 1.880 1.992 2,32" 2.858 2,988 3.320 3,552 3.98' 4,316Diiimetro. (mm)W 00 WFigura 2 - Detecção e contagem de poros de uma imagem reconstruída de torrão de solo (a)ImagemOriginal; (b)Imagem com poros detectados; (c)Distribuição de diâmetros de poros.Utilizando-se a biblioteca VTK, desenvolveu-se na ferramenta, um ambiente interativo onde ousuário tem a possibilidade de realizar rotações e translações no objeto reconstruído, analisarfaixas de coeficientes de atenuação de seu interesse, bem como, visualizar planos sagitais,coronais e transversais. Os cortes podem ser gravados de forma que o usuário podeestabelecer medidas de porosidade em todos os planos interpolados. Na ferramenta, a largurae a profundidade dos voxels no objeto reconstruí do estão relacionadas aos parâmetros davarredura tomográfica, A altura do voxel é determinada pela razão entre a distância entre osplanos reais e a quantidade de planos virtuais inseridos. Na Figura 3, apresenta-se um cortesagital de uma das amostras de solo, onde é possível observar um cursor realizando a extraçãode uma medida do coeficiente de atenuação em um determinado voxel, o qual segundocalibração pré-estabelecida viabiliza a obtenção do valor de densidade da amostra, ou daumidade da amostra, caso o ensaio tomográfico seja feito em dupla energia. No exemploapresentado na Figura 3 o valor em pseudo-cor equivale a um coeficiente de atenuação, o queé obtido a partir da calibração do método a partir de phantoms pré-estabelecidos.EM':r-~~A9~'"m •••• rtD~CIpb\II•..•.."'"-~;-g í~r---g e.,--".~--.. ...•..•...Figura 3 - Janelas da ferramenta de visualização tridimensional de uma análise de coeficientes deatenuação da amostra de solo em corte pré-selecionado, com fJ(35,89,1l8)=O,492 em-I,5. CONCLUSÕESFoi apresentada uma ferramenta que viabiliza a extração de informações de parâmetros fisicosde amostras de solo ensaiadas por tomografia de raios X. Sua aplicação contribui para o esta-belecimento de um método de análise de solo em ambiente computacional que apresenta inte-ratividade, acuracidade para medida de poros e capacidade para a medida de densidade de so-los em cortes sagital, coronal e transversal.114Anais do 6° Congresso Brasileiro de Agroinformática - SBIAgro 2007, São Pedro, Brasil, 8-11 outubro 2007,Embrapa Informática Agropecuária, p.111-115.6. AGRADECIMENTOSOs autores gostariam de agradecer ao CNPq (processos N' 300.704/82-8, N' 14l.369/2002-7e N' 301303/06-1), àFAPESP (N' 05/00587-5) e à Embrapa pelo apoio financeiro ao projeto.7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASALVES, G. M.; GOMES, H. A.; CRUVINEL, P. E. Método baseado no uso da transformada deHough para contagem automatizada de unidades formadoras de colônias. In: 1X Encontro deModelagem Computacional. Belo Horizonte: Anais do IX Encontro de Modelagem Computacional,2006. p. 1-9.AYLMORE, L.; HAINSWORTH, 1. M. 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Um método para paralelização de algoritmosde reconstrução tomográfica, aplicado em amostras agrícolas, com uso de processadores dsp. ln:Anais do 1X Encontro de Modelagem Computacional. Belo Horizonte, MG: IX Encontro deModelagem Computacional., 2006. p. 1-10.TEIXEIRA, C. F. A.; MORAES, S. O.; SIMONETE, M. A. Desempenho do tensiômetro, tdr esonda de nêutrons na determinação da umidade e condutividade hidráulica do solo. RevistaBrasileira de Ciência do Solo, V. 29, p. 161-168,2005.VTK. Visualization ToolKit. 2006. Disponível em: <http://www.vtk.orgl>. Acesso em: 3 de fevereirode 2006.115

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