MP工具箱 | 使用MS3000测试数据计算分形维数

分形（fractal）理论是为描述具有自相似性自然碎片或不规则结构而提出的。例如土壤粒径、颗粒表面积、颗粒体积和孔隙大小等具有自相似特征，应用分形理论来定量描述土壤形态和性质已成为土壤科学研究的重要方法^[1]。

分形维数是描述物质几何形态复杂性或不规则程度的参数。尤其适用于具有自相似性（即局部与整体在形态上相似）的体系（如颗粒集合体、多孔材料等）。当颗粒体系的粒径分布具有分形特征时，可通过粒度仪测试得到的粒径分布数据，结合分形模型推导出分形维数，以此量化颗粒体系的复杂程度（如颗粒破碎后的形态、团聚体的结构等）。

利用粒度仪数据计算分形维数，能为颗粒体系的分析提供更深入的信息，其具体意义包括：

• 量化颗粒形态的复杂性

• 揭示颗粒形成或演化的机制

• 关联颗粒的物理化学性能

• 简化复杂体系的描述

下面就MS3000测试数据如何计算分形维数为您作分步讲解：

1. 在记录试图中点击右键，在下拉菜单中选择“列配置”。

2. 在弹出窗口中搜索“散射”，选“散射光强I”和“散射角q”，导入到右侧栏中，并点击确定。

3. 在记录视图中，选择需要计算的测试记录，点击“导出选定的记录”。

4. 选择“导出到文件”或“导出到剪切板”。若是选择导出到剪切板，需要粘贴在Excel中。因MS3000导出的数据默认是横向排列的，数据导出式，点击“排序中的垂直”可以将数据转置成纵向排列。

5. 后续步骤在Excel表格中完成。

Excel表格数据排列如下。对散射角q和散射光强I取对数。

6. 选择logq和logI，做散点图。

7. 选中散点图，右击，选择“添加趋势线”。

8. 根据拟合程度，在设置趋势线格式菜单中选择 “多项式”或其他类型，Excel会自动生成趋势线。也可自己自定义多项式，以使趋势线与散点图更接近。”勾选“显示公式”，和R2图表中会显示出趋势线的公式。

9. 根据散点图和趋势线求散点图的切线。切线的斜率即分形维数。

参考文献

【1】不同耕作年限水稻土土壤颗粒的体积分形特征研究，慈恩等，土壤（Soils），2009，41（3）：396~401