[发明专利]基于探地雷达反射波的滨海盐渍土表层含水量测定方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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pulseEKKO PRO系列GPR主机以及250MHz屏蔽天线，数据采集软件为DVL Firmware。

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m ns^-1，v为提取的GPR地面波/反射波传播速度m ns^-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；