CT扫描技术探测湖冰组构的初步研究

王绍宇，李志军，张邀丹，修苑人，邓 宇，李国玉

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院， 河南 郑州 450003；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

水体在冬季不同外界环境条件下，所冻结生长的冰具有不同内部组构，即冰晶体类型、冰内气泡和未冻水胞空间分布的形状，尺寸以及含量存在差异。由于冰内组构控制着冰的基本物理性质和其它各种性质[1-2]，因此将冰内组构观察作为冰物理调查的重要内容[3]。如何观察冰内组构，最简便技术是冰晶体切片法[4-5]。它通过分层切片，然后对大约10 cm×10 cm的冰薄片在正交偏光镜下进行晶体结构观察。该技术以往裸眼在偏正光下只能观察晶体，后来发现在正常光下能够观察气泡。随着图像分析技术的发展，也可以分析尺寸小于2.0 mm的气泡。随着数码工业高清显微镜应用，可以将薄片放大40～640倍，也就是可以观察到尺寸大于0.004 mm的气泡。但是观察的薄片范围只有0.3 cm×0.5 cm。为了保证观察结果的代表性，在10 cm×10 cm的薄冰片上选择5个不同位置，用它们的均值代替整个薄片的平均结果。为了了解微米级的冰晶粒边缘间的关系，冰薄片的电子显微镜观察也曾应用[6]，但是因为放大倍数很大，而切片时很难掌握好样品是否恰好处于三个晶体的边界或者两个晶体的边界，实际应用中较少。上述观察均建立在冰薄片上，它们均需要观察前先完成切片。如果不需要切片，从观察速度和层次上都会有很大改善，甚至在测试结果的基础上发展冰内气泡、未冻水胞的三维分布特征。

计算机断层扫描(CT扫面)和磁共振成像(MRI)技术发展之后，它们具有无损检测且迅速成像的优点，观察图像分辨率在0.01～1.00 mm。由于冰以氢氧为主，人体也是以氢氧为主，医学核磁共振[7]和CT扫描探测冰内组构就被视为潜在技术。首先日本学者在上世纪80年代在医院做了尝试[8]。冻土工程国家重点实验室同期也引入医学CT技术探测冻土的内部组构[9]，用核磁共振技术探测多晶冰内未冻水含量[10]。随之，渤海海冰的内部组构也利用冻土工程国家重点实验室医学CT进行探测，获取了冰晶体、气泡和卤水胞的分布[11]。目前国际上利用CT扫描技术研究海冰内部组构变得越来越普遍，并且不断发展新方向[12]，例如用冰、卤水、气泡三者的CT值差异在各层水平CT图像上进行阈值划分建立蒙版，接着在垂直方向上进行三维重建，统计各相物质的体积并计算相对含量。此方法要求气泡和卤水的体积大于CT的最小空间分辨率。它对冰内气泡直径较大的粒状冰效果较好，相对误差16%，但对冰内气泡直径较小的柱状冰，能产生43%相对误差[13]。

本文探讨的是内蒙古乌梁素海湖冰，主要晶体类型为柱状冰，且气泡含量较少。只在表层有些泥沙。利用CT扫描技术，对该湖冰冰样沿深度逐层扫描获得连续的CT图像。结合CT值的连续变化分析冰内密度变化；同时可重建冰内大于0.19 mm的三维气泡分布。

1 取样位置和冰样制备

乌梁素海位于内蒙古乌拉特前旗境内，属温带大陆性气候，年平均气温9.7 ℃。湖泊主要供给水源为农田灌溉退水，水流速度较慢。每年11月至翌年3月为湖泊冰封期，冰封期流速近似于0。湖区南北狭长35～40 km，东西较窄5～10 km，如图1(a)处。海拔1018.5 m，面积约273 km2，水深 0.5～1.5 m，湖底沉积淤泥0.2～0.5 m[14]。湖冰在生长过程中部分位置因为冰内含有大量气泡，透明度较低，冰面呈现白色。而大部分冰含气泡少，透明度较高，冰面的呈现深灰色。为了对比这两类冰内组构的差异，特意选择两类冰相邻位置取样，如图1(b)处。2019年1月26日采用电链锯、板锯、和冰锥等工具从湖中取出边长约为500 mm的立方体冰坯。气泡多的冰坯编号W1(冰厚约500 mm)，气泡少的冰坯编号W2(冰厚约380 mm)。用锯骨机从每块冰坯中切出4根100 mm×100 mm×冰厚的冰样，分别用于观察冰晶体、测量密度、CT扫描和1根备用。

图1 乌梁素海地理位置和冰样采集点

2 基本测试和观察要素的方法

晶体结构的观察在气温低于-10 ℃的环境中进行。将取出的试样沿深度方向切割成80～100 mm 间距的冰块，同时标记顺序和方向。将冰块侧面用刨刀和砂纸磨平，然后贴到玻璃片上，在玻璃片上同样标记顺序和方向。再用刨刀将冰块厚度修整至约0.5 mm；最后将冰薄片放在万向旋转台上，分别在自然光和偏振光下进行拍摄[5]。

冰密度采用质量-体积法测量。将冰样沿深度方向切割成50 mm间距的冰块，用精度0.02 mm 的游标卡尺测量长宽高三次并取均值，相乘得到冰块体积；再用精度0.001 g的电子天平测量其质量；最后计算质量和体积比值得到冰密度。

CT扫描测试在冻土工程国家重点实验室进行。采用Philips Brilliance 16 CT扫描实验机，X射线源设定为120 kV、313 mA，观察视野为200 mm×200 mm，扫描层厚3 mm，CT图像重建矩阵大小为1024像素×1024像素。乌梁素海100 mm×100 mm截面湖冰试样，扫描后原始图像如图2(a)所示。为了减少射线硬化伪影造成的径向CT值误差，对512像素×512像素的图像边缘进行裁剪。裁剪后的矩阵大小为360像素×360像素，对应实际尺寸为70 mm×70 mm，如图2(b)所示。每层CT扫描的厚度3 mm，对于厚度500 mm的冰样W1，沿厚度方向从表面到底面的CT扫描167层，获得CT扫描影像167张。冰样W2的厚度360 mm，其CT影像120张。因此对应在CT影像每个像素的体单元是0.1134 mm3，如图2(c)所示。每个像素的CT值反映这个体单元对X射线的吸收能力。

图2 CT扫描能力尺寸，裁剪冰样CT图像尺寸和像素体单元尺寸(单位：mm)

3 测试和观察冰样的晶体结构、密度和CT值

冰样W1和W2的纵向冰薄片在正常光下基本看不出气泡，在正交偏光镜下显示的晶体结构均为柱状冰(图3)。图4给出2根冰样的密度垂直剖面，密度范围为0.897～0.918 g/cm3。它们的晶体结构与密度与其它冬季乌梁素海湖冰的基本相同[15]。

图3 冰样W1和W2的冰晶体垂直剖面

图4 冰样W1和W2的冰密度垂直剖面

W1和W2沿深度每一扫描层的CT均值和标准差如图5所示。由图5可见，除个别深度外，不同扫面层截面上的CT均值处于-80～-60 HU之间，表明两根冰样均以冰晶体为主，对应的体密度差异较小。其中W2的CT均值相对保持稳定，W1的波动幅度较大。一般而言各层影像像素上CT值的标准差反映冰、气、液所占比例的差异。在物理指标中由对应层的块密度指示。W1各层平均标准差20.6 HU，W2为11.3 HU，表明W1同一扫面层中相成分变化大于W2。这与图4中的密度变化范围一致，即W1密度0.897～0.918 g/cm3，W2密度0.902～0.915 g/cm3。这也反映出W1不同深度的截面内气泡含量比W2的变化大。这与现场取样时宏观表面观察结论一致。

图5 冰样W1和W2的CT值垂直剖面

4 冰样内未冻水和气泡对CT值的效应

为从扫描截面上进一步分析冰样内未冻水和气泡对CT值的效应，将某一层扫描影像提出，统计并分析该影像的CT值。以冰样W1为例，由图6(a)可以看出：深度198～201 mm位置存在大量气泡，冰密度低，CT均值小于纯冰的CT值-80 HU。CT值从最小-300 HU到纯冰的-80 HU，所占比例大于90%。图6(b)是深度432～435 mm处的CT影像，该层CT值大于纯冰CT值-80 HU。说明该层的密度偏高，从最小-200 HU到纯冰的-80 HU的像素所占比例大于20%。体现出气泡含量少，有未冻水存在。

图6 冰样W1不同位置的CT扫描影像和截面CT值分布

图6(a)所示冰样W1存在气泡。从图7可见，相邻2层扫面影像中有大量直径大约1 mm的气泡。在W1冰样的宏观裸眼观察中，也是小气泡层。根据图6(a)直方图中的CT值分布选取-250～0 HU作为CT图像观察窗值，对该层的气泡像素体单元分割提取、创建蒙版、进行三维重建，得到气泡三维空间分布由图7给出。

图7 冰样W1含气泡层CT扫面影像和重建的气泡三维分布

另外，图6(b)中出现一块形状不规则、纵横约10 mm的连续低密度区域，延伸到深度408～411 mm时终止，共占据4层CT扫面影像。对这四幅CT影像再次局部放大，在平面内设定前、后、左、右四个点；分别沿从左到右和从后向前两个方向划线20 mm，各线段上CT值的变化如图8(a)。将黑色区域设为研究目标域，其CT均值及其对应面积沿深度方向的变化如图8(b)，以及重建的三维模型如图8(c)所示。

从图8(a)可以看到，在左右和前后两个方向上， CT值从-75 HU附近开始下降，到-120 HU 左右开始稳定，稳定值约10 mm，然后重新回升至-75 HU左右。CT值在-150～-110 HU 范围内小幅波动。平面内从前到后，进入低密度区域时的CT值变化快，曲线陡峭；远离低密度区域时CT值变化较慢，曲线稍平缓。从左到右方向上CT值减小和增大的速度基本一致，这表明该区域在平面内后侧的气泡含量较小，前侧气泡含量较大。

图8 冰样W1特殊目标域CT值和重建三维分布

从图8(b)可以看到，沿深度方向，连续稳定的低密度区域面积先增大后减小，CT均值沿深度先减小后增大。与平面内变化规律一致。湖冰内导致密度降低的主要原因是气泡，CT值的降低一定有气泡的存在。对于变化较缓的位置，则是气泡直径和间隔小于CT图像的平面像素边长(0.19 mm)情况，属于更为细小的微观气泡。

5 讨 论

利用在乌梁素海获取的两根冰样W1和W2进行了CT扫描探测湖冰内部组构研究。2根冰样均为典型柱状冰晶体，裸眼下没有明显差异。而通过CT影像分析发现冰样W2的CT值在-85～-65 HU范围内，是较理想的均匀柱状冰结构。冰样W1的CT值在-150～-110 HU范围内，其内部除有尺寸大于CT扫面空间分辨的小气泡层外，还存在大量更微小气泡。该结果说明利用CT扫描技术可以对传统方法无法发现的细微气泡差异进行准确描述。通过分层CT值的统计特征(均值、标准差)，能对冰样各深度的气泡含量进行定量分析。对于局部CT值变化剧烈的扫描层，可以结合CT图像对目标域内CT值沿不同方向的变换规律重建三维分布，依此更直观地展现气泡的空间形态。本文使用的CT具有分辨率为0.19 mm，因此对直径小于0.19 mm的气泡无法重建精确三维分布，如需探究这部分气泡的形态和分布特征，则需要空间分辨率更高的显微CT扫描技术来实现。