CN105975990B - 一种复垦土壤剖面的精细表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复垦土壤剖面的精细表达方法，以探地雷达无损探测技术为主要手段，准确完整的表达土地复垦中重构土壤的剖面信息。该方法包括：布设等间距的探地雷达测线网，利用高频探地雷达系统获取复垦土壤的雷达图像；建立基于形态学的滤波处理方法，弱化杂波对分层信息的干扰；通过雷达图像处理与采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的分层属性；在此基础上，开挖典型剖面，以此作为经验数据，与对应的雷达图像的分层情况进行对比分析，并结合各分层土壤的特征，实现全工区土壤剖面的精细表达，可为土地复垦工程质量的验收提供一种快速方法。

Description

一种复垦土壤剖面的精细表达方法

技术领域

本发明涉及工程环境的监测技术领域，特别涉及土地开发整理工程中的复垦土壤剖面的精细表达方法。

背景技术

中国统计年鉴近五年的数据表明，我国煤炭行业的年产量业已突破35亿吨(2014年)，煤炭开采方式也发生了较大改变，井工开采比重减小，由过去的96％下降至70％；露天开采比重明显提供，由过去的4％上升至30％。煤炭开采造成了地面塌陷、土地压占以及土地的挖损。据有关专家测算，由采煤造成的土地破坏的总面积超过了500万hm2，历史遗留的受损土地的复垦工作任务繁重。

我国《土地法》以及《土地复垦条例》等有关法律规定，煤炭开采必须实行“谁开采、谁复垦”的原则，必须对破损的土地进行复垦修复工作，通过一系列的工程技术手段，对受损的、即将受损的土地，结合工作面接续工作，对这些土地进行或者超前进行挖、铲、垫、平整等工作，使其恢复重新利用的功能，其本质就是土壤重构，重构后的土壤应该具备良好的分层以及结构，保证重构土壤的肥力。

土壤重构一般采用分层剥离、交错回填的方式，将0-20cm、20-50cm的表土层分别剥离，在节约表土的情况下，重构土壤的底层以煤矸石、粉煤灰进行充填，待充填至复垦标高后，再分层回填剥离的表土层。然而，以往的有关规定侧重于如何增加土地的面积，而对于重构土壤的质量却关注甚少，新出台的《土地复垦质量控制标准》中对其做出了要求，以典型验收的点位来表征全局，虽然规定了点位密度、布设的原则和土壤测试分析方法，仍难以对工程质量进行全面把控。农作物生长的剖面应包含表土层、心土层，其厚度是保证农作物生产力的重要指标。因此，土壤剖面可作为表征重构土壤质量的重要指标，如何全面获取与表达是问题的关键所在。

以往多采样钻孔、开挖剖面的形式，具有较大的随机性和不确定性，部分点位特征无法全面表达工程的整体属性。近些年，探地雷达技术逐渐开始应用于精准农业，该技术在土壤含水量、道路勘察、管线探测等领域成功应用。对于土壤领域，以室内模拟试验为主，野外大田的应用比较少，特别是对于复垦土壤，基于探地雷达的剖面的精细表达方法鲜有报道，需要解决如下难题：

(1)复垦工程中，土壤重构过程采用分层回填、分层压实的工艺，相比于自然状态的土壤，土层中杂质、分层不均匀都对分层结构的识别造成了很大影响，如何去除杂波对分层信号的影响，而且，人工识别难以满足大批量采样数据的处理；

(2)雷达数据针对于测线而言，是反映该测线下土壤的一些信息，如何将这些数据进行融合，基于有限的数据，采用何种方法去反映田块的整体分层信息，实现全工区土壤剖面的精细表达也需要解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种复垦土壤剖面的精细表达方法，利用探地雷达获取复垦土壤的雷达图像，建立基于形态学的滤波处理方法，弱化杂波对分层信息的干扰；在有限处理窗口中获取采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的分层属性；在此基础上，利用典型剖面的统计信息，与对应的雷达图像的分层情况进行对比分析，并结合各分层土壤的特征，实现全工区土壤剖面的精细表达。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种复垦土壤剖面的精细表达方法，所述方法包括以下步骤：

(1)雷达数据采集：在数据采集之前，布设全面覆盖工程的平面分布范围的探地雷达测线网，并在布设后测定各测线端点及其交叉点的空间坐标；高频雷达天线沿测线方向匀速前行，实现数据采集；

(2)建立基于形态学的滤波处理方法：在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤波处理，抑制杂波对分层信息的干扰；

(3)雷达图像的纵向分割：将雷达图像视为多条独立采样道的回波信号的组合，将各采样道回波信号作为彼此独立的信号，以各采样点的能量幅值表示；在此基础上，计算所有采样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算时间域上各采样点的能量方差，得到能量幅值的离散程度及分布图；在此基础上以分布图的凸显程度选取阈值，将低于阈值的区域作为背景区域进行删除，实现雷达图像的纵向分割；

(4)复垦土壤剖面的雷达图像分层识别：在每个分割的区段中，以区域内能量方差的峰值对应的采样点作为中心，计算该点外扩r像素的八方向上能量梯度变化，以最大能量梯度为方向进行重采样，并重复步骤(4)的计算过程，实现复垦土壤在雷达图形的分层识别；

(5)复垦土壤剖面的表达：对解译的雷达图像对应测线的土体进行开挖，获取复垦土壤的现实剖面，并记录分层的层数、土体性质以及层厚；以此为参照，将雷达图像分层信息与之进行对比分析，从而实现所有测线上的土壤剖面的精细表达；在此基础上，通过空间内插的方法，实现全工区土壤剖面的完整表达。

优选地，所述步骤(1)中，利用测绘仪器测定各测线端点及其交叉点的空间坐标。

优选地，所述步骤(1)中，测线网呈网状形式。

优选地，所述步骤(2)中，所述滤波处理方法基于目标体的水平分层特性，根据几何特性的相似原理，选择结构元素，进行开运算、闭运算以及膨胀运算三个过程，实现图像形态修饰和形态细化。

优选地，所述结构元素为3X3的矩阵，凸显层位的分层特性。

优选地，形态滤波通过开运算、闭运算以及膨胀运算相互结合，经过多次运算完成。

优选地，所述步骤(2)中，在进行形态滤波计算时，雷达图像应以如下集合形式表示：A＝{(x，y，z)|0＜x＜m，0＜y＜n，z_xy}，(x,y)表示采样点坐标，z表示离散的灰度值，经过滤波处理后的雷达图像用二值图像表示。

优选地，所述步骤(3)中，雷达图像上水平方向的平均能量b如下式(1)表示，其中，i为以采样点号表示的双层走时的微分单位；j表示采样道次；

优选地，所述步骤(3)中，选取的阈值为能量方差最大值的1/10。

优选地，所述步骤(5)中，复垦土壤的剖面重构采用分层剥离、交错回填的方式，现场开挖3至5个土壤剖面，进行层数、层厚、土体特性数据统计，以此作为经验数据，分别与所对应的雷达图像的分层信息进行对比分析。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

本发明提出的复垦土壤剖面的精细表达方法，以探地雷达无损探测技术为主要手段，准确完整的表达土地复垦中重构土壤的剖面信息。该方法包括：布设等间距的探地雷达测线网，利用高频探地雷达系统获取复垦土壤的雷达图像；建立基于形态学的滤波处理方法，弱化杂波对分层信息的干扰；通过雷达图像处理与采样道能量梯度变化，提取复垦土壤的分层属性；在此基础上，开挖典型剖面，以此作为经验数据，与对应的雷达图像的分层情况进行对比分析，并结合各分层土壤的特征，实现全工区土壤剖面的精细表达，可为土地复垦工程质量的验收提供一种快速方法。

附图说明

图1为本发明中探地雷达测线网及坐标系示意图；

图2为本发明中某测线图像层位线图。

具体实施方式

本发明所述复垦土壤剖面的精细表达方法，包括以下步骤：

第一步：雷达数据采集。

在数据采集之前，布设探地雷达测线网，所述测线网由若干条平行的测线组成，呈网状形式，测线网应满覆盖工程的平面分布范围，并在布设后利用测绘仪器测定各测线端点及其交叉点的空间坐标，便于复测、验证；高频雷达天线沿测线方向匀速前行，实现数据采集。

如图1所示，1为复垦工区的边界线，2为探地雷达测线，探地雷达测线由两组呈一定角度的测线组成网状结构，每组测线包括若干条平行的测线，3为自定义的坐标系的轴线。以工区最西、最南两条相互垂直的测线，视为坐标系的x、y轴，定义交点的坐标为(1000,1000)，x轴坐标方位角α为10°0′00″测线间距在10-40m之间。

第二步：建立基于形态学的滤波处理方法。

在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤波处理，抑制杂波对分层信息的干扰。该方法基于目标体的水平分层特性，根据几何特性的相似原理，选择结构元素，进行开运算、闭运算以及膨胀运算。

在本例中，雷达图像应以如下集合形式表示：

A＝{(x，y，z)|0＜x＜m，0＜y＜n，z_xy}，

前两个变量表示采样点坐标，第三个向量表示离散的灰度值，雷达图像的形态滤波应基于开运算、闭运算以及膨胀运算3个过程，实现图像形态修饰，形态细化的效果。

其中，结构元素SE应能够凸显层位的分层特性，为的矩阵，实例中选用SE如下：

由于开闭运算次数不会改变处理结果，本例开闭运算的运算均为一次，膨胀运算8次。

第三步：雷达图像的纵向分割。

将各采样道回波信号作为彼此独立的信号，以各采样点的能量幅值表示。在此基础上，计算所有采样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算时间域上的能量方差，得到能量幅值的离散程度及分布图。需要说明的是，时间间隔为采样间隔，为纵轴双城走时与采样点数(一般为512/1024)的比值。在此基础上，以分布图的凸显程度，选取阈值，实现雷达图像的纵向分割。

雷达图像上水平方向的平均能量b由下式(1)计算求得，其中，i表示双层走时的微分单位，在此可以采样点号表示；j表示采样道次；

实例中，共计求得512个时间层的平均能量，采样道次628个。

第四步：复垦土壤剖面的雷达图像分层识别。

在每个分割的区段中，一定像点范围内，计算雷达图像能量方差峰值对应的采样点八方向上的能量梯度变化，基于最大梯度原则进行重采样，实现复垦土壤在雷达图像的分层识别。

实例中，像点范围为10×10的，当提取出最大梯度的采样点时，中心点移至该点，重复以上的步骤。

处理效果如图2所示，4为表土层的层位线，5为心土层与充填层(煤矸石)的层位线。

第五步：复垦土壤剖面的表达

对解译的雷达图像对应测线的土体进行开挖，获取5个以上复垦土壤的现实剖面，并记录分层的层数、土体性质以及层厚。以此为参照，将雷达图像分层信息与之进行对比分析，从而实现所有测线上的土壤剖面的精细表达。在此基础上，通过空间内插的方法，实现全工区土壤剖面的完整表达。

实例中，在进行空间内插时，各测线的土壤剖面采取如下表达方式：

L_i＝{x，y，h}，前两个参数表示平面坐标，第三个参数表示各层位的深度，根据等高线内插原理，将h替代高程z，生成各层位的TIN，生成等深线，在ARCGIS空间分析软件中，生成数字深度模型，达到三维显示的目的。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的作出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）雷达数据采集：在数据采集之前，布设全面覆盖工程的平面分布范围的探地雷达测线网，并在布设后测定各测线端点及其交叉点的空间坐标；高频雷达天线沿测线方向匀速前行，实现数据采集；

（2）建立基于形态学的滤波处理方法：在预处理的基础上，对雷达图像进行形态学的滤波处理，抑制杂波对分层信息的干扰；

（3）雷达图像的纵向分割：将雷达图像视为多条独立采样道的回波信号的组合，将各采样道回波信号作为彼此独立的信号，以各采样点的能量幅值表示；在此基础上，计算所有采样道中相同采样点号的能量幅值的均值，并计算在时间域上各采样点的能量方差，得到能量幅值的离散程度及分布图；在此基础上以分布图的凸显程度选取阈值，将低于阈值的区域作为背景区域进行删除，实现雷达图像的纵向分割；

（4）复垦土壤剖面的雷达图像分层识别：在每个分割的区段中，以区域内能量方差的峰值对应的采样点作为中心，计算该点外扩 r 像素的八方向上能量梯度变化，以最大能量梯度为方向进行重采样，并重复步骤（4）的计算过程，实现复垦土壤在雷达图形的分层识别；（5）复垦土壤剖面的表达：对解译的雷达图像对应测线的土体进行开挖，获取复垦土壤的现实剖面，并记录分层的层数、土体性质以及层厚；以此为参照，将雷达图像分层信息与之进行对比分析，从而实现所有测线上的土壤剖面的精细表达；在此基础上，通过空间内插的方法，实现全工区土壤剖面的完整表达。

2.如权利要求 1 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（1）中，利用测绘仪器测定各测线端点及其交叉点的空间坐标。

3.如权利要求 2 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（1）中，测线网呈网状形式。

4.如权利要求 1 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述滤波处理方法基于目标体的水平分层特性，根据几何特性的相似原理，选择结构元素，进行开运算、闭运算以及膨胀运算三个过程，实现图像形态修饰和形态细化。

5.如权利要求 4 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述结构元素为3X3的矩阵，凸显层位的分层特性。

6.如权利要求 4 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：形态滤波通过开运算、闭运算以及膨胀运算相互结合，经过多次运算完成。

7.如权利要求 1 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（2）中，在进行形态滤波计算时，雷达图像应以如下集合形式表示：A={(x,y,z)|0<x<m,0<y<n,z_xy}，（x,y）表示采样点坐标，z 表示离散的灰度值，经过滤波处理后的雷达图像用二值图像表示。

8.如权利要求 1 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（3）中，选取的阈值为能量方差最大值的 1/10。

9.如权利要求 1 所述的复垦土壤剖面的精细表达方法，其特征在于：所述步骤（5）中，复垦土壤的剖面重构采用分层剥离、交错回填的方式，现场开挖 3 至 5 个土壤剖面，进行层数、层厚、土体特性数据统计，以此作为经验数据，分别与所对应的雷达图像的分层信息进行对比分析。