一种基于地质雷达的植被根系三维无损探测方法

摘要

本发明公开了一种基于地质雷达的植被根系三维无损探测方法，网格化的植被根系探测利用地质雷达对植被根系进行扫描，获取植被根系的地质雷达电磁波数据；对地质雷达电磁波数据进行三方面的预处理：按照网格化的探测方式后，标记每条探测线的相对位置；从预处理后地质雷达电磁波中提取携带植被根系的特征信息，并将根系特征与电磁波特征数据进行关联分析，构建电磁波特征属性与实测的植被根系特征量之间关系，反演植被根系三维分布特征。通过不同位置上的根系切片以及切片之间的关系，实现植被根系三维可视化的方法；通过对一棵植物进行不同时期的根系探测，获取植被根系生长的生长过程与根系发育特征。

说明书

技术领域

本发明属于生态水文地质学中植被根系形态分布特征技术领域，特别是一种基于地质雷达的植被根系三维无损探测方法。

背景技术

在干旱半干旱地区,天然植被与地下水关系是生态水文地质学的重要研究内容之一。定量描述植被耗水和需水量，成为研究该区域的水资源评价重要指标。研究根系吸水机制、蒸散发的解析方法，植被根系的分布特征成为关键。

由于无法观测到植被根系在地下的分布情况，使其无法开展影响根系发育的制约因素。传统方法主要有土钻法、挖根法和土壤剖面法等，但这些方法不仅耗时费力，探测工作量大，而且破坏根系结构，也使得植被生长遭到破坏。地质雷达技术是一种用于地下目标体的无损探测技术，被广泛应用。鉴于传统方法的弊端，本发明采用地质雷达的无损探测技术，采用网格状探测方式，实现植被根系三维分布特征。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种植被根系的无损探测技术与方法，用于实现植被根系三维分布特征，主要以地质雷达探测为手段，构建地质雷达电磁波信号波与实测根系特征之间关系模型，反演植被根系的分布特征。

本发明采用以下主要技术方案：

网格化的植被根系探测

本发明提供四种网格化的探测方式：矩形网格两种和圆形网格两种；根据研究的目的，选择合适的网格化的探测方式，利用地质雷达对植被根系进行扫描，获取植被根系的地质雷达电磁波数据。

植被根系的分布形态的获取

主要对地质雷达电磁波数据进行三方面的预处理：首先对采集的地质雷达数据进行自动时变增益、电磁波的数字滤波和电磁波信号补偿等信号预处理；其次，利用基尔霍夫迁移获取单道电磁波地下水目标体的截面信息，截面信息主要包括根系的根系埋深、截面形态和截面尺寸，构建地质雷达电磁波信号衰减与根系特征之间关系；最后,利用希尔伯特变换获取连续探测的地质雷达数据，获取根系在探测线上的剖面根系信息。

植被根系的三维重构

按照网格化的探测方式后，标记每条探测线的相对位置；从预处理后地质雷达电磁波中提取携带植被根系的特征信息，并将根系特征与电磁波特征数据进行关联分析，构建电磁波特征属性与实测的植被根系特征量之间关系，反演植被根系三维分布特征。

实现植被根系三维分布特征，以地质雷达探测为手段，构建地质雷达电磁波信号波与实测根系特征之间关系模型，反演植被根系的分布特征。

所依据植被生长特征确定的网格化的植被根系探测，四种网格化的探测方式：矩形网格两种和圆形网格两种；根据研究的目的或者植被根系发育特征，选择合适的网格化的探测方式，利用地质雷达对植被根系进行扫描，获取植被根系的地质雷达电磁波数据。

植被根系的分布形态的获取方法，地质雷达电磁波数据获取植被根系特征参数的预处理方法，包括所述的对采集的地质雷达数据进行自动时变增益、电磁波的数字滤波和电磁波信号补偿等信号预处理。

植被根系的分布形态的获取方法，利用希尔伯特变换获取连续探测的地质雷达数据，获取根系在探测线上的剖面根系信息。

植被根系的分布形态的获取方法，利用基尔霍夫迁移获取单道电磁波地下水目标体的截面信息，截面信息主要包括根系的根系埋深、截面形态和截面尺寸，构建地质雷达电磁波信号衰减与根系特征之间关系；

植被根系的三维重构方法，包括构建电磁波特征属性与实测的植被根系特征量之间关系，反演植被根系三维分布特征。

本发明与现有方法的相比具有以下优点：

1、解决了植被根系分布无法准确测量的问题，并提出了一种快速、高效、准确探测植被根系分布的技术方法；

2、通过不同位置上的根系切片以及切片之间的关系，实现植被根系三维可视化的方法；

3、通过对一棵植物进行不同时期的根系探测，获取植被根系生长的生长过程与根系发育特征。

附图说明

图1地质雷达探测植被根系三维无损探测方法的步骤与流程

图2地质雷达探测植被根系分布形态的探测方式示意图

图3地质雷达探测植被根系分布示意图

其中：1、电磁波发射信号；2.电磁波接收信号；3.植被根系侧根；4.植被根系主根；5.地下水位；6.地质雷达天线；7；地质雷达接收天线；8.地质雷达发射天线；9.地质雷达探测方向；10.典型植被；11.地质雷达探测线；12.地质雷达主机连接线；13.地质雷达主机；14.地面；

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明的实施例提供了一种植被根系的三维探测方法，可用于植被根系吸水、植被根系生长模型的研究，通过本发明的实施能够将地质雷达电磁波携带的根系特征进行提取，实现植被根系的三维重构。

图1提供了地质雷达无损探测植被根系的流程和步骤：

S1：选择典型植被，如耐旱植物—沙柳，在沙漠中沙柳生在沙丘上和洼地中，其根系发育有明显的差异性，因此，探测沙柳根系对干旱半干旱地区植被吸水模型构建具有重要的意义。

S2：设计探测网格与网格定位，根据沙柳植被的生长特征，设计两种网格化的探测方式：1、设计3m×3m的正方形网格，将网格均匀布置20条测线，测线间距15cm；以正方形网格一个顶点为坐标原点，记录并标定每条测线的位置和坐标。2、设计3m×3m的正方形网格，按45°布置4条测线，以正方形网格一个顶点为坐标原点，记录并标定每条测线的位置和坐标。

S3：此次选择雷达天线为900MHz的地质雷达天线，有效探测深度1m。按设计的网格开展地质雷达扫描植被根系，记录地质雷达探测线与地质雷达文件号，为地质雷达电磁波数据的解译和植被根系的三维重构提供基础参数。

S4：地质雷达参数校正：地质雷达参数的校正十分重要，本发明提供两种参数校正方法：1)当植被所在区域地下水埋深较浅的时候，利用地下水位校正地质雷达的介电常数和天线配置参数；2)当植被所在区域地下水埋深较深时，在植被旁边挖一个90cm的探坑，在探坑一侧底部防止钢板，利用地质雷达探测钢板的位置校正地质雷达参数；地质雷达参数校正后，可以开展植被根系探测；

为了获取完整的植被根系的电磁波数据后需要对数据进行预处理：主要包括基尔霍夫变换S5、希尔伯特变换S6和图像处理与滤波S7；

地质雷达电磁波数据进行预处理，得到预处理后的地质雷达电磁波数据，包括：地质雷达电磁波双曲线图像进行去噪处理；对去噪处理后的所述雷达波双曲线图像进行图像锐化；地质雷达电磁波信号进行自动时变增益，得到补偿后的雷达波信号；

对经过空间校正后的电磁波谱进行滤波处理，然后进行数值信息和图像信息的双模式处理：即对单道电磁波谱的数值信息进行基尔霍夫迁移处理，获取地下未知物体的截面信息；对多道电磁波谱组成的电磁波谱图像进行希尔伯特变换，获取地下未知物体的截面信息。

首先对电磁波谱信号进行希尔伯特变换，获得地下探测的可能区域。然后根据对可能区域进行进一步的处理与性质判断，同时利用基尔霍夫迁移对电磁波谱图像进行处理，获取植物根系截面的图像；将利用基尔霍夫迁移处理过的电磁波谱图像与希尔伯特变换处理过的电磁图像进行对比，若某一区域同时为不同方法处理后都可以获取植物根系截面，则选定该区域。

S8：判断地下未知体是否为植被根系

利用电磁波谱在不同介质中传播速度不同，不同物质交接面之间形成的电磁波谱也并不相同的原理，判断获取的截面信息为植物根系截面或是非植物根系截面信息。最终获取植物根系在该地质雷达天线行进面上的截面。

S9:根据不同空间位置的植被根系位置，对整个植被根系进行三维重构

根据植物根系不同位置的截面进行三维重构，最终获取植物根系三维构型；

以上介绍了一种植物根系三维构型无损检测方法。涉及植物根系截面的视觉定位、植物根系电磁波谱的处理等。在研究植物根系固土护坡力学机制及其坡面稳定性评估、植物地下根系固碳、植物根系构型发展变化等方面具有较好的应用价值。本发明并不限定于以上实施例，也可以应用于多种地下探测物的无损检测，在市政工程、坡面稳定性探测、地下障碍物探测、古墓科考等方面都具有重要的使用价值与推广意义。

图2提供了地质雷达无损探测植被根系的探测方式：

为了研究植被根系发育特征，图2给出地质雷达探测植被根系网格化的类型及特征，本发明提供了四种网格化的探测方式，分别为矩形对角线网格化探测T1、矩形等距网格化探测T2、圆形经向网格化探测T3、同心圆网格化探测T4，每种探测网格化的特征如下：

矩形对角线网格化探测T1，在矩形网格内按照45°，布置4条测线，主要利用该网格探测植被根系的主要发育方向，分析影响根系发育的制约因素；

矩形等距网格化探测T2，在矩形网格内按照等距布置10—15条测线，主要利用该网格化探测根系主根和侧根的分布特征，分析根系在水平方向和垂直方向上的分布特征、形态特征、主根和侧根的比重；

圆形经向网格化探测T3，在圆形网格内按照30°，布置6条测线，主要利用该网格探测植被的主要发育方向，绘制根系发育的玫瑰花图，分析影响根系发育的制约因素；

同心圆网格化探测T4，在圆形网格内按照直径等间距，布置8-12条测线，主要利用该网格化探测根系距离根部不同，根系的发育特征，主要分析树冠范围内、范围外的变化特征。

图3利用地质雷达探测根系分布包括以下步骤：

1、地质雷达天线选择

地质雷达主要包括地质雷达主机13、地质雷达主机连接线12和不同频率的地质雷达天线6，地质雷达天线主要有发射天线8和接收天线两部分；根据植被根系的深度发育深度不同，选择不同频率的地质雷达天线：根系发育在20cm以内选择1.5GHz频率的地质雷达天线；根系发育深度在50cm左右，选择900MHz的地质雷达天线；根系发育深度在2米左右，选择400MHz的地质雷达天线；由于地质雷达探测深度越深，分辨率越低，不建议使用低于400MHz的地质雷达天线，建议采用不同频率天线进行组合探测，主根和侧根分布特征的探测可以采用400MHz和900MHz的地质雷达天线，对于地表毛根的探测采用选择1.5GHz频率的地质雷达天线。

1、典型植被选择与探测

根据研究的需要，选择典型植被10，向当地人仔细询问该植被的生长时间，测量植被的上部特征，主要包括树径、树冠、树高等；在以树根为中心布置地质雷达探测线11，沿着布置地质雷达探测方向9，进行探测，并在准确记录地质雷达探测线为位置。

2、地质雷达探测植被根系过程

在设计好的地质雷达探测上，将地质雷达主机13和选择好的地质雷达天线6用地质雷达连接线12连接好。打开主机开始探测，匀速的在地面14上拖动地质雷达天线；地质雷达天线6电磁波发射信号1，发射的电磁波遇到异质界面(主要有地下水位5、根系的侧根3和主根4)被反射，反射回的电磁波被接收天线接收，完成单道电磁波的探测。