基于低频探地雷达地波法的测定砂质土壤含水量的方法

摘要

基于低频探地雷达地波法的测定砂质土壤含水量的方法，测定步骤为：通过共中点法采集探地雷达数据，以确定空气波和地波走时；以固定间距法采集土壤剖面的雷达波信息；土壤介电常数的计算：将参数代入公式得土壤的介电常数

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种砂质土壤剖面含水量测定方法，特别涉及一种基于低频探地雷达地波法的测定砂质土壤含水量的方法。

二、背景技术

长期以来，小尺度的土壤含水量的测定方法主要是烘干法、中子法、传感器法以及时域反射仪法，这些方法能较准确地测定土壤含水量，但都存在着耗时费力并对土壤具有一定的破坏性等问题。上世纪90年代中期，遥感技术开始应用于区域尺度上的土壤水分测定，该方法能快速测定区域乃至全球的土壤表层含水量，信息量大，但是，遥感法的空间分辨率较低，而且通过遥感数据只能估计表层0.05m深度的土壤含水量，受植被覆盖的影响也较大。由此可见，在确定土壤含水量的时域反射仪方法和遥感方法之间，存在一个空间尺度上的技术空白，即在农田和小流域等中小尺度上，上述方法已经远远不能满足日益发展的土壤科学研究和现代化精准农业对大量、快速、准确的农田土壤水分动态信息的需求。因而，发展科学依据充分的适用于农田和小流域的方便、快捷、准确、无破坏性的土壤含水量测定技术是一个需要重视和亟待加强的问题。

探地雷达技术通过获取雷达波在土壤中的运行信息来估计土壤的介电常数，进而利用土壤介电常数和土壤含水量的经验公式或半理论关系式来计算土壤的含水量。现有的探地雷达探测土壤含水量的方法按电磁波传播的类型分类主要有4种：反射波法、地波法，反射系数法以及钻孔雷达法。其中地波法根据发射和接收天线距离以及探地雷达测定的地波运行时间来确定浅层土壤含水量，是目前认为具有潜力的土壤含水量测定方法。

目前，国际上应用地波法探测土壤含水量时采用的电磁波频率主要范围为225MHz～900MHz。而由于低频电磁波的分辨率低，受土壤质地、含水量等影响，雷达图像中不易识别出空气波和地波，目前国内外关于低频探地雷达地波法的研究还较少。但低频电磁波较之高频电磁波具有穿透能力增加，探测深度大等特点，研究层次较深和湿度高的土壤剖面的含水量具有优势。低频探地雷达地波法尤其适用于农田土壤含水量测定。

而地波法探测土壤含水量的模式主要有共中点法和固定间距法。共中点法作为一种变天线间距方法，测定结果精确性高，但需耗费大量的时间和人力，不适合在较大范围内(10m-1000m)应用。固定间距法具有快速、实时监测的优点，适合于较大尺度的土壤水分时空分布监测，但必须在已知反射界面深度的条件下进行的。将共中点法与固定间距法相结合来测定土壤含水量，则省时省力的多。先通过共中点法获取不同天线间距的地波走时，然后选择一个能分离出空气波和地波的最佳天线间距，再利用固定间距法探测含水量。该方法的最大局限性在于，共中点法与固定间距法的最佳天线间距不统一。共中点法测定雷达图像中，天线间距越小，图像中的空气波和地波越接近，界面不清晰，难以拾取准确的空气波和地波；而固定间距测定雷达图像中，天线间距越大，雷达波信号越弱，异常信号增多，误差越大。因此，如何找到兼顾共中点法和固定间距法的最佳天线间距尤为关键。

因此，本方法通过低频探地雷达利用共中点法和固定间距法相结合测定灌水前后的不同土壤含水量，为今后低频探地雷达在土壤学中的进一步应用提供依据。

三、发明内容

发明目的：本发明针对上述现有土壤含水率测定方法中存在的不足，提供一种适用于农田和小流域的方便、快捷、准确、无破坏性的土壤含水量测定方法，该方法尤其适用于砂质土壤的含水率测定。

技术方案：基于低频探地雷达地波法的测定砂质土壤含水量的方法，测定步骤为：通过共中点法采集探地雷达数据，以确定空气波和地波走时：发射天线和接收天线按固定步长沿着测线向相反方向对称地移动，保持一个共中心点，其雷达记录为天线间距与雷达波的走时关系，获取能清晰分离出空气波和地波的不同天线间距x对应的空气波走时t_AW和地波走时t_GW，回归获取t_AW～x和t_GW～x关系式；以固定间距法采集土壤剖面的雷达波信息：保持探地雷达发射天线和接收天线的间距不变，按固定步长沿着测线方向同时移动的获取雷达图像的测定方法，其雷达图像记录为测线与雷达波走时关系，根据t_AW～x和t_GW～x关系式计算出固定间距最佳天线间距时的t_AW和t_GW；土壤介电常数的计算：将参数代入公式得土壤的介电常数其中地波速率v、地波走时t_GW、空气波走时t_AW、天线间距x、c为电磁波在真空中的速度0.3m·ns^-1；土壤含水量的计算：将计算得到的土壤介电常数ε代入θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³，得土壤含水量。

共中点法确定空气波和地波走时的具体步骤为：测线长选择15m至20m，发射和接收天线的起始位置在测线中点南北各10cm处，起始间距20cm，采集步长20cm，即两个天线每次各沿测线向外移动10cm。

有益效果：方法中采用相对低频电磁波较之高频电磁波具有穿透能力增加，探测深度大等特点，研究层次较深和湿度高的土壤剖面的含水量具有优势。该方法将共中点法与固定间距法相结合来测定土壤含水量，省时省力；适用于农田和小流域的方便、快捷、准确、无破坏性的土壤含水量测定，并通过多条测线测定可以获得土壤剖面连续的含水量变化情况，即土壤含水量的三维分布情况，是对定点测定仪器的补充和扩展。另外，通过实验证明，在不同的含水量水平下，该方法都可以得到较为准确的测定结果。

四、附图说明

图1天线间距-电磁波走时图；

图2为砂质土壤初始(A)和灌水处理(B)的固定间距法测定图像(x＝1m)；其中图2-A为试验初始(未灌水)状态的土壤含水量基本一致，其探地雷达图像为水平直线；图2-B为灌水后，从测线5m处起，灌水区域由于含水量增大导致介电常数增大，从而导致地波的走时t_GW增大，探地雷达图像渐渐下凹。

五、具体实施方式

实施例1：

1、试验仪器

经过试验，50MHz的天线由于频率太低，不能检测到雷达地波信号，所以本方法采用天线频率为100MHz。试验采用瑞典Mala GeoScience公司生产的RAMAC/GPR CUII通用主机系统采集数据，主要部件包括：两对频率分别为100MHz的非屏蔽接收和发射天线(通过光缆连接到主机)、100MHz的屏蔽天线、主机、电脑、光缆和其他配件。采集软件为RAMACGroundvision，图像滤波处理采用REFLEXW软件。

2、试验步骤

(1)通过共中点法采集探地雷达数据，以确定空气波和地波走时。即发射天线和接收天线按固定步长沿着测线向相反方向对称地移动，保持一个共中心点，其雷达记录为天线间距与雷达波的走时关系。测线长选择15m至20m，发射和接收天线的起始位置在测线中点南北各10cm处，起始间距20cm，采集步长20cm，即两个天线每次各沿测线向外移动10cm。

(2)以固定间距法采集土壤剖面的雷达波信息。固定间距法即保持探地雷达发射天线和接收天线的间距不变，按固定步长沿着测线方向同时移动的获取雷达图像的测定方法，其雷达图像记录为测线与雷达波走时关系。此处我们可以采用MALA公司的屏蔽天线(发射天线和接收天线间距为1m)，可以方便地获取测线处的雷达信息。采用固定间距法以20cm步长探测整条测线。

(3)探地雷达图像处理与解译。

原始的雷达图像需经过处理才能进行图像的判读、解译及目标体识别，从而获得更精确的目标信息。采用Reflexw4.0软件进行预处理，基本步骤为：①去直流漂移；②静校正；③增益；④抽取平均道；⑤巴特沃斯带通滤波；⑥滑动平均。

(4)土壤含水量的计算

雷达波在土壤中的传播速度主要由土壤的相对磁导率和介电常数决定，由于在大多数土壤(低盐)的相对磁导率近似为1，地波速率主要受土壤的介电常数控制，通过空气波和地波的走时差可以计算出地波的速度v，从而得到土壤的介电常数：

$ϵ={\left(\frac{c}{v}\right)}^2={\left(\frac{c(t_{\mathrm{GW}}-t_{\mathrm{AW}})+x}{x}\right)}^2---\left(1\right)$

公式(1)中，c为电磁波在真空中的速度(0.3m·ns-1)。地波走时t_GW、空气波走时t_AW、天线间距x可通过REFLEXW4.0软件读取。

本研究中首先采用共中点法获得探地雷达图像，获取能清晰分离出空气波和地波的不同天线间距(x)对应的空气波走时(t_AW)和地波走时(t_GW)，回归获取t_AW～x和t_GW～x关系式。再根据t_AW～x和t_GW～x关系式计算出屏蔽天线最佳间距时的t_AW和t_GW，然后，反推得出土壤的介电常数。土壤的介电常数和含水量紧密相关，证实可以通过测定土壤介电常数，再利用θ～ε关系式精确地计算土壤体积含水量。并提出了如下的经验关系式：

θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³    (2)

由公式(1)、(2)，可得土壤含水量。

3、该方法测定土壤含水量精度

为验证探地雷达对土壤含水量的预测结果，在黄淮海平原豫北封丘地区进行验证，该地区土壤多为在黄河沉积物上发育的潮土。试砂质土壤层厚1.5m以上，粘粒含量4.59％，粉粒含量1.69％，砂粒含量93.72％，地表无植被覆盖。砂壤土层厚1m以上，粘粒含量12.96％，粉粒含量10.17％，砂粒含量75.75％，地表1-2cm处有少量植被覆盖。试验中在测线一侧1m处开挖长1.5m、深1.5m的剖面，在剖面上选择距地表10cm、40cm、70cm、100cm和130cm5个深度，在每个深度上随机选取5个点用TDR100便携式土壤水分测定仪测定土壤含水量。

共中点法-固定间距法测定砂质土壤含水量

首先采用共中点法获得探地雷达图像，获取几个能清晰分离出空气波和地波的不同天线间距对应的地波和空气波走时，如图3所示。共中点法测定雷达图像中地波和空气波均为天线间距x和走时t的线性关系，回归获取t_AW～x和t_GW～x关系式。

t_AW＝3.71*x+0.60，R²＝0.997    (3)

t_GW＝6.97*x+1.70，R²＝0.996    (4)

根据(3)式，当天线间距x＝1m时，空气波走时t_AW＝4.31ns。

在测线5-9m处布置灌水区域后，采用固定间距法探测整条测线，天线间距设置为1m。试验初始(未灌水)状态的土壤含水量基本一致，其探地雷达图像为水平直线，探地雷达图像如图4(左)所示。灌水后，从测线5m处起，灌水区域由于含水量增大导致介电常数增大，从而导致地波走时t_GW增大，探地雷达图像渐渐下凹，如图4(右)，随着发射天线和接收天线都进入灌水区域，双程走时逐渐稳定。由于空气波走时t_AW不受土壤含水量变化的影响而保持不变，因此根据固定的天线间距x与空气波走时t_AW，并采用REFLEXW软件读取灌水区域相应的地波走时t_GW，由公式(1)、(2)计算出土壤含水量。

表1共中点-固定间距法测定灌水前后砂质土壤含水量

表1为共中点法-固定间距法测定的灌水前后砂质土壤含水量。由表1可以看出，未灌水条件下，共中点法-固定间距法测得砂质土壤剖面平均含水量在天线间距1m时为6.5％，TDR测得0-50cm深度处砂质土壤剖面平均含水量为6.3％。因此在未灌水条件下，共中点法-固定间距法的测值与TDR测值相比，绝对误差分别为0.2％。灌水条件下，共中点法-固定间距法测得砂质土壤剖面平均含水量在天线间距1m时为20.2％，TDR测得0-50cm深度处的砂质土壤剖面平均含水量为19.7％。因此在灌水条件下，共中点法-固定间距法的测值与TDR测值相比，绝对误差分别为0.5％。

结果表明，在不同的含水量条件下，共中点法-固定间距法测得含水量结果都较为精确，可以用于砂质土壤的含水量监测。

通过获取共中点法图像中能清晰分离出空气波和地波的不同天线间距对应的t_AW和t_GW，回归获取t_AW～x和t_GW～x关系式，再计算出屏蔽天线间距1m时的t_AW和t_GW，兼顾了固定间距法和共中点法法的最佳天线间距，与直接由共中点法最佳天线间距3m进行的固定间距法测量相比，结果更精确。值得一提的是，目前对于探地雷达探测深度的精确确定仍然是一个难题，还需要展开大量的基础性研究工作。

4、该方法的应用

1、本方法适于测定砂质土壤含水量，而对于其他质地土壤由于雷达波衰减严重，测定结果尚需改进；

2、适于质地较均一的土壤；

3、可以用于土壤剖面的土壤含水量监测；

4、可以用于研究土壤含水量的空间变异情况。

实施例2：

基于低频探地雷达地波法的测定砂质土壤含水量的方法，测定步骤为：通过共中点法采集探地雷达数据，以确定空气波和地波走时：发射天线和接收天线按固定步长沿着测线向相反方向对称地移动，保持一个共中心点，其雷达记录为天线间距与雷达波的走时关系，获取能清晰分离出空气波和地波的不同天线间距x对应的空气波走时t_AW和地波走时t_GW，回归获取t_AW～x和t_GW～x关系式；以固定间距法采集土壤剖面的雷达波信息：保持探地雷达发射天线和接收天线的间距不变，按固定步长沿着测线方向同时移动的获取雷达图像的测定方法，其雷达图像记录为测线与雷达波走时关系，根据t_AW～x和t_GW～x关系式计算出固定间距最佳天线间距时的t_AW和t_GW；土壤介电常数的计算：将参数代入公式得土壤的介电常数其中地波速率v、地波走时t_GW、空气波走时t_AW、天线间距x、c为电磁波在真空中的速度0.3m·ns^-1；土壤含水量的计算：将计算得到的土壤介电常数ε代入θ＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³，得土壤含水量。其中，上述共中点法确定空气波和地波走时的具体步骤为：测线长选择15m至20m，发射和接收天线的起始位置在测线中点南北各10cm处，起始间距20cm，采集步长20cm，即两个天线每次各沿测线向外移动10cm。