基于探地雷达的白浆土障碍层次识别研究

作     者：阮伟民 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宝江

授予年度：2023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] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：探地雷达 白浆土 小波变换 变分模态分解 障碍层次 

摘      要：白浆土是三江平原耕地土壤中的一种主要低产土壤,其特点是耕层浅薄,土壤结构不良,通透性差。白浆土的白浆层会出现硬、板、瘦等现象,导致表旱和表涝现象严重,制约了该地区作物的生长和发育。土壤层次是影响耕地产能的关键因素,同时对土壤水分运动的研究也具有重要意义。为了三江平原地区耕地质量提升、高标准永久基本农田建设和耕地资源保护政策的制定提供依据和参考,探索如何快速、无损、准确获取白浆土障碍层次的技术具有重要意义。本文旨在运用探地雷达(Ground-penetrating radar,GPR)技术对白浆土的障碍层次进行识别研究。在三江平原地区的典型土壤进行实验,使用了100MHz、250 MHz、500 MHz和800 MHz四种中心频率的GPR进行数据采集。在分析和处理GPR数据的过程中,我们采用了小波变换、变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD),结合取包络处理以及不同土壤发生层的介电常数,确定了白浆土发生层的准确分层位置,并成功地识别出了其障碍层次。论文主要内容和方法体现在以下几个方面:(1)本文利用两种方式获取白浆土不同发生层相对介电常数,对于白浆层和淀积层,由于土壤质地的不同,两种方法得到的相对介电常数存在显著差异。本文利用两种方式获取了不同土壤类型的不同土壤发生层的介电常数,第一种方式是基于Topp公式来拟合不同土壤发生层介电常数,第二种方式是利用同轴探头法测定不同土壤发生层20 MHz～2 GHz介电谱。通过对比各土壤类型介电常数后发现白浆土不同发生层之间的介电特性差异最为显著。然而,对于白浆层和淀积层,两种方法得到的结果存在显著差异。这种差异主要是因为两者土壤质地的不同。粗粉砂土颗粒较大、小气孔较多,主要由空气和石英等低介电常数的物质组成。此外,颗粒之间接触点少,导电性差,因此其介电常数相对较低。这些特点导致Topp公式不适用于白浆层。(2)本文基于不同中心频率天线获取白浆土GPR数据,通过不同算法处理之后,能够获取准确的白浆土土壤发生层分层位置。在本研究中,获取了100 MHz、250 MHz、500 MHz以及800 MHz中心频率天线的GPR数据,对于不同频率天线获取的GPR数据,其处理方法不同。对于100 MHz、250 MHz和500 MHz天线获取的GPR数据,在预处理基础上,利用小波变换基于不同小波基进行分解获得高频重构信息。从最终结果来看,基于250 MHz天线获取的GPR数据能够识别白浆层与淀积层的分层位置,基于500 MHz天线获取的GPR数据能够识别耕作层与白浆层的分层位置。由于小波变换将三种频率天线(100MHz/250 MHz/500 MHz)获取的数据的中心频率分解到0～250 MHz区间内才能获得分层位置,而对于800 MHz天线获取的GPR数据而言,0～250 MHz区间不在该天线合理的带宽范围,并且小波变换处理结果不太理想。800 MHz天线获取的GPR数据在VMD分解之后,能够有效获取白浆土不同土壤发生层分层位置。(3)本文利用250 MHz和500 MHz天线采集的GPR数据,经过预处理后,能够准确地识别出白浆土和黑土的分界位置。从GPR剖面图可以看出,白浆层的振幅强度较大,与黑土在同一深度处的振幅强度有明显的不同,可以作为划分土壤边界的有效依据。但本研究只针对两种土壤类型进行了试验,其它类型土壤与白浆土是否能够有效区分还需要进一步试验。