[發明專利]基于探地雷達反射波的濱海鹽漬土表層含水量測定方法

在審

• 申請號: 201710311768.4
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107014835A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 王萍;李新舉;閔祥宇;楊東;趙學偉;孫問娟;李芳
• 申請（專利權）人: 曲阜師范大學;山東農業大學
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04;G01S13/88
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明屬于土壤水分調查技術領域，具體地說，涉及一種基于探地雷達反射波的濱海鹽漬土表層含水量測定方法。

背景技術

黃河三角洲春秋少雨干旱、蒸發強烈；地下水埋藏淺、礦化度高，土壤返鹽現象明顯。可溶性鹽分隨著土壤水分豎向遷移，在該地區監測土壤水分動態變化對農作物生長發育、土壤鹽漬化發展十分重要。

土壤水分遙感調查建立表層土壤水分與反射光譜的數學模型，只能估計表層0.05～0.1m深度的土壤含水量，受植被覆蓋的影響也較大。常用的烘干法、時域反射儀法等，都是通過點位信息采集來預測土壤剖面和三維土體的水分分布，成本高，難免破壞土壤結構。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種基于探地雷達反射波的濱海鹽漬土表層含水量測定方法，該方法具有成本低廉，破壞性小的特點，適合推廣應用。

其具體技術方案為：

一種基于探地雷達反射波的濱海鹽漬土表層含水量測定方法，包括以下步驟：

步驟1、采用加拿大探測器與軟件公司生產的pulseEKKO PRO系列GPR主機以及250MHz屏蔽天線，數據采集軟件為DVL Firmware。

沿每個地塊的長邊方向進行FO法測量，天線內部間距為0.38m，外部間距為0，時窗設置為76ns，水平采樣間隔0.04m；在每個地塊中心處進行CMP法測量，步距設置為0.2m，即各天線每次移動0.1m；

步驟2、FO法測量結果處理步驟主要包括：基礎濾波處理、空氣波校正和信號增益；

CMP法測量結果處理步驟主要包括：基礎濾波處理和自動增益控制；增益時窗設置為1，最大增益值設置為5000；

步驟3、提取雷達波速度

地下水平界面的反射波的雙程走時T，則有

式中：X為發射天線與接收天線之間的距離，D為反射界面的深度，v為電磁波的傳播速度，地面直達波看成是D＝0時的反射波，通過LineView軟件中的雙曲線速度標定按鈕提取地面波和表層反射波的速度，通過拖曳雙曲線的尾巴調整雙曲線的形狀與雷達波形相匹配后，軟件自動計算反射界面之上土層的平均速度；

步驟4、計算土壤介電常數。采用大多數土壤低鹽介電常數ε的估算公式：

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度m ns^-1，v為提取的GPR地面波/反射波傳播速度m ns^-1；

步驟5、選取土壤含水量反演模型

主要形式分為θ～ε和兩種；

步驟6、評價反演精確度。

進一步，步驟2中選取指數補償增益法，增益幅度為10-1000，衰減系數為32。

進一步，步驟5中θ～ε經驗模型有Topp模型、Roth模型和朱安寧潮土θ～ε經驗模型；選取的經驗模型有Alharathi模型、Ferré模型、巨兆強模型和朱安寧潮土模型。

進一步，步驟6中采用標準差評價模型的反演精確度；

式中：θ為GPR反演的體積含水量結果，m³m^-3；為GPR反演體積含水量結果的平均值，m³m^-3；n為實驗對比數目，SD值越小，模型反演精確度越高。

步驟1中FO法與CMP法相結合測量，提高地面波、表層反射波信號提取的準確度。

步驟2中FO法結果處理選取指數補償增益法，增益幅度為10-1000，衰減系數為32；CMP法結果處理增益時窗設置為1，最大增益值設置為5000。

步驟6中采用標準差評價模型的反演精確度，得出Topp模型與Roth模型的適宜性較好。

對土壤表層鹽分較大的地塊(1，4，6，17號地塊)，表層反射波的反演準確度高于地面波。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

本發明在具體應用過程中，探地雷達可以綜合多種探測方法，利用地面波或反射波的傳播速度計算土壤相對介電常數，然后將土壤介電常數代入經驗半經驗公式中估算土壤含水量。探地雷達反射波信號反演0-30cm土壤含水量的效果較好，尤其對于表層土壤鹽分較高的地塊，反射波信號反演結果比地面波要好。其中，Topp模型與Roth模型的適宜性最好。該方法具有成本低廉，破壞性小的特點，適合推廣應用。

附圖說明

圖1為GPR測量土壤剖面的波譜圖像(左：FO法，右：CMP法)，其中，圖1a為光板地，圖1b為麥長勢好地塊；