基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法与流程

本发明属于土壤水分调查技术领域，具体地说，涉及一种基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法。

背景技术：

黄河三角洲春秋少雨干旱、蒸发强烈；地下水埋藏浅、矿化度高，土壤返盐现象明显。可溶性盐分随着土壤水分竖向迁移，在该地区监测土壤水分动态变化对农作物生长发育、土壤盐渍化发展十分重要。

土壤水分遥感调查建立表层土壤水分与反射光谱的数学模型，只能估计表层0.05～0.1m深度的土壤含水量，受植被覆盖的影响也较大。常用的烘干法、时域反射仪法等，都是通过点位信息采集来预测土壤剖面和三维土体的水分分布，成本高，难免破坏土壤结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法，该方法具有成本低廉，破坏性小的特点，适合推广应用。

其具体技术方案为：

一种基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法，包括以下步骤：

步骤1、采用加拿大探测器与软件公司生产的pulseekkopro系列gpr主机以及250mhz屏蔽天线，数据采集软件为dvlfirmware。

沿每个地块的长边方向进行fo法测量，天线内部间距为0.38m，外部间距为0，时窗设置为76ns，水平采样间隔0.04m；在每个地块中心处进行cmp法测量，步距设置为0.2m，即各天线每次移动0.1m；

步骤2、fo法测量结果处理步骤主要包括：基础滤波处理、空气波校正和信号增益；

cmp法测量结果处理步骤主要包括：基础滤波处理和自动增益控制；增益时窗设置为1，最大增益值设置为5000；

步骤3、提取雷达波速度

地下水平界面的反射波的双程走时t，则有

式中：x为发射天线与接收天线之间的距离，d为反射界面的深度，v为电磁波的传播速度，地面直达波看成是d＝0时的反射波，通过lineview软件中的双曲线速度标定按钮提取地面波和表层反射波的速度，通过拖曳双曲线的尾巴调整双曲线的形状与雷达波形相匹配后，软件自动计算反射界面之上土层的平均速度；

步骤4、计算土壤介电常数。采用大多数土壤低盐介电常数ε的估算公式：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度mns^-1，v为提取的gpr地面波/反射波传播速度mns^-1；

步骤5、选取土壤含水量反演模型

主要形式分为θ～ε和两种；

步骤6、评价反演精确度。

进一步，步骤2中选取指数补偿增益法，增益幅度为10-1000，衰减系数为32。

进一步，步骤5中θ～ε经验模型有topp模型、roth模型和朱安宁潮土θ～ε经验模型；选取的经验模型有alharathi模型、ferré模型、巨兆强模型和朱安宁潮土模型。

进一步，步骤6中采用标准差评价模型的反演精确度；

式中：θ为gpr反演的体积含水量结果，m³m^-3；为gpr反演体积含水量结果的平均值，m³m^-3；n为实验对比数目，sd值越小，模型反演精确度越高。

步骤1中fo法与cmp法相结合测量，提高地面波、表层反射波信号提取的准确度。

步骤2中fo法结果处理选取指数补偿增益法，增益幅度为10-1000，衰减系数为32；cmp法结果处理增益时窗设置为1，最大增益值设置为5000。

步骤6中采用标准差评价模型的反演精确度，得出topp模型与roth模型的适宜性较好。

对土壤表层盐分较大的地块(1，4，6，17号地块)，表层反射波的反演准确度高于地面波。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在具体应用过程中，探地雷达可以综合多种探测方法，利用地面波或反射波的传播速度计算土壤相对介电常数，然后将土壤介电常数代入经验半经验公式中估算土壤含水量。探地雷达反射波信号反演0-30cm土壤含水量的效果较好，尤其对于表层土壤盐分较高的地块，反射波信号反演结果比地面波要好。其中，topp模型与roth模型的适宜性最好。该方法具有成本低廉，破坏性小的特点，适合推广应用。

附图说明

图1为gpr测量土壤剖面的波谱图像(左：fo法，右：cmp法)，其中，图1a为光板地，图1b为麦长势好地块；

图2为gpr表层反射波反演土壤体积含水量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

一种基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法，包括以下步骤：

(1)采用加拿大探测器与软件公司生产的pulseekkopro系列gpr主机以及250mhz屏蔽天线，数据采集软件为dvlfirmware。

沿每个地块的长边方向进行fo法测量，天线内部间距为0.38m，外部间距为0，时窗设置为76ns，水平采样间隔0.04m；在每个地块中心处进行cmp法测量，步距设置为0.2m，即各天线每次移动0.1m。

(2)fo法测量结果处理步骤主要包括：基础滤波处理、空气波校正和信号增益。选取指数补偿增益法，增益幅度为10-1000，衰减系数为32。

cmp法测量结果处理步骤主要包括：基础滤波处理和自动增益控制。增益时窗设置为1，最大增益值设置为5000。

(3)提取雷达波速度。地下水平界面的反射波的双程走时t，则有

式中：x为发射天线与接收天线之间的距离，d为反射界面的深度，v为电磁波的传播速度。地面直达波可看成是d＝0时的反射波。通过lineview软件中的双曲线速度标定按钮提取地面波和表层反射波的速度，通过拖曳双曲线的尾巴调整双曲线的形状与雷达波形相匹配后，软件自动计算反射界面之上土层的平均速度。

(4)计算土壤介电常数。采用大多数土壤(低盐)介电常数ε的估算公式：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度(0.3mns^-1)，v为提取的gpr地面波/反射波传播速度(mns^-1)。

(5)选取土壤含水量反演模型。主要形式分为θ～ε和两种：θ～ε经验模型有topp模型、roth模型和朱安宁潮土θ～ε经验模型；选取的经验模型有alharathi模型、ferré模型、巨兆强模型和朱安宁潮土模型。

(6)评价反演精确度。采用标准差(sd，standarddeviation)评价模型的反演精确度。

式中：θ为gpr反演的体积含水量结果，m³m^-3；为gpr反演体积含水量结果的平均值，m³m^-3；n为实验对比数目。sd值越小，模型反演精确度越高。

将剖面法和共中心点法测量得到的雷达图像相互对照、验证，分析gpr信号对土壤剖面特性变异分层的响应特征，识别空气波、地面波和反射波。图1列出了光板地和小麦长势好地块的雷达图像。

将烘干法实测的土壤质量含水量与表层反射波传播速度反演的土壤体积含水量进行对比(见图2)，分析gpr表层反射波测定土壤含水量的可行性和11个经验公式的反演准确度。1、4、6、10、14和17号地块中，各公式的反演效果较好，反演数值与土壤体积含水量预计结果十分接近；而2、8、9、11、15和16号地块中，各公式的反演数值与土壤体积含水量预计结果相差较大，这表明，土壤表层扰动情况对反演结果影响严重，表层土壤耕作造成反射波信号提取的误差较大。对比各个经验模型的反演结果，topp模型与roth模型的适宜性较好，朱安宁粉砂黏潮土的θ～ε经验模型、朱安宁砂壤潮土的θ～ε模型以及模型的适宜性较差，其余模型的反演结果适中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。