CN101813775A

CN101813775A - 一种利用探地雷达测量植物地下根的直径以及生物量的方法

Info

Publication number: CN101813775A
Application number: CN 201010151217
Authority: CN
Inventors: 陈晋; 崔喜红; 沈金松
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101813775B

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：通过采集所述地下根的样本测得所述地下根的根密度ρ；利用探地雷达测得所述地下根的直径D，通过所述探地雷达测量获得所述地下根的长度L，假设所述地下根是一个圆柱体，然后根据测量获得的所述地下根的直径D和长度L计算出圆柱体的体积；利用公式W＝πD²Lρ/4估算测得的所述地下根的生物量的大小，其中，W表示估算的生物量。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直径进行精确的定量测量，从而间接获得植物地下根的生物量，其获得的测量结果与植物地下根的实际直径具有很强的相关性。

Description

一种利用探地雷达测量植物地下根的直径以及生物量的方法

技术领域

本发明涉及一种测量植物地下根的直径以及生物量的方法，尤其是一种利用探地雷达测量植物地下根的直径等参数进而获得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。而且，该类研究目前还只局限于绘制根径大于20mm的侧根，对于根径小于20mm的细根则无法识别。

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直径进行精确的定量测量，从而间接获得植物地下根的生物量，其获得的测量结果与植物地下根的实际直径具有很强的相关性。

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，所述方法包括如下步骤：

通过采集所述地下根的样本测得所述地下根的根密度ρ；

利用探地雷达测得所述地下根的直径D，

通过所述探地雷达测量获得所述地下根的长度L，假设所述地下根是一个圆柱体，然后根据测量获得的所述地下根的直径D和长度L计算出圆柱体的体积；

利用公式W＝πD²Lρ/4估算测得的所述地下根的生物量的大小，其中，W表示估算的生物量。

优选地，所述根密度ρ为利用采集的所述地下根的样本统计计算出的所述地下根的湿密度或干密度的值。

优选地，所述地下根的直径D的获得方法包括如下步骤：

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，从中提取一个时间参数ΔT，该时间参数ΔT表示从雷达发射的电磁波在到达根顶面时的反射波初至时间点开始到根底面反射波的延时点结束；

D、通过公式D＝K×ΔT获得所述待测量的植物地下根的直径，其中，D为所述待测量的植物地下根的直径，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。

优选地，所述特性常数K的测量方法为：

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直径D₁，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时间参数ΔT₁；

通过公式K＝D₁/ΔT₁，获得所述特性常数K。

优选地，所述探地雷达运用2GHz的频率天线来测量所述植物地下根的直径。

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直径进行精确的定量测量，从而间接获得植物地下根的生物量，其获得的测量结果与植物地下根的实际直径具有很强的相关性。

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显示的是根径的平方值与根的生物量之间的关系图；

图3显示的是不同频率下的雷达反射波的波形对照示意图；

图4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5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6显示的是探测不同深度处的地下根得到的时间参数ΔT与实际根径之间的相关关系图；；

图7显示的是利用对另一组根径探测得到的时间参数ΔT和图6得到的特性常数K估测出的根径值与其实际根径之间的关系图；

图8显示的是利用图6中估测出的根径值估算出的单根的鲜生物量与实测单根鲜生物量之间的关系图；

图9显示的是利用图6中估测出的根径值估算出的单根的干生物量与实测单根干生物量之间的关系图。

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

经研究表明，相同长度的植物地下根的生物量与根径的平方值之间具有非常明确的线性关系，图2显示的是根径的平方值与根的生物量之间的关系图，如图2所示，根径的平方值与根的生物量的决定系数R²都达到了0.99以上。基于此，本发明提出了一个在实际应用中可利用GPR进行地下根的生物量的测量的新方法。

首先，通过采集少量的根样本测得根的根密度，并利用GPR测量得到根的多个位置处的直径，获得根的平均直径，此时假设根是一个圆柱体，然后根据测量的根径(平均直径)以及根的长度计算出圆柱体的体积，最后利用根密度和圆柱体的体积计算得到根生物量的大小。为了描述的方便，本发明中涉及根的直径，指的均为根的平均直径。

从理论上来说，探地雷达能够识别的根径大小的能力与探地雷达的分辨率有关。分辨率是衡量探地雷达探测效果的一个很重要的参数，定义为分辩最小异常体的能力。探地雷达的分辨率与雷达天线的发射频率密切相关，频率越高，波长就越短，分辨率就越强。

如图3所示，对于地下具有一定厚度的介质层来说，图中A-D-G分别代表高、中、低频率下(对应的频率分别为2GHz、900MHz、500MHz)在介质顶板中的波形记录；B-E-H分别代表2GHz、900MHz、500MHz频率下在介质底板中的波形记录；C-F-I分别代表2GHz、900MHz、500MHz频率下在顶板、底板中的合成记录。从图中可以看出，对于2GHz的高频天线来说，可以很好的分辨出顶底板波形，从而识别出介质层的厚度。随着天线频率的降低和波长的增加，介质层顶底板的波形会发生相长性或相消性的干扰，则无法分辨出介质层的厚度。因此，对于所选择的2GHz、900MHz和500MHz三种天线频率来说，2GHz频率天线识别小目标物的能力最强，因此，在本发明中，我们认为2GHz频率天线最有可能分辨出根径的大小。

另外，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4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4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4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5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直径进行测量之前，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5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5所示波形图，可以从中提取一个时间参数ΔT，用于分析其与各根的直径之间的关系，ΔT表示的是从雷达发射的电磁波在到达根顶面时的反射波初至时间点开始到根底面反射波的延时点结束，研究表明，该时间参数与根的直径大小有关，并且时间参数ΔT与根所处的深度无关。

虽然上述时间参数ΔT的定义是参照做过杂波去除处理的波形图(图5)来描述的，但是，本领域技术人员应当理解，利用类似图4所示的未经数据处理的波形数据也是可以提取上述的时间参数ΔT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。

然后，根据如下公式获得所测量的植物地下根的直径D：

D＝K×ΔT

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常数，在此称为特性常数。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直径的过程中，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直径的方法，最根本之处在于提出了一个时间参数ΔT，利用时间参数ΔT可以有效的估测单根的直径。本实施例中所引用的现有技术文件用于说明构建上述时间参数ΔT之前的地下根位置的确定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。

最后，由于根较短，且一般情况下，根径的最粗位置和最细位置的差距很小(只有0.5mm左右)，因此，可将每个地下根看作是圆柱体。首先根据实测的根重、根长和根径计算每个根样本的湿密度和干密度值，根据根的干、湿密度对根样本的干生物量和鲜生物量利用式进行估算：

W＝πD²Lρ/4

式中W代表估算的生物量，D是利用图5的根径测量模型估计出的根径值，L表示根的长度，ρ表示根的湿密度或干密度。根的长度L可以根据雷达探测信号获得，而根密度ρ则是利用采集的根样本统计计算出的根的湿密度或干密度的值。

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直径的方法中，植物地下根的直径D是与时间参数ΔT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直径。具体方法如下：

将实施例1中测量之后的该地下根挖出，测量挖出的该地下根的直径D₁，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的时间参数ΔT₁，即可获得该地下根所对应的特性常数K＝D₁/ΔT₁。

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直径的一个时间参数ΔT，该时间参数与植物地下根的直径成正比关系，因此，可以通过实际测量植物地下根的直径获得该区域植物地下根所对应的特性常数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特性常数K是基本上相同的，因此，如果对该区域的植物地下根逐点利用探地雷达进行测量，就可以获得该地下根沿其生长方向的直径变化情况。

实施例3 验证测量直径的相关性试验

参见图6，本实施例中显示的是探测不同深度处的地下根得到的时间参数ΔT与实际根径之间的相关关系图，其中对应的雷达波的频率为2GHz。

如图6所示，时间参数ΔT与实际根径大小的相关性分析结果表明，ΔT与实际根径之间存在着极为显著的相关性，决定系数R²的值为0.868，均方根误差(RMSE)为3.816mm。

图7显示的是利用对另一组根径探测得到的时间参数ΔT和图6得到的特性常数K估测出的根径值与其实际根径之间的关系图，如图7所示，从2GHz频率的雷达天线测量数据所估测得到的根径值与与实测根径值之间的相似性：决定系数R²值为0.857，均方根误差(RMSE)为3.527mm。

可以看出，利用探地雷达2GHz频率的天线系统测量根径较为有效，对单根直径的估测精度是相当高的。

实施例4 验证测量生物量的相关性试验

在本实施例中，我们利用地下根的实测长度L、根密度ρ以及GPR测量后计算得出的根径D对单根生物量进行估算，并与地下根的实测生物量进行比较，结果如图8和图9所示。

其中，图8显示的是利用图6中估测出的根径值估算出的单根的鲜生物量与实测单根鲜生物量之间的关系图；图9显示的是利用图6中估测出的根径值估算出的单根的干生物量与实测单根干生物量之间的关系图。结果表明：估算出的鲜生物量和干生物量与实测值相比，决定系数R²值都达到了0.85以上(鲜生物量：R²＝0.843，干生物量：R²＝0.834)，对比图8和图9的结果可以看出，利用GPR测量的根径D估算出的鲜生物量的效果要好于对干生物量的估算效果。这是因为利用探地雷达直接探测的是湿根信息，因此用从该信息中提取出反演参数更适合湿根特征。从得到的均方根误差RMSE来看，利用此方法对单根生物量的估算达到了很好的效果，验证了该方法的有效性。

在本发明所提供的利用探地雷达测量植物地下根的直径的方法中，提出了一个时间参数ΔT。利用时间参数ΔT可以有效的估测单根的直径，利用高频天线所具备的高分辨率的性质，充分发挥2GHz频率天线的优势，从所探测的记录信息中提取出与根径大小直接相关的时间参数ΔT；其次利用时间参数ΔT作为独立变量构建出GPR根径估算模型，并且对模型的检验结果达到了较高的精度；验证了新方法的合理性和有效性。

总之，从上述描述中可得到以下结论：

(1)雷达天线频率越高，对浅层小目标反射体的识别能力越强，因此三种频率天线中，2GHz频率的雷达天线识别根径大小信息的效果最好；

(2)从2GHz频率天线的探测数据中提取出的时间参数ΔT与根的深度无关，可直接用于估测根径大小；

(3)基于时间参数ΔT建立的GPR根径测量模型精度较高，测量出的根径用于对单根生物量和模拟长根生物量的推算效果较好，优于直接利用GPR参数对根的生物量进行估算。

但是必须说明的是，根径估测模型对雷达天线的频率要求较高，同时高频天线信号的高衰减性使雷达探测的深度受到限制，如本文中2GHz频率天线的雷达系统可用于探测深度不是很深(例如60cm或60cm以下)的树木根系。

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

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：

通过采集所述地下根的样本测得所述地下根的根密度ρ；

利用探地雷达测得所述地下根的直径D，

利用公式W＝πD²L ρ/4估算测得的所述地下根的生物量的大小，其中，W表示估算的生物量。

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，所述根密度ρ为利用采集的所述地下根的样本统计计算出的所述地下根的湿密度或干密度的值。

3.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，所述地下根的直径D的获得方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3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的测量方法为：

通过公式K＝D₁/ΔT₁，获得所述特性常数K。

5.根据权利要求4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，所述探地雷达运用2GHz的频率天线来测量所述植物地下根的直径。