[发明专利]基于探地雷达的土壤分层信息识别方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于探地雷达的土壤分层信息识别方法及装置，该方法包括：获取作业区探地雷达回波信号；对预处理后探地雷达回波信号进行Kalman滤波，利用维格纳‑威利分布提取探地雷达回波信号的瞬时频率，确定土壤分界面的时域位置；利用小波变换对探地雷达回波信号进行特征提取，将提取得到的特征与土壤水分传感器读取的土壤水分信息一起输入到CNN模型，进行土层土壤质地识别，并估算各土层中电磁波的传播速度；根据各土层土壤分界面时域位置信息和所在层电磁波传播速度，确定土壤各层厚度，实现对土壤分层信息的识别。本发明的方法能有效识别浅层土壤的分层信息，可应用于实际生产中耕层厚度的估测，具有推广应用的潜力。

技术领域

本发明涉及农业信息化技术领域，具体涉及一种基于探地雷达的土壤分层信息识别方法及装置。

背景技术

土壤分层信息是评价土壤质量的一个重要指标，在一定程度上决定了土地生产力。不同土层的不同土壤质地和土壤厚度对入渗、蒸发等过程的影响也不尽相同，因此，快速、准确地获知土壤分层信息，特别是土层厚度信息，是土壤研究的一个重要问题。对土壤分层信息进行探测的常规方法主要采用剖面目测法或土壤颗粒分析法，这种方法不需要复杂的数据解译，但普遍存在测量过程费时费力、探测结果易受实验人员的个人经验差异影响以及采样点的代表性不够鲜明等问题，且环境变化以及人为的影响极易导致分层信息获取不准确。地球物理学研究和物性探测技术的发展为土壤分层信息获取提供了快速无损探测的思路。

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是近几十年发展起来的一种探测地下目标的有效手段，其可以通过发射和接收超宽带高频脉冲电磁波来探测介质内部结构和分布规律，具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活等优点，在土壤信息识别中的应用研究已受到了研究者的重视。然而，目前国内外利用探地雷达进行土壤分层的研究还处于初级阶段，特别是对于各层界面清晰、介质存在较大的典型差异时，土层分界面及层厚度较易辨识的研究较多，但对于各层土壤质地差异不明显的大田土层定量化的表达和高精度的结果还需进一步研究。

将时频分析方法应用于探地雷达回波信号的分析能充分利用微波信号的时域和频域信息，对土壤分层信息的获取有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于探地雷达的土壤分层信息识别方法及装置，用以解决现有技术中的问题。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种基于探地雷达的土壤分层信息识别方法，包括：

在作业区进行探地雷达回波信号采集；

对获得的探地雷达回波信号进行预处理，得到目标回波信号r(t)；

使用卡尔曼滤波对目标回波信号r(t)进行重构，计算所述重构后目标回波信号r_p(t)对应的解析信号R(t)的维格纳-威利分布WVD(t,ω)，计算瞬时频率ω(t)；对ω(t)作积分，得到瞬时相位识别相位跳变，确定土壤分界面的时域位置，计算第i层对应的电磁波双程时延Δτ_i；

构建CNN神经网络，并利用已知作业区的样本数据进行CNN网络调参、训练；对所述目标回波信号r(t)进行小波变换，得到第i层特征量T_i；利用土壤水分传感器读取第i层土壤含水量S_i；将T_i、S_i输入训练好的CNN模型，得到第i层土壤介电常数ε_i；基于第i层土壤介电常数ε_i，得到电磁波在第i层中的传播速度v_i；

基于所确定的土壤分界面的时域位置和电磁波在第i层中的传播速度v_i，确定土壤第i层厚度Δh_i，实现对土壤分层信息的识别。