基于探地雷达技术的滴灌湿润体体积探测方法

摘要

滴灌是目前世界上最为先进，节水效果最为显著的局部灌溉技术之一，应用的范围和地区正越来越广。滴灌湿润体特征值的研究是滴灌条件下水分运动规律及分布特性的研究和进行正确的滴灌系统设计和高水平的田间作物水分管理的前提和基础。体积是湿润体的重要特征值之一。目前湿润体体积测算方法存在破坏性、费时费力和不能快速原位测量等弊端。探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)技术是利用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法，具有高分辨率、高效率和无损原位探测等优点。本文通过室内滴灌和土工实验，构建理想状态下不同灌水量的土壤湿润体，利用湿润体雷达数据构建湿润体体积估算模型，并结合实测数据验证模型精度，探究雷达探测滴灌湿润体体积的可行性。通过研究得出结论如下： （1）探地雷达能有效获取湿润体的厚度，清晰的分辨出湿润体的上表面和底部。同一湿润体中心测线探测效果优于两侧。同一测线湿润体剖面正下方的多次波明显，呈两条开口向上抛物线相叠加，主要存在与湿润体正下方，叠加点随剖面的深度加深而下移。随灌水量增加，湿润体周围均匀介质中多次波和杂波逐渐增多。 （2）F-K偏移变换是实现湿润体体积探测的有效方法，能真实的还原湿润体的剖面形态。处理后的波形与原方向相反，清晰的显示出湿润体轮廓。同一灌水量湿润体的不同剖面竖直和水平方向距离由中间测线向两端递减。不同灌水量的同一剖面，水平和竖直方向上都随灌水量增加而增加。 （3）建立的体积估算模型中，回归分析模型R2达到0.979，精度较高，能准确反映湿润体体积，该模型较为简单，只需要一个厚度参数，可直接在原始图像上通过时深转换后获取，模型应用性强，可用于基于雷达探测湿润体厚度的湿润体体积估算。剖面体积估算模型平均相对误差为8.71%，误差随体积增大降低，灌水量大于400ml时湿润体体积计算误差较小，适用于灌水量大于400ml湿润体体积估算。且该模型估算湿润体体积有不受湿润体形态限制的特点。根据这一特点可以用于不规则体积湿润体体积计算。几何公式模型平均相对误差为23.74%。误差远高于剖面模型，该模型在200ml和300ml灌水量下计算的体积误差相对较小，但整体计算出的体积都相对偏大，且随灌水量增加，相对误差不断增加，在600ml时达到46%，总体精度较低，不适于体积估算。综合分析实验结果，利用探地雷达获取湿润体体积的可行性较高。

目录

声明

符号说明

1前言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1滴灌研究现状

1.2.2探地雷达在土壤与农业方面应用研究现状

1.2.3湿润体相关参数获取的研究进展

1.3 探地雷达理论基础

1.3.1探地雷达简介

1.3.2雷达探测原理

1.3.3探地雷达天线选择的理论与方法

1.4 研究内容

1.5 技术路线

2材料与方法

2.1 实验区概况

2.2 实验设计

2.3 实验材料

2.3.1土壤和水

2.3.2模型箱

2.3.3探地雷达

2.3.4其他材料

2.4 实验方法

2.4.1滴灌实验

2.4.2湿润体的探地雷达扫描和数据处理

2.5 湿润体开挖实测

2.6 湿润体体积估算模型的构建方法

2.6.1基于湿润体厚度的体积GPR估算模型

2.6.2基于湿润体剖面面积的体积GPR估算模型

2.7模型精度验证方法

3结果与分析

3.1 湿润体实测体积结果与分析

3.2 湿润体的雷达剖面特征

3.2.1原始剖面特征

3.2.2湿润体剖面形状的还原结果

3.2.3剖面综合分析

3.3 回归分析法模型

3.4 几何公式法模型

3.5 湿润体剖面面积的体积GPR估算模型

4结论

5展望

参考文献

致谢

攻读学位期间科研成果