《Advances in Water Resources》：A comparison of different image analysis techniques for mapping spatiotemporal pH and carbon dissolution in density-driven convection of CO2 in water
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为解决地质固碳过程中密度驱动对流(DDC)显著影响地下流体pH值和碳浓度空间分布的难题，研究人员在实验中采用三种pH指示剂组合，并系统比较了Hue、灰度差和RGB颜色空间角度表示(φ,θ)三种图像处理技术，研究发现Hue技术能实现不依赖于流体厚度、相机设置和LED照度的高精度pH与碳浓度动态测量，为地质固碳机制研究提供了更稳定、通用的高分辨率测量工具。
当我们畅想如何将人类活动产生的大量二氧化碳安全地封存于地下深处时，一个名为“地质碳储存”的技术方案正受到越来越多的关注。其原理简单而言，是将捕获的CO2注入地下深层多孔岩层中，以期将其长期甚至永久地封存。在诸多封存机制中，二氧化碳溶解于地下水形成碳酸溶液被认为是一种极为稳定的方式。这一过程并非静止不变，而是会引发一场“地下暗流”——密度驱动对流。由于溶解了CO2的液体密度变大，会在重力作用下向下沉降，而未被溶解的较轻液体则上升，从而形成复杂的流体对流与混合。这种对流极大地增强了CO2的溶解速率，也从根本上塑造了地下流体中pH值（酸碱度）和碳浓度在空间和时间上的分布图景。然而，想要看清这幅动态图景的每一个细节，却面临着巨大的技术挑战。在多孔介质内部，实时、高分辨率地测量pH和碳浓度的时空演变，一直是该领域的难题。传统的pH电极只能用于平衡溶液，无法捕捉空间分布；基于荧光的测量方法又可能因信号弱、响应慢而错过快速变化。于是，科学家们将目光投向了颜色——能否通过溶液颜色变化来精确解读其“化学密码”呢？
为回答这一问题，来自奥斯陆大学PoreLab的研究团队Yao Xu、Marcel Moura、Eirik Grude Flekk?y和Knut J?rgen M?l?y，在《Advances in Water Resources》发表研究，对三种基于颜色的图像分析技术进行了系统性比较，旨在寻找一种能够在CO2密度驱动对流实验中，实现稳定、高分辨率pH和碳浓度测量的最优方法。
研究人员开展这项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，配制了由百里酚蓝、溴百里酚蓝和甲基红三种安全指示剂组合而成的宽范围pH指示剂，其测量范围覆盖pH 4至9.5，可呈现从红到蓝的连续颜色变化。其次，利用透明多孔板构建校准曲线，将13个已知pH值的标准溶液（基准溶液）的颜色信息与pH值进行关联。最关键的技术核心在于，研究者比较了三种不同的图像处理技术来量化颜色变化：一是基于HSV色彩空间的Hue（色调）参数；二是基于RGB色彩空间的灰度差值；三是RGB颜色空间的角坐标表示(φ,θ)。最后，他们将建立的校准曲线应用于一个真实的密度驱动对流实验中。该实验在一个由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料加工而成、内部包含规则圆柱体阵列以模拟多孔介质的模型中开展，模型初始饱和pH 7.0的指示剂溶液，顶部注入低压CO2气体，并通过高分辨率相机记录整个对流过程的图像，再利用上述三种技术从图像中反演出空间各点的pH值和碳浓度。
研究结果
3.1. 时间的影响
校准曲线的长期稳定性至关重要。研究人员在不同时间点重复测量了标准溶液的pH和颜色。结果显示，尽管由于环境波动（如温度、CO2吸收与释放），部分样品的pH值随时间有轻微漂移，但Hue-pH和(φ,θ)-pH的校准曲线基本不受影响。相比之下，灰度值法在pH 7-9范围内的曲线则显得更为分散，表明其对时间引起的微小变化更为敏感。
3.2. 相机设置的影响
相机参数（如光圈、快门速度、ISO）的变化会显著影响相机对颜色的感知。一个稳健的校准技术应尽可能减少对此类设置的依赖。研究测试了多种相机参数组合，发现Hue-pH相关曲线几乎遵循同一趋势，漂移可忽略不计。而(φ,θ)法在两个角度坐标上都出现了轻微漂移。灰度值在不同参数下的差异主要体现在整体尺度上，即使经过归一化处理，在pH 7-8附近仍有约0.2的显著波动，这在实际应用中会引入显著的pH插值误差。
3.3. LED光照度的影响
光照在时间和空间上的不均匀性是另一个不确定性来源。研究发现，即使对同一样品，归一化后的灰度值也发生了显著变化，这可能是由于数码相机传感器对照明度的非线性响应所致。Hue值再次表现出优异的稳定性，几乎不受LED照度变化的影响，而(φ,θ)值也出现了可观察到的变化。
3.4. 流体厚度的影响
根据比尔-朗伯定律，光的衰减取决于其穿过流体的路径长度。因此，孔隙内的流体厚度也会影响相机感知的颜色。结果显示，流体厚度改变时，灰度值出现了明显偏移。(φ,θ)值的变化也比改变照度和相机设置时更为显著。尽管在1毫米厚度时，Hue值因弯月面效应导致液层不均匀而出现较大波动，但总体上Hue值对流体厚度的变化仍表现出更强的鲁棒性。
3.5. pH插值模型
为将颜色信息转化为pH值，研究人员为三种方法建立了数学拟合模型。对于Hue和灰度值这类单变量映射，分别采用修正的S型函数和多项式进行拟合。对于双变量的(φ,θ)法，则采用二元多项式进行曲面拟合。这些拟合模型被用于后续对流实验中的空间pH插值。
3.6. 在密度驱动对流实验中的应用
研究人员将建立的三种校准曲线应用于一个运行了10分钟的CO2密度驱动对流实验。通过对实验图像进行处理，分割出液体区域，并利用三种技术分别插值得出空间pH分布图，进而根据碳酸化学平衡公式计算出总溶解碳浓度分布。结果显示，基于Hue技术得到的pH和碳浓度空间分布图最为连续和平滑，能够清晰地展示对流锋面的空间结构和混合细节。而基于灰度差和(φ,θ)技术得到的分布图中则出现了更多不连续和噪点，特别是在临界pH范围（约6-8）内，这可能源于其校准路径的非单调性。尽管三种方法最终估算的系统总溶解碳质量相近，但Hue技术因其稳定性，在动态、高分辨率测量中展现出显著优势。
结论与讨论
本研究系统比较了Hue、灰度差和RGB角坐标(φ,θ)三种图像处理技术，用于量化宽范围pH指示剂的颜色变化，进而测量CO2密度驱动对流过程中的时空pH和碳浓度。综合结果表明，基于HSV色彩空间的Hue参数是其中最稳健的技术。其对时间推移、相机设置变更、LED照度变化以及流体厚度差异均表现出近乎不变性（invariance）。这种鲁棒性使得基于Hue的单一校准曲线具有广泛的适用性，无需为不同的实验条件重复校准，大大增强了其实用性和灵活性。在应用于真实的密度驱动对流实验时，Hue技术能够生成更连续、完整的空间pH和碳浓度分布，清晰地揭示了对流和混合的时空动态。相比之下，灰度差和(φ,θ)技术对环境变化更为敏感，其校准路径在临界pH范围内存在非单调性，导致在动态实验的pH插值中可能出现更大误差和空间不连续性。
这项研究的意义在于，它不仅仅确认了Hue技术在测量pH方面的有效性，更重要的是在复杂、动态的地质碳储存模型实验背景下，通过严格的对比分析，确立了Hue技术作为高分辨率、动态测量pH和碳浓度时空演变的优选方法。该方法为深入理解密度驱动对流如何控制CO2的溶解、传输和最终封存效率提供了强有力的定量观测工具。其稳定性、通用性和易于实施的特性，使得它有望被广泛应用于涉及pH敏感颜色变化的流体动力学、地球化学和环境科学实验中，推动相关领域的定量化研究走向更深、更精的层面。
