基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，包括如下步驟：步驟一、使用探地雷達對土壤進行探測，獲取探地雷達回波相關(guān)系數(shù)ρts；步驟二、使用公式計算土壤電導(dǎo)率σ，其中，ai(i＝1,2,…,n)分別為i階系數(shù)。本發(fā)明通過在鹽堿地選擇不同類型的典型樣地進行雷達回波探測，并將雷達回波與雷達發(fā)射機的發(fā)射子波進行相關(guān)運算，得到相關(guān)系數(shù)。然后，根據(jù)樣點的實測電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān)系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，得到電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān)系數(shù)關(guān)系，當(dāng)根據(jù)待測鹽堿地的雷達回波計算出相關(guān)系數(shù)后，就可以反演出探測點的鹽堿土電導(dǎo)率。因此，本方法可快速的測量出探測點的電導(dǎo)率，進而分析出鹽堿程度，具有較高的準(zhǔn)確性。
【專利說明】
基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國一些地區(qū)的鹽堿化與沙化范圍擴大速度正在加快，已引起各界人士的 關(guān)注。某鹽堿地改良需要得到鹽堿地的鹽漬化程度信息，目前一般是通過測量鹽堿土電導(dǎo) 率實現(xiàn)。鹽堿地含鹽量高，在水的溶解作用下，溶解鹽離子會提高鹽堿土的導(dǎo)電能力，因此 鹽堿土的電導(dǎo)率比一般土壤大很多。地質(zhì)雷達具有解決鹽堿土分布狀態(tài)和分布厚度的能 力，可通過地質(zhì)雷達來了解鹽堿土壤的含鹽量、PH值、有機物含量、含水量等信息。
[0003] 中國專利申請?zhí)?00910089204.6公開了一種土壤鹽堿化的雷達遙感監(jiān)測方法，基 于全極化SAR書記計算極化參數(shù)，進行裸地與植被覆蓋區(qū)域的劃分，生成掩膜圖像，劃定試 驗區(qū)，利用測量數(shù)據(jù)建立含水含鹽土壤介電模型，利用區(qū)域復(fù)介電常數(shù)和區(qū)域含水量，進行 鹽土和堿土的區(qū)分。上述方法雖然能夠獲取土壤的含鹽量，但過程復(fù)雜，準(zhǔn)確性差。因此，需 要提供一種能夠快速、準(zhǔn)確的測量出土壤含鹽量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，目的是通過雷達 回波相關(guān)系數(shù)反演出探測點的鹽堿土電導(dǎo)率，以得到土壤鹽堿化程度。
[0005] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0006] 基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、使用探地雷達對土壤進行探測，獲取探地雷達回波相關(guān)系數(shù)pts;
[0008] 步驟二、計算土壤電導(dǎo)率〇
[0009] 〇- = a0： + ￡t,pts + a2p^+ -- + aipl+-^ + anp^,
[0010] 其中，ai(i = l，2,…，n)分別為i階系數(shù)。
[0011] 優(yōu)選的是，步驟二中，n = 3。
[0012] 優(yōu)選的是，至少采集四個試驗點，分別測量導(dǎo)電率0(1)，〇(2)，…，〇(n)，并獲取相 應(yīng)的試驗點的雷達回波相關(guān)系數(shù)Pt s(l)，Pts(2)，…，Pts(n)，代入方程
[0013] a(i) = a{) + a, pts (/) + a2pl (i) + (/), / = 1,2, ? ? ?,
[0014] 獲得 a〇、ai、a2、a3l^t^。
[0015] 優(yōu)選的是，米用最小二乘法計算a〇、ai、a2、a3l^t^。
[0016]優(yōu)選的是，使用土壤水分溫度電導(dǎo)率測試儀測量試驗點土壤的電導(dǎo)率。
[0017]本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方 法，通過在鹽堿地選擇不同類型的典型樣地進行雷達回波探測，并將雷達回波與雷達發(fā)射 機的發(fā)射子波進行相關(guān)運算，得到相關(guān)系數(shù)。然后，根據(jù)樣點的實測電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān) 系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，得到電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān)系數(shù)的擬合曲線，并求得以回波相關(guān)系數(shù)作 為自變量的電導(dǎo)率計算公式。得到先驗公式以后，當(dāng)根據(jù)待測鹽堿地的雷達回波計算出相 關(guān)系數(shù)后，就可以反演出探測點的鹽堿土電導(dǎo)率。因此，本方法可快速的測量出探測點的電 導(dǎo)率，進而分析出鹽堿程度，具有較高的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0018] 圖1為初始相位不同的同頻正弦波相關(guān)系數(shù)曲線。
[0019] 圖2為低電導(dǎo)率土壤介質(zhì)回波波形圖。
[0020] 圖3為高電導(dǎo)率土壤介質(zhì)回波波形圖。
[0021 ]圖4為反射系數(shù)曲線示意圖。
[0022]圖5為介電常數(shù)虛部與回波相關(guān)系數(shù)關(guān)系曲線。
[0023] 圖6為測線1俯視圖。
[0024] 圖7為測線1雷達回波相關(guān)系數(shù)與電導(dǎo)率的關(guān)系示意圖。
[0025] 圖8為測線2俯視圖。
[0026] 圖9為測線2雷達回波相關(guān)系數(shù)與電導(dǎo)率的關(guān)系示意圖。
[0027] 圖10為測線1，2雷達回波相關(guān)系數(shù)與電導(dǎo)率關(guān)系散點圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文 字能夠據(jù)以實施。
[0029] 本發(fā)明提供了一種基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，分析雷達回波相關(guān)系 數(shù)與導(dǎo)電率的對應(yīng)關(guān)系，通過獲取回波相關(guān)系數(shù)得到探測點的鹽堿土電導(dǎo)率。
[0030]考慮一個周期時間窗的某一頻率信號W1表不為：
[0031] wi = Ai cos( ? it)
[0032] 令一同頻率信號W2表不為：
[0033] W, - Az C〇s(〇\t -j-<3,)
[0034] 如圖1所示，當(dāng)物取值從0~2jt變化時，奶與《2的相關(guān)系數(shù)是相位差灼的余弦函數(shù)， 即相關(guān)系數(shù)可以用來衡量波形之間的相位差異。
[0035]鹽堿土的高損耗主要是由于土壤中溶解鹽離子濃度較高所導(dǎo)致的電導(dǎo)率升高，從 而使土壤的介電常數(shù)虛部增大，當(dāng)介電常數(shù)虛部與實部相比不能忽略時，土壤介質(zhì)的波阻 抗變成復(fù)數(shù)，進而土壤界面的反射系數(shù)r也變?yōu)閺?fù)數(shù)，復(fù)反射系數(shù)會造成回波的相位偏移 (這與低損耗介質(zhì)回波的無相位偏移有本質(zhì)的不同），時域上體現(xiàn)為回波波形的畸變，如圖 2、圖3所示。
[0036] 考慮具有較高含水量與含鹽量的土壤介質(zhì)，由于電導(dǎo)率較高，介電常數(shù)虛部不能 忽略，令某一頻率fn下土壤介電常數(shù)為e n，相對介電常數(shù)為e?，電導(dǎo)率為〇,對由電導(dǎo)率表征 的有損介質(zhì)有介電常數(shù)表達式：
[0037] en=e/n-j5/〇n
[0038] 對一般損耗介質(zhì)(介電常數(shù)虛部不能由低頻電導(dǎo)率直接得到)作線性近似：
[0039] e//rn = ain8n+a〇n
[0040]其中aln，aQnS常數(shù)，aQn表征除電導(dǎo)率以外因素導(dǎo)致的介質(zhì)損耗，則有：
[0041 ] ￡n-￡rn ? ￡〇 -( ￡ rn-j ￡ rn) * ￡0 -( ￡ rn_ j (EllnSn+ElOn) ) ? ￡〇
[0042]其中e〇為真空介電常數(shù)，考慮實際高電導(dǎo)率土壤介電常數(shù)的實部與虛部：
[0043] e/rn>〇,e//rn>〇
[0044] 土壤介質(zhì)在頻率fVf的波阻抗為：
[0046]其中Zo為真空波阻抗，將Zn歸一化，可寫為：
[0049]考慮土壤介電常數(shù)實部與虛部的符號，可得：
[0052]高損耗介質(zhì)條件下電磁波穿透能力非常有限，假設(shè)地下無明顯反射體，則可忽略 土壤深層產(chǎn)生的反射波，而僅以土壤表層反射回波參與計算。令土壤表層在頻率fn的反射 系數(shù)rn:
[0054] 其中，Zo為空氣波阻抗377 Q )。
[0055] 雷達回波(不考慮深層反射)包括直達波與地表反射波，因此頻率為fn的雷達回波 幅度與相位可由一等效反射系數(shù)R n確定：
[0056] Rn = Adn+ r n= (Adn+ T nr)+j T ni
[0057]其中Adn為直達波系數(shù)(令雷達接收的直達波與發(fā)射子波相比僅在幅度上有衰減， 相位關(guān)系相同），圖4為加入直達波系數(shù)的雷達回波等效反射系數(shù)曲線，可以看到曲線上每 一反射系數(shù)點沿逆時針的方向變化時，相位的變化是非線性的。
[0058] 對每一反射系數(shù)的相位取余弦再取反，得到取反后的頻率fn雷達回波與發(fā)射子波 的相關(guān)系數(shù)(_Ptsn)，該回波相關(guān)系數(shù)與介電常數(shù)虛部的關(guān)系如圖5所示，介電常數(shù)虛部與回 波相關(guān)系數(shù)呈單調(diào)上升的非線性關(guān)系（該曲線可用3次多項式擬合），考慮之前的假設(shè)一一 介電常數(shù)虛部與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系：
[0059] e//rn = ain8n+a〇n (14)
[0060] 故可得電導(dǎo)率0與雷達回波相關(guān)系數(shù)-Ptsn呈與圖5中曲線形式相近的單調(diào)關(guān)系。
[0061] 進一步，由傅式變換可將雷達發(fā)射的脈沖信號表示為通頻帶內(nèi)各頻率分量的線性 組合：
[0062] sv,(m) = /L. co^{a\t + ) + A2 cos(&2f -f ^) -f < ? > -f coslf%/1 -f (pn)
[0063] 則雷達回波可表示為各頻率分量反射波的線性組合： + /'V>A cm(切y + 玖> + {，1,.、+ .廠、.M'、，十爐、）
[0064] …-' --' -4-.,. < (/I 4- / ^A.,. COS( J -f- 0.,)
[0065] 其中各頻率分量匕的回波相關(guān)系數(shù)ptsn與該頻率下介電常數(shù)虛部關(guān)系曲線都與圖 5類似，將整體的雷達回波與雷達子波的相關(guān)系數(shù)近似表示為各頻率分量相關(guān)系數(shù)的線性 組合：
[0066] Pts - Cl ? Ptsl+C2 ? Pts2+. ? ?+Cn ? Ptsn
[0067]則雷達回波與雷達發(fā)射子波的總相關(guān)系數(shù)Ptsn與電導(dǎo)率〇也呈近似圖5的非線性關(guān) 系。
[0068]令雷達發(fā)射子波為Wt(m)，高電導(dǎo)率土壤介質(zhì)回波為wsk(m)，取相關(guān)系數(shù)表征回波 的相位偏移：
[0070] 經(jīng)鹽堿地實驗發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)與介質(zhì)電導(dǎo)率有較好的對應(yīng)關(guān)系，令不同電導(dǎo)率土壤 的相關(guān)系數(shù)集合為{_Pts(l)，...，_Pt s(k)，...}(相關(guān)系數(shù)取反來獲得與電導(dǎo)率一致的對應(yīng) 關(guān)系），對應(yīng)的實測土壤電導(dǎo)率集合為{>(1)，...， 〇(k)，...}，令
[0071] f .,v ........ i <>{? ) ：= i?,. -f a, {-p:. (k)) + a,(~p,s (k)}" -f a. (-pL, {k}}5 *
[0072] 解超定方程得到系數(shù)ao~a3的估計值，則可以根據(jù)雷達回波的相關(guān)系數(shù)pts(k)反 演土壤電導(dǎo)率〇(k)。
[0073]首先使用探地雷達對土壤進行探測，獲取至少四個試驗點處的探地雷達回波相關(guān) 系數(shù)Pts(l)，Pts(2)，…，pts(m)，并使用土壤水分溫度電導(dǎo)率測試儀測量對應(yīng)的試驗點處的 電導(dǎo)率 〇(1)，〇(2)，…，〇(m)。其中m為大于或等于四的整數(shù)。
[0074] 然后將相關(guān)系數(shù)Pts(l)，Pts(2)，???，pts(m)和電導(dǎo)率〇(1)，〇(2)，???，〇(m)帶入到下 式中
[0075] 〇-(/) = a{) + a,prs (i) -f a2pfs (/) + a^pl (/), i = 1,2,*??,m
[0076 ]使用最小二乘法計算ao、ai、a2、a3的解。
[0077]最終獲得了相關(guān)系數(shù)與電導(dǎo)率的對應(yīng)關(guān)系：
[0078] a = au + ci\Pts + qpl + a7>pi。
[0079] 利用上式，只需使用探地雷達對土壤進行探測，獲取其中一個探測點的相關(guān)系數(shù) 后即可得到該探測點的電導(dǎo)率。通過電導(dǎo)率即可分析出該處土壤的鹽堿程度。
[0080] 例如在每一次在探地雷達實驗中，選取具有代表性的兩條測線說明雷達回波與樣 地水鹽特性之間的關(guān)系。
[0081] 如圖6所示，測線1樣地，測線長度90m，該樣地地表特征多樣，測線最左側(cè)是一片地 表開裂的干涸小水塘，由于地表開裂嚴(yán)重，初步估計在雨水淋溶與沖刷作用下，鹽分很大一 部分被水從裂縫處帶到深層的地下，因此淺表土層的含鹽量應(yīng)該較低;水塘右側(cè)經(jīng)過4米左 右的裸土地帶后，是一片寬度2米左右的有稀疏植被的條帶;條帶右側(cè)又是長度為20多米的 裸土地帶;再右側(cè)是寬度大約3米左右的具有細密植被的草地條帶;草地右側(cè)經(jīng)過另外一片 裸土后，是最右側(cè)的一片干涸的水塘，該水塘地表特征與最左側(cè)的水塘不同，地表無裂紋， 土壤疏松，與重度鹽堿地的致密土質(zhì)有很大不同，疏松的土壤在雨水淋溶滲透作用下，鹽分 上下輸送通暢，因此初步估計含鹽量也不高。
[0082] 根據(jù)雷達回波成像，可以清晰分辨干涸的水塘、裸土、稀疏植被、草地所在的區(qū)域 界限。在測線雷達經(jīng)過的每一點，使用WET土壤水分溫度電導(dǎo)率測試儀測量了土壤體積含水 量、介電常數(shù)實部與電導(dǎo)率。
[0083] 圖7為電導(dǎo)率曲線與雷達回波相關(guān)系數(shù)曲線對比圖，圖中可以看到兩條曲線的變 化趨勢高度契合，體現(xiàn)了雷達回波相位變化與鹽堿土電導(dǎo)率的相關(guān)關(guān)系。由于WET單點測量 范圍大約數(shù)平方厘米，探地雷達波束覆蓋范圍大約1平方米，2種測量手段的尺度不同，因此 造成了在地表介電特征急劇變化的位置，2者的趨勢雖然一致性好，但測量值絕對差異較 大，契合度相對較低。
[0084] 如圖8所示，測線2樣地，測線長度30m，該樣地最右側(cè)緊鄰一個較大的水塘，地勢從 草地右側(cè)開始呈明顯的左高右低（降水時，由于鹽堿土透水性差，右側(cè)地表的很大一部分積 水會流向右邊的水塘，同時沖刷沿途的地面，造成鹽度降低）?；跍y線1的先驗知識，根據(jù) 雷達回波成像結(jié)果，可初步分析測線15m以前（左側(cè)）電導(dǎo)率較高，15米以后（右側(cè)靠近水塘 的部分)電導(dǎo)率急劇降低，而含水量變化不大(雖然目測地表特征仍為典型的重度鹽堿地）。 [0085]圖9為WET電導(dǎo)率曲線與雷達回波相關(guān)系數(shù)曲線對比圖，與測線1的結(jié)果類似，WET 電導(dǎo)率曲線與雷達回波相關(guān)系數(shù)曲線趨勢的契合度仍然較好，電導(dǎo)率的變化趨勢結(jié)果與雷 達回波成像結(jié)果也大致吻合。
[0086] 圖10為測線1，2所有WET電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān)系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系散點圖，由研究方 案部分得到的電導(dǎo)率與雷達回波相關(guān)系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，這里采用3次多項式進行曲線擬合：
[0087] y = 9.084 ? x3+20.02 ? x2+19.84 ? x+8.81
[0088] 如圖10中曲線所示。利用該公式可在一定含水量條件下，根據(jù)雷達回波快速確定 當(dāng)前鹽堿土的電導(dǎo)率。
[0089] 盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列 運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地 實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限 于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項】
1. 基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一、使用探地雷達對土壤進行探測，獲取探地雷達回波相關(guān)系數(shù)pts; 步驟二、計算土壤電導(dǎo)率σ其中，ai(i = 1，2，…，η)分別為i階系數(shù)，η為階數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，其特征在于，步驟二 中，η = 3〇3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，其特征在于，至少采 集四個試驗點，分別測量導(dǎo)電率σ(1)，〇(2)，…， 〇(m)，并獲取相應(yīng)的試驗點的雷達回波相關(guān) 系數(shù)Pts(l)，Pts(2)，…，Pt s(m)，代入方程獲得ao、ai、a2、a3的解。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，其特征在于，采用最 小二乘法計算ao、ai、a2、a3的解。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于探地雷達的鹽堿地電導(dǎo)率測定方法，其特征在于，使用土 壤水分溫度電導(dǎo)率測試儀測量試驗點土壤的電導(dǎo)率。
【文檔編號】G01N33/24GK105928987SQ201610236199
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】吳斌, 趙凱, 李曉峰, 姜濤, 鄭興明, 李曉潔
【申請人】中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 吉林大學(xué)