一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法技术

本发明专利技术公开了一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法，属于计量土壤学技术领域，包括以下步骤：S1、选择设备与配置参数、S2、采集初步勘测数据、确定详细勘测布线方向、S4、确定详细勘测布线间距、S5、设计与实施详细勘测方案、S6、重构土体构型三维空间。本发明专利技术创新性地加入了初步勘测的步骤，通过少量先验信息获得土体构型空间变异性的主体性特征(方向和尺度)。基于此主体特征参数设置的详细勘测方案，使采样数据的空间分布与变异特征相适应，大大提高了采样点布局的合理性，一定程度上降低了土体构型三维空间重构对插值方法的依赖性。的依赖性。的依赖性。

【技术实现步骤摘要】
一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法


[0001]本专利技术属于计量土壤学
，具体涉及一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法。

技术介绍

[0002]土体构型是各土壤层次的有序排列，是单个或多个不同时期的成土过程组合的结果。由于土体构型对土壤水分、养分以及污染物等运移具有决定性的作用，掌握土体构型空间分布信息对在农业、环境等领域具有重要意义。在实际应用中，针对不同尺度的土体结构信息，其勘测方式和精度要求不同。在区域尺度测绘和调查中，土体结构的调查通常是地学统计性为主。通过在调查区代表性点位进行破坏型采样获取一系列剖面信息，采样数据经处理后可以结合卫星数据以及其他相关观测数据，利用数据融合等方法构建研究相关预测模型，从而绘制区域土体构型分布图。而田块尺度土体构型勘测通常是为了获取其空间分布的精准信息，从而为精准灌溉、养分或污染物运移等实际应用提供支撑。此类勘测目的通过传统的高密度破坏性采样和空间插值显然是不能实现，尤其是空间变异较大土体构型分布情况。近二十年兴起的地球物理方法如探地雷达(GPR)等无损勘测手段，为获得高精度土体构型空间分布信息获取提供了可能。但目前相关的应用较少，且在勘测方法缺乏可靠的手段。
[0003]探地雷达探测土体构型的基本原理为：通过探地雷达向地下发射电磁波，其在土层界面处产生反射后被雷达接收，然后利用电磁波的传播时间进行反演计算获得土体层次信息。其中相关反演计算方法已相对成熟，而土体构型空间分布整体勘测效率较低且不确定性较大。通常利用探地雷达勘测土体构型空间分布的主要流程包括平行布线覆盖待测田块采样和空间插值重构两部分。由于探地雷达在测线方向上空间分辨率可高达厘米级，但测线间分辨率多在米级以上。在实际勘测中由于缺少必要的土体构型空间分布信息，平行测线的间距选择通常取决于调查者主观判断。然而若平行布线过密则工作量太大，若过于稀疏则采样的空间代表性有限。这会导致土体构型空间分布勘测结果的不确定性较大。此外，不合适的勘测方案会导致空间采样的均衡性交叉，从而降低常规空间插值方法的精度。
[0004]通过上述分析可知，探地雷达勘测方案对土体构型空间分布信息获取至关重要。原则上，空间变异大的方向需要相对较高的采样密度，而空间采样的均衡性直接决定着空间重构的精度。若既能充分利用探地雷达测线方向上高密度采样优势，又能选择合适的平行测线间距，则可以确保探地雷达采样在空间上的均衡性。有鉴于此，在利用探地雷达获取田块尺度高精度土体构型信息的勘测方法上，仍有进一步改进的空间。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]提供一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法，包括以下步骤：
[0008]S1、选择设备与配置参数：根据待勘测田块的土壤类型、土体结构及测试环境确定探地雷达系统的设备配置，根据数据需求完成探地雷达基础参数配置；
[0009]S2、采集初步勘测数据：选择3～5条中心交叉的测线，将探地雷达系统沿各条中心交叉的测线方向平移，完成对待勘测田块的初步初勘测，得到初步土体构型信息；
[0010]S3、确定详细勘测布线方向：利用初步勘测数据获取每条测线的微起伏指数MRI，基于微起伏指数MRI得到各条初步勘测测线对应的粗糙度，选择其中粗糙度最大的测线对应的方向作为详细勘测的布线方向；
[0011]S4、确定详细勘测布线间距：提取初步勘测数据中垂直于详细勘测布线方向上的土体构型，提取土体构型变异特征，获得待勘测田块土体构型的主体变异尺度序列，选择其中符合勘测需求的最大变异尺度作为正式勘测的关注尺度，将该关注尺度的1/4作为详细勘测中平行测线的布线间距；
[0012]S5、设计与实施详细勘测方案：根据详细勘测布线方向与间距制定出详细勘测布线方案，使用探地雷达系统沿按详细勘测方案进行勘测，计算每条测线上土体构型；
[0013]S6、重构土体构型三维空间：基于探地雷达勘测结果，对土体构型空间分布进行三维重构，提高数据分辨率，获得被调查田块高精度土体构型空间分布信息。
[0014]进一步地，步骤S2和S5中，在测线上应用共偏移距法CO和宽角度反射折射法WARR，将探地雷达系统沿各条中心交叉的测线方向平移，获取测线对应土体构型信息d，将获取到的土体构型使用Savitzky
‑
Golay平滑滤波器进行低通滤波，获得测线上的降噪后土体构型信息d'。
[0015]进一步地，根据公式：
[0016][0017]获取平均波速v；其中t为信号传播时间，t0为天线零间距时信号的理论传播时间，x为天线间距；
[0018]根据公式：
[0019][0020]获取土体构型信息d；其中t
CO
为土体结构反射信号反射时间。
[0021]进一步地，步骤S3中，根据公式：
[0022][0023]获取微起伏指数MRI；其中d'(x)与f(x)分别为降噪后的土体构型深度以及将其线性拟合后的对应结果，l为测线长度，F为地形波动频率。
[0024]进一步地，步骤S4中，使用以Morlet小波为母小波的小波分析方法获取主体变异尺度，具体方法包括以下子步骤：
[0025]S4
‑
1、根据公式：
[0026][0027]获取小波系数W
f
；其中a与b分别为母小波(ψ)中尺度放缩与平移位置的控制系数；
[0028]S4
‑
2、根据公式：
[0029]Var(a)＝∫|W
f
(a，b)|2db
[0030]获取小波方差Var；
[0031]S4
‑
3、提取小波方差的极大值得到主体变异尺度。
[0032]进一步地，步骤S6中，利用克里金插值法对土体构型空间分布进行三维重构；具体方法包括以下子步骤：
[0033]S6
‑
1、根据公式：
[0034][0035]获取半方差函数γ；其中N为采样点的总数，h为采样点间距；
[0036]S6
‑
2、根据公式：
[0037][0038]获取各已知点对应未知点的权重λ；
[0039]S6
‑
3、根据公式：
[0040][0041]对未知点的值进行插值。
[0042]本专利技术的有益效果为：
[0043]1.本专利技术创新性地加入了初步勘测的步骤，通过少量先验信息获得土体构型空间变异性的主体性特征(方向和尺度)。基于此主体特征参数设置的详细勘测方案，使采样数据的空间分布与变异特征相适应，大大提高了采样点布局的合理性，一定程度上降低了土体构型三维空间重构对插值方法的依赖性。
[0044]2.本专利技术首先确定详细勘测布线方向，进而确定合理的布线间距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择设备与配置参数：根据待勘测田块的土壤类型、土体结构及测试环境确定探地雷达系统的设备配置，根据数据需求完成探地雷达基础参数配置；S2、采集初步勘测数据：选择3～5条中心交叉的测线，将探地雷达系统沿各条中心交叉的测线方向平移，完成对待勘测田块的初步初勘测，得到初步土体构型信息；S3、确定详细勘测布线方向：利用初步勘测数据获取每条测线的微起伏指数MRI，基于微起伏指数MRI得到各条初步勘测测线对应的粗糙度，选择其中粗糙度最大的测线对应的方向作为详细勘测的布线方向；S4、确定详细勘测布线间距：提取初步勘测数据中垂直于详细勘测布线方向上的土体构型，提取土体构型变异特征，获得待勘测田块土体构型的主体变异尺度序列，选择其中符合勘测需求的最大变异尺度作为正式勘测的关注尺度，将该关注尺度的1/4作为详细勘测中平行测线的布线间距；S5、设计与实施详细勘测方案：根据详细勘测布线方向与间距制定出详细勘测布线方案，使用探地雷达系统沿按详细勘测方案进行勘测，计算每条测线上土体构型；S6、重构土体构型三维空间：基于探地雷达勘测结果，对土体构型空间分布进行三维重构，提高数据分辨率，获得被调查田块高精度土体构型空间分布信息。2.根据权利要求1所述的一种利用探地雷达获取田块尺度土体构型信息的勘测方法，其特征在于，步骤S2和S5中，在测线上应用共偏移距法CO和宽角度反射折射法WARR，获取测线对应土体构型信息d，将获取到的土体构型使用Savitzky
‑
Golay平滑滤波器进行低通滤波，获得测线上的降噪后土体构型信息d'。3.根据权利要求2所述的一种利用探地雷达获取田块尺度土...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘喜才，徐杰男，张佳宝，韩雨迪，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：