基于高频探地雷达的滨海盐渍土剖面特征识别与建模研究

作     者：范德强 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王萍

授予年度：2022年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：探地雷达 滨海盐渍土 土壤剖面 土体建模 U-Net法 

摘      要：黄河三角洲滨海盐渍土是我国重要的后备土地资源,其改良与利用对于保障我国粮食安全、促进区域农业可持续发展具有重要意义。土壤剖面构型影响滨海盐渍土水盐运移和土壤理化特性,研究土壤剖面特征是盐渍土改良与利用的基础工作。本文从黄河三角洲滨海盐渍土区典型地块入手,利用250MHz中心频率的探地雷达进行剖面法、共中心点法和格网法测量,基于python平台运用U-Net、边缘检测等技术手段对B扫描图像进行分析和处理,自动化完成滨海盐渍土剖面分层信号提取、电磁波传播速度与土层厚度估算、土体二维切片和三维模型构建等工作,揭示滨海盐渍土不同盐渍化度下的典型地块GPR影像的剖面分层特征,为今后定量反演土壤特性、实时监测土壤质量奠定基础。本文主要研究结论如下:(1)本文构建了一套自动化处理分析GPR信号的技术体系。该体系主要包含通道合成、数据标注、图像增强预处理、改进的U-Net法处理、边缘检测、土层识别和电磁波速度估算8个步骤,在土层剖面特征识别和土层厚度估算中表现良好。(2)改进U-Net法从图像上、操作特征曲线下的面积和准确率三个指标来看,都比原型U-Net法好,对土层反射波信号提取更为有效,土层辨别力更强,准确度更高,在200代训练过程中能够有效抑制过拟合现象;与GPR自带的LineView软件处理结果相比,改进的U-Net法在识别土层信号带的同时起到良好的滤波效果,与LineView法相比提取的土层反射波信号数量与位置相近,并且能够克服信号不连续的不利条件提取出更多土层反射波信号。(3)土层提取时高斯卷积核大小为3×3,滞后阈值为最小值5,最大值25。土壤盐分不同的地块间具有不同的土层边缘特征:土壤盐分含量越低,在天线间距较远时仍可检测到土层边缘信号,信号更为连续。小麦、玉米在天线间距3.9m仍能检测到明显的土层信号,而光板地、黄青菜、芦苇地块的土层边缘窄信号带多。表层土壤盐分越高,空气波、地面波信号衰减越强烈,速度提取点数量少且不连续;地表植被覆盖越稠密,测线越短,空气波、地面波信号受干扰越多,速度值波动多;地块土壤盐分含量越低,空气波、地面波、反射波信号越连续,速度波动小,下层土壤分层信号越显著。(4)本文土层厚度估算结果均与土壤剖面实际情况相符。在芦苇地块、茅草地块和棉花地块,估算结果等效或优于LineView法处理结果,在光板地地块和玉米地块,估算结果能够准确识别出较深土层的电磁波信号。(5)本套土层识别技术体系可用于三维建模,在切片模型中,改进U-Net法对于较深土体的FO法测量数据具有一定的处理能力,在50ns以下的土层能够较好地融合在一起,地块含盐量越高提取到的土层边缘信息越少;土体模型在X方向和Y方向的投影能够较为清楚地显示土壤剖面的土层边界。