CN101813644B - 一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，包括如下步骤：通过所述探地雷达扫描获得待测量的植物地下根的具体位置，并产生相应的反射波形扫描数据；选择经过该待测量的植物地下根的中心位置正上方的一个反射波的波形图；根据所述波形图，从中提取五个波形参数；针对上述五个波形参数构建三个综合指数进而获得所测量的植物地下根的生物量。因此，本发明可以通过探地雷达对植物地下根的生物量进行精确的定量测量，其获得的测量结果与植物地下根的实际生物量相关性较高。

Description

一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法

技术领域

本发明涉及一种测量植物地下根的生物量的方法，尤其是一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法。

背景技术

根系在植物生态系统中扮演着重要的角色，它既可以帮助植物在生长发育过程中获取基本的土壤资源(如水和营养物质)，也是支撑、固定植物体的重要器官。此外，根系对于生态系统中碳循环的贡献也是不可或缺的，大约占据森林总碳量的20％～40％，同时根系还是根围环境中土壤呼吸的主要推动力。近来，对植物根系在全球气候变化中的作用研究，表明了粗根的生物量(Biomass，某一时刻单位面积内实存生活的有机物质(干重)总量，通常用kg/m²表示)会随着CO₂浓度的升高而增加，也证明了粗根可以长期的吸收和存储根围环境中过量的CO₂。随着人们对植物根系在生态系统以及全球气候变化中重要作用的认识，为了更好的理解根系作用、地球生物化学循环过程及全球变化的多方面问题，迫切需要了解与根系相关的参数，例如根系大小、生物量、分布范围、结构和三维构造等。但是由于在根系研究的过程中，对植物根的观察和取样较为困难，导致对根系参数的定量估算存在方法上的不足与限制。因此，寻求新的、能够准确地估测根系参数的方法和技术在生态学研究中显得尤为重要。

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)也称地质雷达，是用来探测地下目标分布特征的一种地球物理技术。探地雷达的基本构成如图1所示，其原理主要是利用电磁波在遇到具有不同介电常数的两种物质界面时会发生不同反射这一特点，通过对反射信号的分析处理来实现对目标的探测。不同介质介电常数不同，形成电性界面，这是电磁波在地下传播过程中发生反射的条件。探测时，雷达发射机1产生的高频电磁波以宽频短脉冲的形式由地面通过发射天线11送入地下，经地层2或地下目标体3反射后返回地面，被接收天线12接收，然后在接收机中进行数据采样和数据处理。电磁波在地下介质中传播时，其传播的路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性、几何形态等因素的变化而产生不同程度的变化。因此可以根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，解释出目标深度、介质结构、性质及空间分布特征。

然而，目前利用探地雷达来研究根系分布形态在很大程度上还局限于定性制图，定量的研究还没有达到完全成功。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，以减少或避免前面所提到的问题。

具体来说，本发明提供了一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，其可以通过探地雷达对植物地下根的生物量进行精确的定量测量，其获得的测量结果与植物地下根的实际生物量相关性较高。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，所述方法包括步骤：

A、通过所述探地雷达扫描获得待测量的植物地下根的具体位置，并产生相应的反射波形扫描数据；

B、选择经过该待测量的植物地下根的中心位置正上方的一个反射波的波形图；

C、根据所述波形图，从中提取五个波形参数，分别为雷达发射波到达所述地下根位置处所产生的反射信号的最大振幅值Max_A、最小振幅值Min_A、反射波形中所述两个振幅值对应的过零点时间间隔t₁和t₂以及探地雷达记录的到达根位置处的雷达波往返于地面之间的双程走时t；

D、针对上述五个波形参数构建三个综合指数：P_{max_A}、P_{min_A}和P_{amp_d}，该三个综合指数的定义如下：

P_{max_A}＝Max_A×vt/2

P_{min_A}＝Min_A×vt/2

P_{amp_d}＝P_{max_A}×t₁/2+P_{min_A}×t₂/2

其中，v是对应根的埋深位置的探地雷达的雷达波速；

E、根据公式W＝K×P_{amp_d}获得所测量的植物地下根的生物量，其中，W表示植物地下根的生物量，K表示探地雷达所测量的地下根在该区域范围内所对应的一个特性常数。

优选地，所述特性常数K的测量方法包括如下步骤：

将实际测量的植物地下根挖出，测量所述实际测量的植物地下根的生物量W₁，所述实际测量的植物地下根与上述待测量的植物地下根位于相同区域；

通过上述步骤A-C获得所述实际测量的植物地下根的综合指数P_{amp_d1}；

通过公式K＝W₁/P_{amp_d1}，获得特性常数K。

优选地，所述植物地下根的总生物量为：

∑W_i＝K*∑P_{amp_di}

其中，∑W_i表示总生物量，K表示上述特性常数，∑P_{amp_di}表示所述植物地下根所在区域的一系列植物地下根的综合指数。

本发明的特点及优点是：其可以通过探地雷达对植物地下根的生物量进行精确的定量测量，其获得的测量结果与植物地下根的实际生物量相关性较高。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是探地雷达的测量原理图；

图2显示的是一种典型的地下目标物的单脉冲探地雷达扫描波形示意图；

图3显示的是一个经过所测量的植物地下根的中心位置正上方的反射波的波形图；

图4-6显示的是利用线性回归分析探地雷达三种雷达波频率(2GHz，900MHz，500MHz)分别对应的综合指数与根生物量之间的定量关系。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

实施例1 测量方法

在本发明中，为准确测量植物地下根的生物量，采用的是一维形式的探地雷达数据测量方式，即，对植物地下根的一个给定的测点位置(x_i，y_i)，通过探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)记录一个单脉冲反射波的波形A(x_i，y_i，t)，如图2所示，其中显示的是一种典型的地下目标的单脉冲探地雷达扫描波形示意图。波形中唯一的变量是时间。在本发明的后续描述中，将这种扫描所获得的数据称作反射波形扫描数据。

从图2获得的这种反射波形扫描数据是一种未经过处理的数据，从图中可见，目标的反射振幅远小于空气-地面的反射振幅(即地面直达波)，为获得真实的目标物的扫描数据，图2中的空气-地面的反射波可以认为是一种背景杂波，其通常会掩盖目标的反射特征，在数据处理中必须去除，以便于突出目标的特征，有利于数据解释。通常去除背景杂波之后的反射波的波形图类似图3所示。

在本发明的一个具体实施例中，利用探地雷达对植物地下根的生物量进行测量之前，首先可以通过探地雷达扫描获得需要测量的植物地下根的具体位置，之后，选择经过一个待测量的植物地下根中心位置正上方的一道如图3所示的一个反射波的波形图，图中的波形已经做过杂波去除的处理，地面反射波受到抑制，突出了根目标的反射特征。关于通过探地雷达定位地下物体的方法可以参见《浅地层探地雷达自动目标检测与定位研究》，作者张春城、周正欧，电子与信息学报2005年7月第27卷第7期，第1065-1068页，本专利对其全文引用作为参考。

根据图3所示单脉冲反射波的波形图，可以分别从中提取出五个波形参数：雷达发射波到达根位置处所产生的反射信号的最大振幅值Max_A、最小振幅值Min_A、反射波形中上述两个振幅值对应的过零点时间间隔t₁和t₂以及探地雷达记录的到达根位置处的雷达波往返于地面之间的双程走时t。

虽然上述参数的定义是参照做过杂波去除处理的波形图(图3)来描述的，但是，本领域技术人员应当理解，利用类似图2所示的未经数据处理的波形数据也是可以提取上述的五个波形参数的，只是如上所述的那样，由于背景杂波的存在，有可能会掩盖地下根的反射特征，从而使得参数的提取存在困难，因此，通常情况下对原始数据进行一些处理以获得所需的参数数值是可取的，并不会影响数据的准确性。

选择这五个参数的主要原因是：(1)经过数据处理后的通过根的中心位置的反射波形扫描数据是测量时雷达经过根的正上方位置时采集到的；(2)在该道数据的反射波形中它们具有显著特征并且最容易提取。更重要的是，从探地雷达的物理机制上讲，反射波的振幅代表的是埋在地下的根所反射的能量强度，该信息与探测目标物的特性有着很大的关系。

然后，针对前面所提取的五个波形参数构建三个综合指数：P_{max_A}、P_{min_A}和P_{amp_d}，其中，各指数的定义如下：

P_{max_A}＝Max_A×vt/2

P_{min_A}＝Min_A×vt/2

P_{amp_d}＝P_{max_A}×t₁/2+P_{min_A}×t₂/2

其中，Max_A和Min_A是从反射波形中提取的参数，分别是上述最大振幅值和最小振幅值；参数t₁和t₂是反射波形中两个振幅值对应的过零点时间间隔，t是探地雷达记录的该深度处的雷达波往返于地面之间的双程走时，如图3所示。v是对应根的埋深位置的探地雷达的雷达波速。

从上述公式可见，vt/2实际上代表的是所探测到的地下根的深度值h，因此上述各指数也可定义为：

P_{max_A}＝Max_A×h

P_{min_A}＝Min_A×h

P_{amp_d}＝P_{max_A}×t₁/2+P_{min_A}×t₂/2

虽然如此，但是由于地下根的深度值h只能间接获得，在本发明中为了表述更为直观，将地下根的深度值h以单脉冲反射波的波形图中更为直观的参数进行了表示。

关于对应根的埋深位置的探地雷达的雷达波速v的获取在现有技术中多有描述，例如，可以参见《浅地层探地雷达波速估计和成像方法的研究》，作者胡进峰、孔令讲、周正欧，‘电子与信息学报’2006年11月第28卷第11期，第2003-2006页；或者也可以参见《探地雷达探测地下目标时的波速估计》，作者于景兰、王春和，‘地球物理学进展’2003年9月第18卷第3期，第477-480页。本专利对上述现有技术文献全文引用作为参考。在《探地雷达探测地下目标时的波速估计》中，最简单的估算雷达波速v的方法是利用介质的相对介电常数ε估算 

其中，c是电磁波在空气中的传播速度，相对介电常数ε可利用介电常数测试仪测定或者由经验获得。

最后，根据如下公式获得所测量的植物地下根的生物量W：

W＝K×P_{amp_d}

其中，K为探地雷达所测量的地下根在该区域范围内所对应的一个特性常数。相同区域内、同一种植物的地下根所对应的特性常数K是相同的；而即便是同一种植物，在不同区域内，由于气候和土质的原因，其地下根所对应的特性常数K也很可能是不同的；当然，如果是不同区域、不同种类的植物，其地下根所对应的特性常数K基本上就很难相同了，但是，对于大范围的地球物理而言，某一区域，例如蒙古草原地区，虽然生长有各种不同的植物，但是，其植物种类相对单一，气候、土质也基本上相同，因此，在测量大范围植物地下根生物量的过程中，也可以认定该区域范围内的植物的地下根所对应的特性常数K是基本上相同的。

应当说明的是，本发明所公开的利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，最根本之处在于提出了一个表现信号强度特征的综合能量指数P_{amp_d}，利用P_{amp_d}指数可以有效的估测单根的生物量。本实施例中所引用的现有技术文件用于说明构建上述综合能量指数P_{amp_d}的某些参数的获取并 非本发明的发明点，因此本专利将其全文引用作为参考，以使叙述简洁明了，有利于本领域技术人员的理解，并由所引用现有技术的出处充分公开了相关技术的内容，本领域技术人员基于上述引用无需花费任何创造性劳动即可获知这些技术内容。

实施例2 测量特性常数K

由实施例1可知，根据本发明的测量地下根的生物量的方法中，植物地下根的生物量W是与综合指数P_{amp_d}成正比的，因此，可以通过如下方法获得某地区某种植物地下根所对应的特性常数K，进而获得该地区该种植物的地下根的生物量。具体方法如下：

将实施例1中测量之后的该地下根挖出，称取挖出的该地下根的生物量W₁，根据实施例1中的方法计算所得的该实际测量的植物地下根的具体指数P_{amp_d1}，即可获得该地下根所对应的特性常数K＝W₁/P_{amp_d1}。

也就是说，在本发明中，构建了一个探地雷达探测植物地下根的一个指数P_{amp_d}，该指数与植物地下根的生物量成正比关系，因此，可以通过实际测量植物地下根的生物量获得该区域植物地下根所对应的常数K。

由于对于同一区域而言，可以认定该区域范围内的植物的地下根所对应的常数K是基本上相同的，因此，如果对该区域的植物地下根逐一利用探地雷达进行测量(设定地下根的数目为i)，就可以获得一系列的指数P_{amp_di}，因此，最终可以测定该区域的植物地下根的总生物量：

∑W_i＝K*∑P_{amp_di}＝W₁/P_{amp_d1}*∑P_{amp_di}

实施例3 验证试验1

本实施例中，利用相关性分析的方法计算出，实际测量得到的实际根的生物量与三种频率(2GHz，900MHz，500MHz)的雷达波分别对应的单脉冲反射波的波形图中提取的三个指数(P_{max_A}，P_{min_A}，P_{amp_d})的相关系数R与P如表1和表2所示。表1列出的是根的鲜生物量与三个指数的关系，表2列出的是根的干生物量与三个指数的关系。

表1

表2

从表中的结果可以看出，三种雷达波频率对应的三个指数与根生物量均具有明显的正相关性，相关系数R值的范围从0.63达到了0.93(P＜0.001)。比较表1和表2的结果可以看出，每种雷达波频率下，各指数与鲜生物量之间的相关性都比与干生物量的相关性强。同一表格中，相同雷达波频率条件下，指数P_{amp_d}都表现出与根生物量最强的相关性，不管是对鲜生物量还是对干生物量。同时还发现，对于不同的雷达波频率而言，500MHz频率对应的P_{amp_d}指数的R值最大，表明500MHz频率对根生物量的变化较为敏感。

由上述验证试验可见，本发明中所构建的指数P_{amp_d}与植物地下根存在非常强的正相关性，表明前述实施例中所公开的方法完全可用于测量植物的地下根的生物量。

实施例4 验证试验2

在本实施例中，选择指数P_{amp_d}作为独立变量，利用线性回归分析探地 雷达三种雷达波频率(2GHz，900MHz，500MHz)分别对应的该指数与根生物量之间的定量关系，结果如图4-6所示。可以看出三种雷达波频率的模型对生物量的测量的相关性都很好(决定系数R²值分别为0.629，0.828和0.867)。而且，当雷达波频率从2GHz降到500MHz时，在测量中，决定系数R²的值都随之提高(R²从0.629提高到0.867)。

在本发明所提供的利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法中，提出了一个表现信号强度特征的综合能量指数P_{amp_d}。利用P_{amp_d}指数可以有效的估测单根的生物量，而且在三个频率天线中都得到了较好的结果。利用该指数建立的根生物量的估测模型所得到的预测值与实际测量值达到了很好的一致性，进一步体现了该指数建模的优越性。尤其是对500MHz频率的天线系统来说，P_{amp_d}指数较其他现有测量方法更为客观有效。另外，本发明所提供的方法表明500MHz频率的探地雷达天线系统是建立根生物量估测模型的最佳选择。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、通过所述探地雷达扫描获得待测量的植物地下根的具体位置，并产生相应的反射波形扫描数据；

B、选择经过该待测量的植物地下根的中心位置正上方的一个反射波的波形图；

C、根据所述波形图，从中提取五个波形参数，分别为雷达发射波到达所述地下根位置处所产生的反射信号的最大振幅值Max_A、最小振幅值Min_A、反射波形中所述两个振幅值对应的过零点时间间隔t₁和t₂以及探地雷达记录的到达根位置处的雷达波往返于地面之间的双程走时t；

D、针对上述五个波形参数构建三个综合指数：P_{max_A}、P_{min_A}和P_{amp_d}，该三个综合指数的定义如下：

P_{max_A}＝Max_A×vt/2

P_{min_A}＝Min_A×vt/2

P_{amp_d}＝P_{max_A}×t₁/2+P_{min_A}×t₂/2

其中，v是对应根的埋深位置的探地雷达的雷达波速；

E、根据公式W＝K×P_{amp_d}获得所测量的植物地下根的生物量，其中，W表示植物地下根的生物量，K表示探地雷达所测量的地下根在该区域范围内所对应的一个特性常数。

2.根据权利要求1所述的利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，其特征在于，所述特性常数K的测量方法包括如下步骤：

将实际测量的植物地下根挖出，测量所述实际测量的植物地下根的生物量W₁，所述实际测量的植物地下根与上述待测量的植物地下根位于相同区域；

通过上述步骤A-C获得所述实际测量的植物地下根的综合指数P_{amp_d1}；

通过公式K＝W₁/P_{amp_d1}，获得特性常数K。 

3.根据权利要求1或2所述的利用探地雷达测量植物地下根的生物量的方法，其特征在于，所述植物地下根的总生物量为：

∑W_i＝K*∑P_{amp_di}

其中，∑W_i表示总生物量，K表示上述特性常数，∑P_{amp_di}表示所述植物地下根所在区域的一系列植物地下根的综合指数。 

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