估測(cè)平均土壤含水量的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種估測(cè)平均土壤含水量的方法。所述方法包括如下步驟：利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式獲取粗根反射數(shù)據(jù)；利用基于RHT的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法從粗根雙曲線信號(hào)中提取平均波速；將所得到的平均波速轉(zhuǎn)化為土壤含水量。該方法首次將植物根系作為反射體估測(cè)平均土壤含水量，實(shí)現(xiàn)了在未知粗根深度信息的情況下，準(zhǔn)確獲取平均波速。這為快速、無(wú)損獲取土壤含水量水平分布情況提供了一種行之有效的方法，對(duì)研究植物根系與土壤之間相互作用關(guān)系具有重要意義。

Method for estimating average soil water content and interlayer soil moisture content

The present invention provides a method for estimating average soil water content and interlayer soil moisture content. The method includes four steps: (1) to obtain coarse root reflection data using the fixed antenna interval of GPR measurement; (2) using RHT automatic identification algorithm to extract the hyperbolic mean velocity from the coarse root signal based on hyperbola; (3) based on the step (2) to obtain the average wave velocity calculation layer between the wave velocity; (4) the average velocity will be obtained and the interlayer velocity into soil moisture. The method for the first time as a reflector root estimate of soil moisture, the unknown coarse root depth information of the case, to accurately obtain the average wave velocity and layer velocity. It provides an effective method for rapid and nondestructive measurement of soil water content, horizontal distribution and vertical change. It is of great significance to study the interaction between plant roots and soil.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
估測(cè)平均土壤含水量和層間土壤含水量的方法
本專利技術(shù)涉及探地雷達(dá)圖像的處理方法，特別是利用基于RHT的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法，在雷達(dá)圖像上自動(dòng)識(shí)別雙曲線并獲取平均波速的過(guò)程，屬于圖像處理領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
土壤含水量(soilwatercontent，SWC)是土壤的重要屬性之一，是理解自然生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性形成的關(guān)鍵變量。土壤含水量也是水循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它通過(guò)控制著地面與大氣之間能量、水的交換，影響土壤水滲透，滲流以及再分配等水文過(guò)程。另外，在農(nóng)業(yè)的精細(xì)化管理，高速公路維護(hù)以及大氣水文模式研究中，土壤含水量都是一個(gè)關(guān)鍵因子。由于土壤含水量具有較高的時(shí)間變化和空間變異的特點(diǎn)，對(duì)其在中尺度上快速、無(wú)損、準(zhǔn)確測(cè)量一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。探地雷達(dá)作為一種無(wú)損的地球物理探測(cè)工具，在過(guò)去的二十年已經(jīng)被證明有能力在中尺度上獲取土壤含水量的分布。目前，經(jīng)常被使用的方法主要有兩種：(1)基于雷達(dá)地面波分析的地面波法；(2)基于雷達(dá)反射波分析的反射波法。雷達(dá)地面波是傳播在雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線之間土壤表層的電磁波，能夠反映土壤表層土壤含水量信息。在實(shí)地測(cè)量應(yīng)用中，地面波法是目前最被廣泛使用的方法之一。然而，地面波法能夠獲取的土壤含水量深度有限，尤其對(duì)于地面波影響深度的定義目前還沒(méi)有統(tǒng)一，參見(jiàn)GalagedaraL.W.,ParkinG.W.,RedmanJ.D.etal.FieldstudiesoftheGPRgroundwavemethodforestimatingsoilwatercontentduringirrigationanddrainage[J].JHYDROL.2005,301(1-4):182-197.(《灌溉和排水過(guò)程中利用GPR地面波方法估測(cè)土壤含水量的實(shí)地研究》，GalagedaraL.W.等，JournalofHydrology雜志，2005年)，這不利于地面波法所獲取的土壤含水量數(shù)據(jù)被進(jìn)一步推廣使用。另外，地面波易受雜波干擾，在雷達(dá)圖像中不容易識(shí)別，這也限制了該方法的測(cè)量精度和使用范圍。相比而言，反射波法操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，能夠根據(jù)反射體位置獲取不同深度范圍(這里指反射體與地表面之間)的平均土壤含水量，許多研究已經(jīng)證明了反射波法在實(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)土壤含水量變化的能力。反射波法能夠被利用反演土壤含水量主要是基于雷達(dá)反射波波速在土壤中對(duì)土壤水分非常敏感這一特點(diǎn)。因?yàn)橥寥酪话惚徽J(rèn)為是由水、空氣和固相組成的三相混合物，在非飽和土壤中，水的介電常數(shù)為80，土壤固相介電常數(shù)為3～10，空氣介電常數(shù)為1。所以水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土壤其它屬相介電常數(shù)，土壤含水量也就決定了土壤的介電常數(shù)大小，參見(jiàn)HuismanJ.A.,HubbardS.S.,RedmanJ.D.etal.Measuringsoilwatercontentwithgroundpenetratingradar[J].VADOSEZONEJ.2003,2(4):476-491.(《探地雷達(dá)測(cè)量土壤含水量》，HuismanJ.A.等，VADOSEZONE雜志，2003年)。在土壤介質(zhì)中，雷達(dá)波速v與土壤介電常數(shù)ε近似存在關(guān)系：這里c代表電磁波在真空中的傳播速度(3×108m·s-1)，參見(jiàn)DavisJ.L.,AnnanA.P..Groundpenetratingradarforhigh-resolutionmappingofsoilandrockstratigraphy.GeophysicalProspecting[J].GeophysicalProspecting,1989,37(5):531-551(《探地雷達(dá)用于土壤和巖石地層的高分辨率測(cè)繪》，DavisJ.L.，地球物理勘探雜志，1989年)。因此，如果已知雷達(dá)反射波波速，就可以根據(jù)上述公式計(jì)算出土壤介電常數(shù)，然后通過(guò)建立土壤介電常數(shù)與含水量之間的關(guān)系，最終得到土壤含水量。目前，有許多經(jīng)驗(yàn)性的土壤介電常數(shù)與含水量關(guān)系可以被直接用來(lái)計(jì)算土壤含水量，正如使用最廣的Topp公式，參見(jiàn)ToppG.C.,DavisJ.L.,AnnanA.P.Electromagneticdeterminationofsoilwatercontent:measurementsincoaxialtransmissionlines[J].WATERRESOURRES.1980,16(3):574-582(《土壤含水量的電磁測(cè)定：同軸傳輸線的測(cè)量》，ToppG.C.等，水資源研究雜志，1980年)：θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3為了計(jì)算探地雷達(dá)反射波波速，首先需要獲取反射波信號(hào)數(shù)據(jù)。目前，反射波信號(hào)可以通過(guò)固定天線間隔(FO，fixed-offset)和共中心點(diǎn)(CMP，commonmid-point)兩種測(cè)量方式獲取。其中，CMP測(cè)量是以側(cè)線上某一點(diǎn)為中心，按照一定間隔依次增大發(fā)射天線和接收天線之間的距離來(lái)獲取反射波數(shù)據(jù)，這種測(cè)量方式要求接收天線和發(fā)射天線可分離的雷達(dá)系統(tǒng)，且測(cè)量耗時(shí)、數(shù)據(jù)時(shí)間和空間分辨率比較低；FO測(cè)量是以固定的天線間距，沿側(cè)線拖動(dòng)雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)，該測(cè)量方式方便快捷，具有較好的時(shí)間分辨率和空間分辨率，容易通過(guò)汽車(chē)等移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行大范圍獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)，非常適合中尺度土壤含水量測(cè)量，并且，Huisman等(《探地雷達(dá)測(cè)量土壤含水量》，HuismanJ.A.等，VADOSEZONE雜志，2003年)認(rèn)為使用FO測(cè)量的反射波法(后面簡(jiǎn)稱為FO反射波法)，將有潛力在土壤異質(zhì)性強(qiáng)的實(shí)地條件下獲取土壤含水量的空間變化。但是，使用FO反射波法的首要條件是選擇合適的反射體，并且反射體的深度信息通常是快速計(jì)算平均波速的必要條件，這限制了該方法的推廣使用。就目前研究而言，土壤中連續(xù)的反射界面(如巖性轉(zhuǎn)換界面、潛水面)，或者被埋藏的人造反射體(如管線、鋁板)都可以作為反射體來(lái)估計(jì)平均土壤含水量。反射體的深度可以通過(guò)土鉆、已知的土壤剖面信息或埋藏反射體時(shí)提前測(cè)量獲得，但這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，會(huì)破壞測(cè)量點(diǎn)且僅能提供有限的深度和空間范圍的信息，這不利于在中尺度上快速、重復(fù)地測(cè)量土壤含水量。另外，目前反射波法所獲取的土壤含水量代表的是地面與反射體之間的平均含水量，對(duì)于反射體以上不同土壤層的含水量變化，還不能進(jìn)行有效估計(jì)。因此，為了能夠無(wú)損、快速和重復(fù)獲取平均土壤含水量和土壤層間土壤含水量信息，有必要選擇合適的反射體，以及克服需要提前已知反射體深度信息才可以計(jì)算平均波速這一局限。近二十年，探地雷達(dá)已經(jīng)在實(shí)地成功用于植物粗根的無(wú)損測(cè)量，主要包括植物根系形態(tài)繪圖，根系三維結(jié)構(gòu)恢復(fù)，以及根莖和生物量等參數(shù)的定量估計(jì)。這些研究充分證明探地雷達(dá)可以有效探測(cè)不同深度的粗根。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為此本專利技術(shù)提供了一種利用探地雷達(dá)粗根反射估測(cè)平均土壤含水量和層間土壤含水量的方法，該方法可以解決前面所提到的問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，本專利技術(shù)提供的估測(cè)平均土壤含水量和層間土壤含水量方法，首先提出使用植物粗根作為反射體估測(cè)土壤含水量，其理由主要有四點(diǎn)：(1)不同深度的粗根可以被探地雷達(dá)所探測(cè)，且信號(hào)在雷達(dá)圖像中可以識(shí)別；(2)植物不同深度的側(cè)根一般以輻射狀的方式分布在植株的周?chē)?，這一生物特點(diǎn)有助于估計(jì)土壤層間土壤含水量；(本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種估測(cè)平均土壤含水量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：步驟A，利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式獲取粗根反射數(shù)據(jù)；該步驟利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式對(duì)植物根系進(jìn)行測(cè)量，從而獲取粗根反射數(shù)據(jù)，雷達(dá)設(shè)備可為收發(fā)天線分置裝置，也可為收發(fā)天線一體的便攜式雷達(dá)；步驟B，利用基于RHT的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法從粗根雙曲線信號(hào)中提取平均波速；該步驟根據(jù)步驟A獲得的粗根反射雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用基于隨機(jī)Hough變換(Randomized?Hough?Transformation，RHT)的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法，在雷達(dá)圖像上自動(dòng)識(shí)別雙曲線，建立雙曲線方程，進(jìn)而求解出雷達(dá)電磁波在土壤中的平均波速等參數(shù)，所述雙曲線方程形式為：

【技術(shù)特征摘要】
1.一種估測(cè)平均土壤含水量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：步驟A，利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式獲取粗根反射數(shù)據(jù)；該步驟利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式對(duì)植物根系進(jìn)行測(cè)量，從而獲取粗根反射數(shù)據(jù)，雷達(dá)設(shè)備可為收發(fā)天線分置裝置，也可為收發(fā)天線一體的便攜式雷達(dá)；步驟B，利用基于RHT的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法從粗根雙曲線信號(hào)中提取平均波速；該步驟根據(jù)步驟A獲得的粗根反射雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用基于隨機(jī)Hough變換(RandomizedHoughTransformation，RHT)的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法，在雷達(dá)圖像上自動(dòng)識(shí)別雙曲線，建立雙曲線方程，進(jìn)而求解出雷達(dá)電磁波在土壤中的平均波速等參數(shù)，所述雙曲線方程形式為：其中x表示雷達(dá)測(cè)量位置與粗根之間的水平距離，d表示粗根的深度，tw表示雷達(dá)測(cè)量位置所接收到的信號(hào)的雙程走時(shí)，vsoil表示雷達(dá)電磁波在粗根以上土壤中的平均波速，即地表面和粗根之間的平均速度；步驟D，將所得到的平均波速轉(zhuǎn)化為平均土壤含水量；該步驟根據(jù)步驟B獲得的平均波速，利用波速與介電常數(shù)之間的關(guān)系和介電常數(shù)與土壤含水量的關(guān)系，得到平均土壤含水量，其中，波速v與介電常數(shù)ε之間的關(guān)系如下：其中，c代表電磁波在真空中的傳播速度，值為3×108m·s-1；v為平均波速或?qū)娱g波速；ε代表土壤介電常數(shù)；然后，利用介電常數(shù)ε與土壤含水量θ的關(guān)系(Topp公式)，計(jì)算得到平均土壤含水量：θ＝-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3。2.一種估測(cè)層間土壤含水量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：步驟A，利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式獲取粗根反射數(shù)據(jù)；該步驟利用固定收發(fā)天線間隔的探地雷達(dá)測(cè)量方式對(duì)植物根系進(jìn)行測(cè)量，從而獲取粗根反射數(shù)據(jù)，雷達(dá)設(shè)備可為收發(fā)天線分置裝置，也可為收發(fā)天線一體的便攜式雷達(dá)；步驟B，利用基于RHT的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法從粗根雙曲線信號(hào)中提取平均波速；該步驟根據(jù)步驟A獲得的粗根反射雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用基于隨機(jī)Hough變換(RandomizedHoughTransformation，RHT)的雙曲線自動(dòng)識(shí)別算法，在雷達(dá)圖像上自動(dòng)識(shí)別雙曲線，建立雙曲線方程，進(jìn)而求解出雷達(dá)電磁波在土壤中的平均波速等參數(shù)，所述雙曲線方程形式為：其中x表示雷達(dá)測(cè)量位置與粗根之間的水平距離，d表示粗根的深度，tw表示雷達(dá)測(cè)量位置所接收到的信號(hào)的雙程走時(shí)，vsoil表示雷達(dá)電磁波在粗根以上土壤中的平均波速，即地表面和粗根之間的平均速度；步驟C，基于步驟B獲取的平均波速計(jì)算層間波速；該步驟針對(duì)深度不同的相鄰兩粗根，根據(jù)步驟B得到兩粗根以上的平均波速和對(duì)應(yīng)深度的信號(hào)雙程走時(shí)，計(jì)算得到兩根之間的層間波速，層間波速計(jì)算公式如下：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：崔喜紅，劉新波，陳晉，陳學(xué)泓，曹鑫，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11