[發(fā)明專利]基于探地雷達(dá)的土壤分層信息識(shí)別方法和裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110567368.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN113391283A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李俐;許佳薇;黃健熙;謝小曼;張遷遷;蔣朝為;白鐵成;苗雙喜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué);塔里木大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/41
• 分類號(hào): G01S7/41;G01S13/88
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 宋玉環(huán)

本發(fā)明公開了一種基于探地雷達(dá)的土壤分層信息識(shí)別方法及裝置，該方法包括：獲取作業(yè)區(qū)探地雷達(dá)回波信號(hào)；對(duì)預(yù)處理后探地雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行Kalman濾波，利用維格納?威利分布提取探地雷達(dá)回波信號(hào)的瞬時(shí)頻率，確定土壤分界面的時(shí)域位置；利用小波變換對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行特征提取，將提取得到的特征與土壤水分傳感器讀取的土壤水分信息一起輸入到CNN模型，進(jìn)行土層土壤質(zhì)地識(shí)別，并估算各土層中電磁波的傳播速度；根據(jù)各土層土壤分界面時(shí)域位置信息和所在層電磁波傳播速度，確定土壤各層厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤分層信息的識(shí)別。本發(fā)明的方法能有效識(shí)別淺層土壤的分層信息，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中耕層厚度的估測，具有推廣應(yīng)用的潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于探地雷達(dá)的土壤分層信息識(shí)別方法及裝置。

背景技術(shù)

土壤分層信息是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，在一定程度上決定了土地生產(chǎn)力。不同土層的不同土壤質(zhì)地和土壤厚度對(duì)入滲、蒸發(fā)等過程的影響也不盡相同，因此，快速、準(zhǔn)確地獲知土壤分層信息，特別是土層厚度信息，是土壤研究的一個(gè)重要問題。對(duì)土壤分層信息進(jìn)行探測的常規(guī)方法主要采用剖面目測法或土壤顆粒分析法，這種方法不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)解譯，但普遍存在測量過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、探測結(jié)果易受實(shí)驗(yàn)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)差異影響以及采樣點(diǎn)的代表性不夠鮮明等問題，且環(huán)境變化以及人為的影響極易導(dǎo)致分層信息獲取不準(zhǔn)確。地球物理學(xué)研究和物性探測技術(shù)的發(fā)展為土壤分層信息獲取提供了快速無損探測的思路。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是近幾十年發(fā)展起來的一種探測地下目標(biāo)的有效手段，其可以通過發(fā)射和接收超寬帶高頻脈沖電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，具有探測速度快、探測過程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，在土壤信息識(shí)別中的應(yīng)用研究已受到了研究者的重視。然而，目前國內(nèi)外利用探地雷達(dá)進(jìn)行土壤分層的研究還處于初級(jí)階段，特別是對(duì)于各層界面清晰、介質(zhì)存在較大的典型差異時(shí)，土層分界面及層厚度較易辨識(shí)的研究較多，但對(duì)于各層土壤質(zhì)地差異不明顯的大田土層定量化的表達(dá)和高精度的結(jié)果還需進(jìn)一步研究。

將時(shí)頻分析方法應(yīng)用于探地雷達(dá)回波信號(hào)的分析能充分利用微波信號(hào)的時(shí)域和頻域信息，對(duì)土壤分層信息的獲取有著重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于探地雷達(dá)的土壤分層信息識(shí)別方法及裝置，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例提供了以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于探地雷達(dá)的土壤分層信息識(shí)別方法，包括：

在作業(yè)區(qū)進(jìn)行探地雷達(dá)回波信號(hào)采集；

對(duì)獲得的探地雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到目標(biāo)回波信號(hào)r(t)；

使用卡爾曼濾波對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)r(t)進(jìn)行重構(gòu)，計(jì)算所述重構(gòu)后目標(biāo)回波信號(hào)r_p(t)對(duì)應(yīng)的解析信號(hào)R(t)的維格納-威利分布WVD(t,ω)，計(jì)算瞬時(shí)頻率ω(t)；對(duì)ω(t)作積分，得到瞬時(shí)相位識(shí)別相位跳變，確定土壤分界面的時(shí)域位置，計(jì)算第i層對(duì)應(yīng)的電磁波雙程時(shí)延Δτ_i；

構(gòu)建CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用已知作業(yè)區(qū)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行CNN網(wǎng)絡(luò)調(diào)參、訓(xùn)練；對(duì)所述目標(biāo)回波信號(hào)r(t)進(jìn)行小波變換，得到第i層特征量T_i；利用土壤水分傳感器讀取第i層土壤含水量S_i；將T_i、S_i輸入訓(xùn)練好的CNN模型，得到第i層土壤介電常數(shù)ε_i；基于第i層土壤介電常數(shù)ε_i，得到電磁波在第i層中的傳播速度v_i；

基于所確定的土壤分界面的時(shí)域位置和電磁波在第i層中的傳播速度v_i，確定土壤第i層厚度Δh_i，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤分層信息的識(shí)別。