一种复垦土壤剖面的精细表达方法
【专利摘要】本发明公开了一种复垦土壤剖面的精细表达方法，以探地雷达无损探测技术为主要手段，准确完整的表达土地复垦中重构土壤的剖面信息。该方法包括：布设等间距的探地雷达测线网，利用高频探地雷达系统获取复垦土壤的雷达图像；建立基于形态学的滤波处理方法，弱化杂波对分层信息的干扰；通过雷达图像处理与采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的分层属性；在此基础上，开挖典型剖面，以此作为经验数据，与对应的雷达图像的分层情况进行对比分析，并结合各分层土壤的特征，实现全工区土壤剖面的精细表达，可为土地复垦工程质量的验收提供一种快速方法。
【专利说明】
一种复垦土壤剖面的精细表达方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工程环境的监测技术领域，特别涉及土地开发整理工程中的复垦土壤 剖面的精细表达方法。
【背景技术】
[0002] 中国统计年鉴近五年的数据表明，我国煤炭行业的年产量业已突破35亿吨（2014 年），煤炭开采方式也发生了较大改变，井工开采比重减小，由过去的96%下降至70%;露天 开采比重明显提供，由过去的4%上升至30%。煤炭开采造成了地面塌陷、土地压占以及土 地的挖损。据有关专家测算，由采煤造成的土地破坏的总面积超过了 500万hm2,历史遗留的 受损土地的复垦工作任务繁重。
[0003] 我国《土地法》以及《土地复垦条例》等有关法律规定，煤炭开采必须实行"谁开采、 谁复垦"的原则，必须对破损的土地进行复垦修复工作，通过一系列的工程技术手段，对受 损的、即将受损的土地，结合工作面接续工作，对这些土地进行或者超前进行挖、铲、垫、平 整等工作，使其恢复重新利用的功能，其本质就是土壤重构，重构后的土壤应该具备良好的 分层以及结构，保证重构土壤的肥力。
[0004] 土壤重构一般采用分层剥离、交错回填的方式，将0-20Cm、20-50cm的表土层分别 剥离，在节约表土的情况下，重构土壤的底层以煤矸石、粉煤灰进行充填，待充填至复垦标 高后，再分层回填剥离的表土层。然而，以往的有关规定侧重于如何增加土地的面积，而对 于重构土壤的质量却关注甚少，新出台的《土地复垦质量控制标准》中对其做出了要求，以 典型验收的点位来表征全局，虽然规定了点位密度、布设的原则和土壤测试分析方法，仍难 以对工程质量进行全面把控。农作物生长的剖面应包含表土层、心土层，其厚度是保证农作 物生产力的重要指标。因此，土壤剖面可作为表征重构土壤质量的重要指标，如何全面获取 与表达是问题的关键所在。
[0005] 以往多采样钻孔、开挖剖面的形式，具有较大的随机性和不确定性，部分点位特征 无法全面表达工程的整体属性。近些年，探地雷达技术逐渐开始应用于精准农业，该技术在 土壤含水量、道路勘察、管线探测等领域成功应用。对于土壤领域，以室内模拟试验为主，野 外大田的应用比较少，特别是对于复垦土壤，基于探地雷达的剖面的精细表达方法鲜有报 道，需要解决如下难题： (1) 复垦工程中，土壤重构过程采用分层回填、分层压实的工艺，相比于自然状态的土 壤，土层中杂质、分层不均匀都对分层结构的识别造成了很大影响，如何去除杂波对分层信 号的影响，而且，人工识别难以满足大批量采样数据的处理； (2) 雷达数据针对于测线而言，是反映该测线下土壤的一些信息，如何将这些数据进行 融合，基于有限的数据，采用何种方法去反映田块的整体分层信息，实现全工区土壤剖面的 精细表达也需要解决。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提出了 一种复垦土壤剖面的精细表达方法，利用探地雷达获取 复垦土壤的雷达图像，建立基于形态学的滤波处理方法，弱化杂波对分层信息的干扰;在有 限处理窗口中获取采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的分层属性;在此基础上，利用典型 剖面的统计信息，与对应的雷达图像的分层情况进行对比分析，并结合各分层土壤的特征， 实现全工区土壤剖面的精细表达。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案： 一种复垦土壤剖面的精细表达方法，所述方法包括以下步骤： (1) 雷达数据采集:在数据采集之前，布设全面覆盖工程的平面分布范围的探地雷达测 线网，并在布设后测定各测线端点及其交叉点的空间坐标;高频雷达天线沿测线方向匀速 前行，实现数据采集； (2) 建立基于形态学的滤波处理方法:在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤 波处理，抑制杂波对分层信息的干扰； (3) 雷达图像的纵向分割:将雷达图像视为多条独立采样道的回波信号的组合，将各采 样道回波信号作为彼此独立的信号，以各采样点的能量幅值表示;在此基础上，计算所有采 样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算时间域上各采样点的能量方差，得到能量 幅值的离散程度及分布图；在此基础上以分布图的凸显程度选取阈值，将低于阈值的区域 作为背景区域进行删除，实现雷达图像的纵向分割； (4) 复垦土壤剖面的雷达图像分层识别:在每个分割的区段中，以区域内能量方差的峰 值对应的采样点作为中心，计算该点外扩r像素的八方向上能量梯度变化，以最大能量梯度 为方向进行重采样，并重复步骤(4)的计算过程，实现复垦土壤在雷达图形的分层识别； (5) 复垦土壤剖面的表达:对解译的雷达图像对应测线的土体进行开挖，获取复垦土壤 的现实剖面，并记录分层的层数、土体性质以及层厚；以此为参照，将雷达图像分层信息与 之进行对比分析，从而实现所有测线上的土壤剖面的精细表达;在此基础上，通过空间内插 的方法，实现全工区土壤剖面的完整表达。
[0008] 优选地，所述步骤(1)中，利用测绘仪器测定各测线端点及其交叉点的空间坐标。
[0009] 优选地，所述步骤(1)中，测线网呈网状形式。
[0010] 优选地，所述步骤(2)中，所述滤波处理方法基于目标体的水平分层特性，根据几 何特性的相似原理，选择结构元素，进行开运算、闭运算以及膨胀运算三个过程，实现图像 形态修饰和形态细化。
[0011] 优选地，所述结构元素为3X3的矩阵，凸显层位的分层特性。
[0012] 优选地，形态滤波通过开运算、闭运算以及膨胀运算相互结合，经过多次运算完 成。
[0013] 优选地，所述步骤(2)中，在进行形态滤波计算时，雷达图像应以如下集合形式表 示:A= {(x，y，z) |〇<x<m，0<y<n，zxy}，（x，y)表示采样点坐标，z表示离散的灰度值，经过 滤波处理后的雷达图像用二值图像表示。
[0014] 优选地，所述步骤(3)中，雷达图像上水平方向的平均能量b如下式（1)表示，其中， i为以采样点号表示的双层走时的微分单位;j表示采样道次；
[0015] 优选地，所述步骤(3)中，选取的阈值为能量方差最大值的1/10。
[0016] 优选地，所述步骤(5)中，复垦土壤的剖面重构采用分层剥离、交错回填的方式，现 场开挖3至5个土壤剖面，进行层数、层厚、土体特性数据统计，以此作为经验数据，分别与所 对应的雷达图像的分层信息进行对比分析。
[0017] 本发明与现有技术相比，具有以下明显优点： 本发明提出的复垦土壤剖面的精细表达方法，以探地雷达无损探测技术为主要手段， 准确完整的表达土地复垦中重构土壤的剖面信息。该方法包括:布设等间距的探地雷达测 线网，利用高频探地雷达系统获取复垦土壤的雷达图像;建立基于形态学的滤波处理方法， 弱化杂波对分层信息的干扰;通过雷达图像处理与采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的 分层属性;在此基础上，开挖典型剖面，以此作为经验数据，与对应的雷达图像的分层情况 进行对比分析，并结合各分层土壤的特征，实现全工区土壤剖面的精细表达，可为土地复垦 工程质量的验收提供一种快速方法。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明中探地雷达测线网及坐标系示意图； 图2为本发明中某测线图像层位线图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明所述复垦土壤剖面的精细表达方法，包括以下步骤： 第一步:雷达数据采集。
[0020] 在数据采集之前，布设探地雷达测线网，所述测线网由若干条平行的测线组成，呈 网状形式，测线网应满覆盖工程的平面分布范围，并在布设后利用测绘仪器测定各测线端 点及其交叉点的空间坐标，便于复测、验证;高频雷达天线沿测线方向匀速前行，实现数据 米集。
[0021] 如图1所示，1为复垦工区的边界线，2为探地雷达测线，探地雷达测线由两组呈一 定角度的测线组成网状结构，每组测线包括若干条平行的测线，3为自定义的坐标系的轴 线。以工区最西、最南两条相互垂直的测线，视为坐标系的x、y轴，定义交点的坐标为（1000， 1000)，x轴坐标方位角α为1〇°(/〇〇 〃测线间距在l〇-40m之间。
[0022]第二步:建立基于形态学的滤波处理方法。
[0023]在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤波处理，抑制杂波对分层信息的 干扰。该方法基于目标体的水平分层特性，根据几何特性的相似原理，选择结构元素，进行 开运算、闭运算以及膨胀运算。
[0024]在本例中，雷达图像应以如下集合形式表示： A= {(x，y，z) | 0<x<m，0<y<n，zXy}， 前两个变量表示采样点坐标，第三个向量表示离散的灰度值，雷达图像的形态滤波应 基于开运算、闭运算以及膨胀运算3个过程，实现图像形态修饰，形态细化的效果。
[0025]其中，结构元素 SE应能够凸显层位的分层特性，为3?3的矩阵，实例中选用SE如下：
由于开闭运算次数不会改变处理结果，本例开闭运算的运算均为一次，膨胀运算8次。 [0026]第三步:雷达图像的纵向分割。
[0027] 将各采样道回波信号作为彼此独立的信号，以各采样点的能量幅值表示。在此基 础上，计算所有采样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算时间域上的能量方差，得 到能量幅值的离散程度及分布图。需要说明的是，时间间隔为采样间隔，为纵轴双城走时与 采样点数(一般为512/1024)的比值。在此基础上，以分布图的凸显程度，选取阈值，实现雷 达图像的纵向分割。
[0028] 雷达图像上水平方向的平均能量b由下式（1)计算求得，其中，i表示双层走时的微 分单位，在此可以采样点号表示;j表示采样道次；
实例中，共计求得512个时间层的平均能量，采样道次628个。
[0029]第四步:复垦土壤剖面的雷达图像分层识别。
[0030]在每个分割的区段中，一定像点范围内，计算雷达图像能量方差峰值对应的采样 点八方向上的能量梯度变化，基于最大梯度原则进行重采样，实现复垦土壤在雷达图像的 分层识别。
[0031 ]实例中，像点范围为10 X 10的，当提取出最大梯度的采样点时，中心点移至该点， 重复以上的步骤。
[0032]处理效果如图2所示，4为表土层的层位线，5为心土层与充填层（煤矸石）的层位 线。
[0033]第五步:复垦土壤剖面的表达 对解译的雷达图像对应测线的土体进行开挖，获取5个以上复垦土壤的现实剖面，并记 录分层的层数、土体性质以及层厚。以此为参照，将雷达图像分层信息与之进行对比分析， 从而实现所有测线上的土壤剖面的精细表达。在此基础上，通过空间内插的方法，实现全工 区土壤剖面的完整表达。
[0034] 实例中，在进行空间内插时，各测线的土壤剖面采取如下表达方式： U = lx，y，h}，前两个参数表示平面坐标，第三个参数表示各层位的深度，根据等高线 内插原理，将h替代高程z，生成各层位的TIN，生成等深线，在ARCGIS空间分析软件中，生成 数字深度模型，达到三维显示的目的。
[0035] 上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以 根据本发明的发明创造的目的作出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下 做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只 要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述方法包括W下步骤： (1) 雷达数据采集:在数据采集之前，布设全面覆盖工程的平面分布范围的探地雷达测 线网，并在布设后测定各测线端点及其交叉点的空间坐标;高频雷达天线沿测线方向匀速 前行，实现数据采集； (2) 建立基于形态学的滤波处理方法:在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤 波处理，抑制杂波对分层信息的干扰； (3) 雷达图像的纵向分割:将雷达图像视为多条独立采样道的回波信号的组合，将各采 样道回波信号作为彼此独立的信号，W各采样点的能量幅值表示;在此基础上，计算所有采 样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算在时间域上各采样点的能量方差，得到能 量幅值的离散程度及分布图；在此基础上W分布图的凸显程度选取阔值，将低于阔值的区 域作为背景区域进行删除，实现雷达图像的纵向分割； (4) 复星±壤剖面的雷达图像分层识别:在每个分割的区段中，W区域内能量方差的峰 值对应的采样点作为中屯、，计算该点外扩r像素的八方向上能量梯度变化，W最大能量梯度 为方向进行重采样，并重复步骤(4)的计算过程，实现复星±壤在雷达图形的分层识别； (5) 复星±壤剖面的表达:对解译的雷达图像对应测线的±体进行开挖，获取复星±壤 的现实剖面，并记录分层的层数、±体性质W及层厚；W此为参照，将雷达图像分层信息与 之进行对比分析，从而实现所有测线上的±壤剖面的精细表达;在此基础上，通过空间内插 的方法，实现全工区±壤剖面的完整表达。2. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤（1)中，利 用测绘仪器测定各测线端点及其交叉点的空间坐标。3. 如权利要求2所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤（1)中，测 线网呈网状形式。4. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤(2)中，所 述滤波处理方法基于目标体的水平分层特性，根据几何特性的相似原理，选择结构元素，进 行开运算、闭运算W及膨胀运算Ξ个过程，实现图像形态修饰和形态细化。5. 如权利要求4所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述结构元素为 3X3的矩阵，凸显层位的分层特性。6. 如权利要求4所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:形态滤波通过开运 算、闭运算W及膨胀运算相互结合，经过多次运算完成。7. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤(2)中，在 进行形态滤波计算时，雷达图像应W如下集合形式表示:A= {(x，y，z) I 0<x<m，0<y<n， zxy}，（x，y)表示采样点坐标，z表示离散的灰度值，经过滤波处理后的雷达图像用二值图像 表不。8. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤(3)中，雷 达图像上水平方向的平均能量b如下式（1)表示，其中，i为W采样点号表示的双层走时的微 分单位;j表示采样道次；9. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤(3)中，选 取的阔值为能量方差最大值的1/10。10. 如权利要求1所述的复星±壤剖面的精细表达方法，其特征在于:所述步骤(5)中， 复星±壤的剖面重构采用分层剥离、交错回填的方式，现场开挖3至5个±壤剖面，进行层 数、层厚、±体特性数据统计，W此作为经验数据，分别与所对应的雷达图像的分层信息进 行对比分析。
【文档编号】G06K9/34GK105975990SQ201610327751
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】王新静, 闫晶晶, 胡青峰, 李慧, 何培培, 马开锋
【申请人】华北水利水电大学