本發(fā)明屬于土壤水分調(diào)查技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種基于探地雷達(dá)反射波的濱海鹽漬土表層含水量測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

黃河三角洲春秋少雨干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈；地下水埋藏淺、礦化度高，土壤返鹽現(xiàn)象明顯?？扇苄喳}分隨著土壤水分豎向遷移，在該地區(qū)監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、土壤鹽漬化發(fā)展十分重要。

土壤水分遙感調(diào)查建立表層土壤水分與反射光譜的數(shù)學(xué)模型，只能估計(jì)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(shí)域反射儀法等，都是通過(guò)點(diǎn)位信息采集來(lái)預(yù)測(cè)土壤剖面和三維土體的水分分布，成本高，難免破壞土壤結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種基于探地雷達(dá)反射波的濱海鹽漬土表層含水量測(cè)定方法，該方法具有成本低廉，破壞性小的特點(diǎn)，適合推廣應(yīng)用。

其具體技術(shù)方案為：

一種基于探地雷達(dá)反射波的濱海鹽漬土表層含水量測(cè)定方法，包括以下步驟：

步驟1、采用加拿大探測(cè)器與軟件公司生產(chǎn)的pulseekkopro系列g(shù)pr主機(jī)以及250mhz屏蔽天線，數(shù)據(jù)采集軟件為dvlfirmware。

沿每個(gè)地塊的長(zhǎng)邊方向進(jìn)行fo法測(cè)量，天線內(nèi)部間距為0.38m，外部間距為0，時(shí)窗設(shè)置為76ns，水平采樣間隔0.04m；在每個(gè)地塊中心處進(jìn)行cmp法測(cè)量，步距設(shè)置為0.2m，即各天線每次移動(dòng)0.1m；

步驟2、fo法測(cè)量結(jié)果處理步驟主要包括：基礎(chǔ)濾波處理、空氣波校正和信號(hào)增益；

cmp法測(cè)量結(jié)果處理步驟主要包括：基礎(chǔ)濾波處理和自動(dòng)增益控制；增益時(shí)窗設(shè)置為1，最大增益值設(shè)置為5000；

步驟3、提取雷達(dá)波速度

地下水平界面的反射波的雙程走時(shí)t，則有

式中：x為發(fā)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(dá)波看成是d＝0時(shí)的反射波，通過(guò)lineview軟件中的雙曲線速度標(biāo)定按鈕提取地面波和表層反射波的速度，通過(guò)拖曳雙曲線的尾巴調(diào)整雙曲線的形狀與雷達(dá)波形相匹配后，軟件自動(dòng)計(jì)算反射界面之上土層的平均速度；

步驟4、計(jì)算土壤介電常數(shù)。采用大多數(shù)土壤低鹽介電常數(shù)ε的估算公式：

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度mns^-1，v為提取的gpr地面波/反射波傳播速度mns^-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(píng)價(jià)反演精確度。

進(jìn)一步，步驟2中選取指數(shù)補(bǔ)償增益法，增益幅度為10-1000，衰減系數(shù)為32。

進(jìn)一步，步驟5中θ～ε經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衪opp模型、roth模型和朱安寧潮土θ～ε經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停贿x取的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衋lharathi模型、ferré模型、巨兆強(qiáng)模型和朱安寧潮土模型。

進(jìn)一步，步驟6中采用標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)模型的反演精確度；

式中：θ為gpr反演的體積含水量結(jié)果，m³m^-3；為gpr反演體積含水量結(jié)果的平均值，m³m^-3；n為實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)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(jié)合測(cè)量，提高地面波、表層反射波信號(hào)提取的準(zhǔn)確度。

步驟2中fo法結(jié)果處理選取指數(shù)補(bǔ)償增益法，增益幅度為10-1000，衰減系數(shù)為32；cmp法結(jié)果處理增益時(shí)窗設(shè)置為1，最大增益值設(shè)置為5000。

步驟6中采用標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)模型的反演精確度，得出topp模型與roth模型的適宜性較好。

對(duì)土壤表層鹽分較大的地塊(1，4，6，17號(hào)地塊)，表層反射波的反演準(zhǔn)確度高于地面波。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明在具體應(yīng)用過(guò)程中，探地雷達(dá)可以綜合多種探測(cè)方法，利用地面波或反射波的傳播速度計(jì)算土壤相對(duì)介電常數(shù)，然后將土壤介電常數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式中估算土壤含水量。探地雷達(dá)反射波信號(hào)反演0-30cm土壤含水量的效果較好，尤其對(duì)于表層土壤鹽分較高的地塊，反射波信號(hào)反演結(jié)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(diǎn)，適合推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為gpr測(cè)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(zhǎng)勢(shì)好地塊；

圖2為gpr表層反射波反演土壤體積含水量。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。

一種基于探地雷達(dá)反射波的濱海鹽漬土表層含水量測(cè)定方法，包括以下步驟：

(1)采用加拿大探測(cè)器與軟件公司生產(chǎn)的pulseekkopro系列g(shù)pr主機(jī)以及250mhz屏蔽天線，數(shù)據(jù)采集軟件為dvlfirmware。

沿每個(gè)地塊的長(zhǎng)邊方向進(jìn)行fo法測(cè)量，天線內(nèi)部間距為0.38m，外部間距為0，時(shí)窗設(shè)置為76ns，水平采樣間隔0.04m；在每個(gè)地塊中心處進(jìn)行cmp法測(cè)量，步距設(shè)置為0.2m，即各天線每次移動(dòng)0.1m。

(2)fo法測(cè)量結(jié)果處理步驟主要包括：基礎(chǔ)濾波處理、空氣波校正和信號(hào)增益。選取指數(shù)補(bǔ)償增益法，增益幅度為10-1000，衰減系數(shù)為32。

cmp法測(cè)量結(jié)果處理步驟主要包括：基礎(chǔ)濾波處理和自動(dòng)增益控制。增益時(shí)窗設(shè)置為1，最大增益值設(shè)置為5000。

(3)提取雷達(dá)波速度。地下水平界面的反射波的雙程走時(shí)t，則有

式中：x為發(fā)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(dá)波可看成是d＝0時(shí)的反射波。通過(guò)lineview軟件中的雙曲線速度標(biāo)定按鈕提取地面波和表層反射波的速度，通過(guò)拖曳雙曲線的尾巴調(diào)整雙曲線的形狀與雷達(dá)波形相匹配后，軟件自動(dòng)計(jì)算反射界面之上土層的平均速度。

(4)計(jì)算土壤介電常數(shù)。采用大多數(shù)土壤(低鹽)介電常數(shù)ε的估算公式：

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度(0.3mns^-1)，v為提取的gpr地面波/反射波傳播速度(mns^-1)。

(5)選取土壤含水量反演模型。主要形式分為θ～ε和兩種：θ～ε經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衪opp模型、roth模型和朱安寧潮土θ～ε經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停贿x取的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀衋lharathi模型、ferré模型、巨兆強(qiáng)模型和朱安寧潮土模型。

(6)評(píng)價(jià)反演精確度。采用標(biāo)準(zhǔn)差(sd，standarddeviation)評(píng)價(jià)模型的反演精確度。

式中：θ為gpr反演的體積含水量結(jié)果，m³m^-3；為gpr反演體積含水量結(jié)果的平均值，m³m^-3；n為實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)目。sd值越小，模型反演精確度越高。

將剖面法和共中心點(diǎn)法測(cè)量得到的雷達(dá)圖像相互對(duì)照、驗(yàn)證，分析gpr信號(hào)對(duì)土壤剖面特性變異分層的響應(yīng)特征，識(shí)別空氣波、地面波和反射波。圖1列出了光板地和小麥長(zhǎng)勢(shì)好地塊的雷達(dá)圖像。

將烘干法實(shí)測(cè)的土壤質(zhì)量含水量與表層反射波傳播速度反演的土壤體積含水量進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖2)，分析gpr表層反射波測(cè)定土壤含水量的可行性和11個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的反演準(zhǔn)確度。1、4、6、10、14和17號(hào)地塊中，各公式的反演效果較好，反演數(shù)值與土壤體積含水量預(yù)計(jì)結(jié)果十分接近；而2、8、9、11、15和16號(hào)地塊中，各公式的反演數(shù)值與土壤體積含水量預(yù)計(jì)結(jié)果相差較大，這表明，土壤表層擾動(dòng)情況對(duì)反演結(jié)果影響嚴(yán)重，表層土壤耕作造成反射波信號(hào)提取的誤差較大。對(duì)比各個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆囱萁Y(jié)果，topp模型與roth模型的適宜性較好，朱安寧粉砂黏潮土的θ～ε經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒅彀矊幧叭莱蓖恋摩取拍Ｐ鸵约?imgfile="bda0001287342000000057.gif"wi="147"he="65"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>模型的適宜性較差，其余模型的反演結(jié)果適中。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見(jiàn)地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。