CN109031266B - 一种土壤湿润体体积的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤待测湿润体体积估算方法，其中包括：扫描待测湿润体获取剖面探地雷达数据，构建估算模型计算待测湿润体的第一体积数据；实际测量待测湿润体获取第二体积数据；将第一体积数据与第二体积数据对比，计算估算模型精度；当估算模型精度小于预设阈值时，应用估算模型估算土壤湿润体体积。本发明提供的利用探地雷达GPR剖面估算滴灌下土壤湿润体体积的方法与普通的湿润体体积获取方法相比，具有快速、无损、原位、高效、准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及土壤学技术领域，尤其涉及基于探地雷达剖面构建体积模型估算土壤待测湿润体体积的方法，具体涉及一种土壤待测湿润体体积的估算方法。
背景技术
滴灌系统的有效设计和管理可以有效地促进向根区输送水和养分，从而提高用水效率和提高农业产量。目前，许多滴灌系统的优化设计和管理都需要了解滴头周围的湿润区域的大小。待测湿润体体积的测算，对研究滴头下方待测湿润体形状、大小、含水量的分布状况以及作物根系的有效范围有重要意义，是设计滴灌系统的重要参数。待测湿润体即滴灌条件下水分在土壤介质中的湿润区域，研究表明，在滴灌系统的优化设计和管理中，排放源下待测湿润体的形状和尺寸是最具影响力的变量。土壤待测湿润体的位置、大小和形状对作物的生长非常重要，是土壤水分运动及分布的核心。待测湿润体特征值的研究是对滴灌条件下水分运动规律及分布特性的研究和进行正确的滴灌系统设计和高水平的田间作物水分管理的前提和基础。
目前，对于土壤待测湿润体特征、变化规律等方面的研究较为完善，但对于体积测算的相关研究在国内较少。待测湿润体体积的研究多采用开挖法、数值模型法和软件估测法等方法。其中，利用开挖法对待测湿润体进行体积探测和变化规律研究，容易对土层形成扰动，破坏待测湿润体完整性，不能保证原位探测，并且费时费力，成本较高，效率较低，对待测湿润体界面干湿土壤在视觉上的分辨率较低，存在破坏待测湿润体原状和空间连续测量困难等弊端；数值模型法专业性强，且计算量大，使用不便，不利于推广；软件分析法需要通过一定数量的数据库和信息库来进行估测，对数据的要求较高，不适合情况复杂多变现实情况。
因此，目前在待测湿润体体积测算领域亟待研究出一种新型的土壤待测湿润体体积估算方法。通过这种新型估算方法能在一定的空间范围内快速、无损、连续、实时测定土壤待测湿润体体积，改善或解决上述现有技术中存在的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种土壤待测湿润体体积估算方法，针对在滴灌下形成的土壤湿润体，以探地雷达为设备，通过滴灌形成不同灌水量湿润体、对湿润体进行探地雷达GPR探测、利用多个湿润体GPR剖面建立三维模型、模型体积计算，对比实测精度验证。本发明提供的利用探地雷达GPR剖面估算滴灌下土壤湿润体体积的方法与普通的湿润体体积获取方法相比，具有快速、无损、原位、高效准确的特点。
根据本发明的一个方面，提供一种土壤待测湿润体体积估算方法，其中，包括以下步骤：
扫描待测湿润体获取所述待测湿润体剖面探地雷达(Ground penetratingradar，简称GPR)数据，基于所述探地雷达数据构建估算模型，计算所述待测湿润体的第一体积数据，
其中，所述待测湿润体为将供试土壤均匀填装在模型箱内，对所述供试土壤进行灌溉操作并静置预设时间而构建的不同灌水量的待测湿润体；
实际测量所述待测湿润体获取所述待测湿润体的第二体积数据；
将所述第一体积数据与所述第二体积数据对比，计算所述估算模型精度；
当所述估算模型精度小于预设阈值时，应用所述估算模型估算土壤湿润体体积即可。
本发明提供的一种土壤待测湿润体体积估算方法是以不破坏土壤待测湿润体为前提进行原位探测，实现了探地雷达技术对土壤待测湿润体体积的快速、无损、原位、高效的估算,推动待测湿润体特征方面的相关研究，促进探地雷达技术在滴灌系统设计和管理方面的应用，为精准农业、节水农业提供技术支持。
进一步的，所述供试土壤为地表层0-20cm的无污染清洁土壤。
进一步的，所述供试土壤选自棕壤土。
进一步的，所述灌溉操作为采用去离子水按照60滴/min进行缓慢匀速的滴灌操作。
进一步的，所述预设时间根据滴灌操作的灌水量不同，设置为10分钟至2个小时之间。
进一步的，所述待测湿润体为200ml、300ml、400ml、600ml水量的待测湿润体。
进一步的，所述扫描待测湿润体获取所述待测湿润体剖面探地雷达(Groundpenetrating radar，简称GPR)数据，基于所述探地雷达数据构建估算模型，计算所述待测湿润体的第一体积数据，包括以下步骤：
对所述待测湿润体进行探地雷达扫描，获取所述待测湿润体剖面的扫描数据；
对所述剖面扫描数据进行处理，获取所述待测湿润体的剖面面积数据，
其中，所述处理至少包括噪声处理、偏移处理中的一项；
根据三重积分计算不规则物体体积原理，基于所述剖面面积数据构建待测湿润体体积估算模型并计算所述待测湿润体的第一体积数据。
进一步的，计算所述待测湿润体的第一体积数据所依据的公式为：
VGPR＝V台+V锥
其中，VGPR为第一体积数据，单位cm3；V台为待测湿润体相邻剖面之间的台体体积，单位cm3；V锥为待测湿润体两端的锥体体积，单位cm3；
其中，得出所述相邻剖面之间的台体体积所依据的公式为：
V台＝L*(S左+S右)/2
其中，S左为台体左侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；S右为台体右侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；L为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位cm；
得出所述待测湿润体两端的锥体体积所依据的公式为：
V锥＝Si*h'/3
h'＝Φ/2-Li
其中，Si为待测湿润体距离中心测线的第i个剖面的剖面面积数据，单位cm2；h'为锥体的高度，单位cm；Φ为与剖面垂直方向的直径(也就是过滴点与测线垂直的那条直径)，单位cm；L为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位cm；i为第i个剖面的数值。
进一步的，所述实际测量所述待测湿润体获取所述待测湿润体的第二体积数据，包括以下步骤：
剥离所述待测湿润体周围的干土并剖开所述待测湿润体；
对所述待测湿润体剖面进行拍照，测量所述待测湿润体的厚度，并按厚度将所述待测湿润体剖面进行分层；
在每层取出相同数量的土样并进行封装称重；
采用环刀法对剩余待测湿润体进行取样，计算土壤容重；
采集待测湿润体周围干土，计算供试土壤初始体积含水量；
根据所述土壤容重与所述供试土壤初始含水量计算待测湿润体的第二体积数据。
进一步的，得出所述第二体积数据所依据的公式为：
△θ＝θ1-θ2
其中，V为所述待测湿润体的第二体积数据，单位cm3；v水为待测湿润体的灌水量，单位ml；△θ为灌溉操作后供试土壤体积含水量的；θ1为待测湿润体体积含水量；θ2为供试土壤初始体积含水量；
所述体积含水量通过质量含水量和土壤容重计算获得，得出质量含水量所依据的公式为：
w＝(m-ms)/ms×100％
其中，w为质量含水量；m为湿土重量，ms为干土重量，单位均为g；
得出所述土壤容重所依据的公式为：
其中，ρ为土壤容重，单位g/cm3；m2为环刀重量，m1为环刀和烘干土的总重量，单位均为g；υ为环刀容积，单位cm3。
进一步的，计算所述估算模型精度所依据的公式为：
E(V*)＝V-VGPR
其中，E(V*)为绝对误差值；V为所述第二体积数据；VGPR为所述第一体积数据；
δ＝E(V*)/V*100％
其中，δ为相对误差；E(V*)为绝对误差；V为所述第二体积数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明公开的土壤待测湿润体体积估算方法以不破坏土壤待测湿润体为前提进行原位探测，实现了探地雷达技术对土壤待测湿润体体积的快速、无损、原位、高效的估算,推动了土壤待测湿润体特征方面的相关研究，促进了探地雷达技术在滴灌系统设计和管理方面的应用，为精准农业、节水农业提供了技术支持。
2、本发明公开的土壤待测湿润体体积估算方法，采用无损检测技术，不必对供试土壤进行开挖，不会对土层形成扰动，与开挖法相比，保持了土壤湿润体的完整性，在时间和空间尺度上都便于土壤对湿润体进行观测。
3、本发明公开的土壤待测湿润体体积估算方法，相对于数值模型法更简便、快捷、易行，便于土壤待测湿润体体积估算技术的推广使用。
4、本发明公开的土壤待测湿润体体积估算方法，相对于软件分析法需要测量大量数据、不适合土壤复杂多变的情况来说，具有不受土壤类型限制，可行性高，应用范围广，省时省力等特点。
5、本发明公开的土壤待测湿润体体积估算方法，不仅可用于滴灌湿润体探测，还可用于多种灌溉方式(如涌泉灌溉、微润带灌溉)下的湿润体体积探测或其他地下异物的体积探测。
附图说明
图1为本发明实施例中土壤湿润体体积估算方法的流程图；
图2为本发明实施例中模型箱的设计示意图；
图3为本发明实施例中雷达影像构建三维湿润体模型示意图(其中：L为湿润体直径、Si为剖面、V为被剖面分割的体积单元)；
图4为本发明实施例中湿润体GPR测线原始剖面探测效果图(其中：1、2、3和4系列分别对应200ml、300ml、400ml和600ml灌水量湿润体测线a、b、c上的剖面)；
图5为本发明实施例中F-K偏移处理效果图和实际开挖图(其中：a-1、b-1、c-1分别对应200ml、400ml和600ml灌水量湿润体GPR中心剖面；a-2、b-2、c-2分别对应200ml、400ml和600ml灌水量湿润体实测中心剖面)；
图6为灌水量分别为500ml、1000ml、1500ml、2000ml、2500ml的五个湿润体的实地图片。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本实施例提供了一种土壤湿润体体积估算方法，其中，包括以下步骤：
S1、扫描待测湿润体获取待测湿润体剖面探地雷达(Ground penetrating radar，简称GPR)数据，基于探地雷达数据构建估算模型，计算待测湿润体的第一体积数据，
其中，待测湿润体为将供试土壤均匀填装在模型箱内，对供试土壤进行灌溉操作并静置预设时间而构建的不同灌水量的待测湿润体；
S2、实际测量待测湿润体获取待测湿润体的第二体积数据；
S3、将第一体积数据与第二体积数据对比，计算估算模型精度；
S4、当估算模型精度在预设阈值范围内时，应用估算模型估算土壤湿润体体积。
为便于对本发明的理解，下面结合本实施例提供的土壤湿润体体积估算方法对本发明的原理做进一步的描述：
首先，选取具体材料：
(1)土壤和水
土壤一般为作物用的耕作土壤，耕性良好，尽量选择含沙石等异物较少的、保水透水、透气性能适中的壤土。水源为清洁的灌溉水源。
在本实施例中所用供试土壤取自场地附近表层0-20cm的无污染的清洁土壤，为常见的棕壤土。土壤自然风干后，过孔径2mm筛，去除不规则的大型颗粒等杂质，保证土壤内部质地均匀，减少大颗粒物和矿物对水分扩散的阻碍和团粒体对水的吸附作用。各方向透水性较为一致，能够实现灌溉水均匀扩撒，形成较为规则的待测湿润体。
对土壤进行土性测定，测得的供试土壤机械组成(按照国际制)为：黏(＜0.002mm)、粉(0.02-0.002mm)、砂(2-0.02mm)所占比例，如表1所示，表中土壤颗粒含量沙粒含量站44％，粉粒占53％，二者含量差距较小，对透水性影响最大的黏土粒只含3％，对各方向水分扩散影响较小。
在本实施例中灌溉用水为普通去离子水。去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水，去除杂质后能够剔除灌溉水源所含杂质对介电常数的影响，更接近理想状态下土壤扩散效果。
表1供试土壤机械组成
(2)模型箱
待测湿润体构建多利用模型箱(用于探地雷达室内实验，也称砂箱)，用于存放供试土壤，避免周围环境土壤的污染而产生误差。为降低对雷达波的干扰，制作模型箱的主要材质为木板。尺寸为：长1.1m、宽0.6m、高0.45m。模型箱放置在水泥地面上，距离地面0.1m，如图2所示，为模型箱的设计示意图。将风干后的供试土壤填满模型箱，表面抚平。
(3)探地雷达
针对所探测湿润体大小，一般选择高频雷达，用于探测地表浅层湿润体。频率为1500MHz,探测深度为0.03m-0.5m。
在本实施例中选用中国电波传播研究所最新研制的LTD-2100的探地雷达。
当然，探地雷达不限于本实施例所列举的LTD-2100的探地雷达。还可以采用其他的探地雷达，如加拿大Ekko系列探地雷达、瑞典MALA系列探地雷达以及国内一些品牌雷达均可以实现方便准确地对待测湿润体进行扫描。
在本实施例中利用探地雷达自带软件，对扫描数据进行预处理。利用REFLEXW软件对探地雷达(Ground penetrating radar，简称GPR)剖面数据进行偏移处理，还原湿润体真实剖面形状。借助Arc gis软件勾绘待测湿润体剖面轮廓并计算剖面面积。
(4)其他材料
滴灌设备、水桶、漏斗、量杯、量筒、计时器等。
在本实施例中选用用于进行农田灌溉的滴灌设备，可以进行滴头流量和滴速的控制。设备主要包括：管上滴头，滴灌带，滴灌管。滴灌设备主要应用于宽行、高经济价值的作物如果树、棉花、土豆、蔬菜、苗圃、温室作物等的灌溉上，林业种树及及园林乔、灌木、花卉等植物的灌溉上。
本实施例示例的土壤湿润体体积估算方法，具体实施步骤如下：
S0、获取待测湿润体
在本实施例中采用滴灌操作构建不同灌水量的待测湿润体。当然，待测湿润体的构建不限于滴灌操作，本实施例示例的估算方法还可以用于其他灌溉方式下，如涌泉灌溉、微润带灌溉等方式下构建的湿润体体积的探测。
在本实施例中，将滴灌设备的滴头固定在模型箱中心，距离土壤表面0.5cm位置，利用量筒依次量取200ml、300ml、400ml和600ml灌溉用水，装入设备，按照60滴/min进行缓慢匀速滴灌。
每个灌水量滴灌结束后，静置30min，待灌溉水在土壤内充分渗透，形成测待测湿润体。当然，供试土壤的静置时间不限于30min，根据灌水量大小，静置时间可以设置为10分钟至2小时之间，优选的为20至40分钟。只要能够达到灌溉水在土壤内充分渗透，形成测待测湿润体即可。
S1、计算待测湿润体的第一体积数据
在本实施例中，计算待测湿润体的第一体积数据，具体包括以下步骤：
在滴灌实验完成后，沿同一方向，严格按照规划测线，逐条扫描。采集每个测线上湿润体剖面，设定雷达采集的时窗为14ns，每条测线匀速测量，记录每条测线所测数据文件。
S11、对湿润体进行测线规划和雷达扫描
为了获取土壤湿润体体积的剖面组成，在土壤表面，以过滴头所在点为中心测线，每隔5cm向两侧布设一条平行测线，直到覆盖整个湿润体。沿同一方向，严格按照规划测线，逐条扫描。采集每个测线上湿润体剖面，每条测线匀速测量，记录每条测线所测数据文件。
所有测线扫描完毕后，开挖湿润体进行体积含水量和尺寸测量。在此基础上，构建湿润体体积估算模型。
S12、对雷达数据进行处理，获取剖面面积数据
原始数据中既包含有用信息，也包含各种噪声，会在有些情况下掩盖有用信息。数据处理通过压低噪声、增强信号、提高原始数据信噪比，以方便数据中的特征信息提取。预处理一般用雷达自带软件，利用REFLEXW软件对GPR剖面数据进行偏移处理，还原湿润体真实剖面形状。借助Arc gis软件勾绘湿润体剖面轮廓并计算其面积。
S13、构建体积估算模型并计算第一体积数据
选用雷达随机的IDSP6.0后处理软件进行数据预处理：
雷达剖面上的数据会出现全是正的或全是负的或是正负半周不对称的情况，这时数据含有直流偏移量，因此需要先将直流成分消除或压制，再对数据进行其他处理。处理方法较为简单，先对道数进行数据求和，除以采样点数，得到平均值，然后将该道的数据减去平均值，得到处理结果。原始数据中既包含有用信息，也包含各种噪声，会在有些情况下掩盖有用信息。数据处理通过压低噪声、增强信号、提高原始数据信噪比，以方便数据中的特征信息提取。采用数字滤波的方法，去除数据中的干扰信号。数字滤波时根据数据中有效信号和干扰信号频谱范围的不同来消除干扰波。利用REFLEXW软件对GPR剖面数据进行偏移处理，还原待测湿润体真实剖面形状。借助Arc gis软件勾绘待测湿润体剖面轮廓并计算其面积，在此基础上利用三重积分法建立体积估算模型。其处理效果图和实际开挖图如图5所示。在此基础上利用三重积分法建立体积估算模型。
根据三重积分求算不规则物体体积的原理，采用体积分部累加的方法建立基于剖面面积的湿润体体积GPR估算模型，模型示意图如图3所示，整个湿润体被雷达测线所在剖面分割为两种类型体积单元，即测线GPR剖面之间的构成的台体和湿润体边缘的锥体。因此，得出湿润体体积估算模型如下：
VGPR＝V台+V锥
其中，VGPR为第一体积数据，单位cm3；V台为待测湿润体相邻剖面之间的台体体积，单位cm3；V锥为待测湿润体两端的锥体体积，单位cm3。
台体计算公式如下：
V台＝L*(S左+S右)/2
其中，S左为台体左侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；S右为台体右侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；L为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位。
两侧锥体计算公式为：
V锥＝Si*h'/3
h'＝Φ/2-Li
其中，Si为待测湿润体距离中心测线的第i个剖面的剖面面积数据，单位cm2；h'为锥体的高度，单位cm；Φ为与剖面垂直方向的直径(也就是过滴点与测线垂直的那条直径)，单位cm；L为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位cm；i为第i个剖面的数值。上述公式中Si通过Arc Map对偏移处理后的影像测量获得。
S2、实际测量待测湿润体获取第二体积数据
在本实施例中，实际测量待测湿润体获取第二体积数据，具体包括如下步骤：
雷达探测结束后，在中心测线方向和与之垂直的方向上，分别测量待测湿润体的直径。小心地剥离待测湿润体周边的干土。沿中心测线垂直向下剖开待测湿润体，用数码对待测湿润体剖面拍照，测量待测湿润体厚度，并按厚度将剖面平均分为上、中、下三层，每层用小勺均匀取3个土样后迅速封装称重。最后利用环刀法对剩余待测湿润体进行取样，用于确定容重。采集待测湿润体周围干土用来计算初始土壤含水量。
由于体积含水量是土体中水的体积与土体的总体积的比值因此，本文通过灌水量、初始土壤体积含水量和待测湿润体体积含水量，确定待测湿润体的实测体积，即第二体积数据，计算公式如下：
△θ＝θ1-θ2
其中，V为待测湿润体的第二体积数据，单位cm3；v水为待测湿润体的灌水量，单位ml；△θ为灌溉操作后供试土壤体积含水量的增量；θ1为待测湿润体体积含水量；θ2为供试土壤初始体积含水量；
所述体积含水量通过质量含水量和土壤容重计算获得，得出质量含水量所依据的公式为：
w＝(m-ms)/ms×100％
其中，w为质量含水量；m为湿土重量，ms为干土重量，单位均为g；
得出所述土壤容重所依据的公式为：
其中，ρ为土壤容重，单位g/cm3；m2为环刀重量，m1为环刀和烘干土的总重量，单位均为g；υ为环刀容积，单位cm3。
S3、计算估算模型精度
估算模型的精度验证主要采用以下几种参数作为标准。
(1)绝对误差，是真值与测量值之差的绝对值，即第二体积数据与第一体积数据之差的绝对值。
E(V*)＝V-VGPR
式中，E(V*)为绝对误差值；V为实测体积,即第二体积数据；VGPR为模型估算体积。
(2)相对误差，一般用百分数给出，是绝对误差占真值的比重。
δ＝E(V*)/V*100％
式中，δ为相对误差；E(V*)为绝对误差；V为实测体积，即第二体积数据。
计算估算模型精度：
利用步骤S1中的方法获取了待测湿润体的剖面面积后，利用步骤S1中的系列公式，求取待测湿润体剖面面积的体积GPR估算模型结果，通过绝对误差公式和相对误差公式计算估算模型的误差，计算结果如下表2所示。
表2剖面模型精度分析
估算模型所得体积与实测体积整体误差较小，平均相对误差为8.71％，在灌水量小时误差较大，原因是由于估算模型体积算法特点导致的。在本实施例中数据采集测线间隔设计为较小的5cm，目的在于提高模型计算精度。但模型所使用的剖面在针对体积较小待测湿润体时，剖面仍相对较少，剖面间距相对待测湿润体体积来说较大，因此所得误差较大。在灌水量增加后，剖面数量增加，由此精度相对提高。所以在400ml过后，相对误差产生了明显的下降。600ml灌水量待测湿润体体积计算精度达到6.28％。因此本实施例示例的估算模型比较适用于灌水量大于400ml的待测湿润体体积计算。
本实施例示例的估算模型，虽然在灌水量小时误差较大，但是与传统方法相比，本实施例示例的估算方法，优势在于不必对供试土壤进行开挖，不用对土层形成扰动，就可以快速无损地探测待测湿润体体积。
S6、应用估算模型估算土壤湿润体体积
实验场地位于山东农业大学(南校)农场，无杂草田地，本次实验主要目的是检测大田实测中GPR探测土壤湿润体的范围及雷达图像特征。本实施例中的室内实测是在近于理想的实验条件下进行的:实验用土适合雷达探测的条件，土壤湿润体不存在相互靠近或交错且雷达测线方向与形成的湿润体垂直。
但在实际条件下，土壤环境异质性(空间异质性)更强，同时待测湿润体延展可能呈不同角度，因此所得到的雷达图像将会更为复杂。为验证GPR探地雷达测量大田湿润体的可行性，进行了大田滴灌湿润体探测实验，考虑到大田土壤与室内土壤差异性较大，土壤不是理想的风干条件。因此设计实验如下：
设计五个待测湿润体，其灌水量分别为500ml、1000ml、1500ml、2000ml、2500ml，灌水点间隔为1m(如图6所示)。灌溉结束静置2小时后，土壤水不再扩散，处于稳定状态，进行GPR探地雷达数据采集，测线位于湿润体中心位置，连续测量。数据处理同本实施例中室内实测。
图6中1、2、3、4、5分别对应灌水量500ml、1000ml、1500ml、2000ml、2500ml土壤湿润体。从灌水量1500ml、2000ml、2500ml的湿润体看出，这三个土壤湿润体的下界面几乎在一条水平线上，说明随着灌水量的增加，土壤湿润体没能往下扩展而是朝向周围扩展，通过开挖剖面发现湿润体下界面以上土壤通过人工耕作，土壤较松软，而湿润体下界面以下土壤没能经过深耕，土壤密度大质地较硬，阻碍了水分在土壤扩散。
在以上因素影响下，与滴灌方式下土壤湿润体的正演模拟结果及水槽实验结果对比发现，大田实验结果与实验结果仍较相似，随着灌水量增加土壤湿润体下界面的能量越强，振幅波动越大。通过雷达波扰动情况可判定土壤湿润体大致范围。经过数据处理，土壤湿润体的形状和范围较容易识别，由于模型箱实验土壤较为均一，得到湿润体形状较规整，大田实验受到探测环境及土壤介质不均一等因素影响，得到的土壤湿润体形状不是很规整，但探测的湿润体特征十分明显，与室内实验探测湿润体特征较为一致。
应用本实施例示例的估算模型计算结果如下表所示：
| 灌水量 | 模型计算体积 |
| 500 | 3426.4 |
| 1000 | 7021 |
| 1500 | 107669.8 |
| 2000 | 14210.2 |
| 2500 | 17804.8 |
本实施例示例的土壤待测湿润体体积估算方法，不仅可用于滴灌湿润体探测，还可用于多种灌溉方式下的湿润体体积探测或其他地下异物的体积探测。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。
Claims (6)
1.一种土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
扫描待测湿润体获取所述待测湿润体剖面探地雷达数据，基于所述探地雷达数据构建估算模型，计算所述待测湿润体的第一体积数据，包括以下步骤：
对所述待测湿润体进行探地雷达扫描，获取所述待测湿润体的剖面扫描数据；
对所述剖面扫描数据进行处理，获取所述待测湿润体的剖面面积数据，
其中，所述处理至少包括噪声处理、偏移处理中的一项；
根据三重积分计算不规则物体体积原理，基于所述剖面面积数据构建待测湿润体体积估算模型并计算所述待测湿润体的第一体积数据；计算所述待测湿润体的第一体积数据所依据的公式为：
VGPR＝V台+V锥
其中，VGPR为第一体积数据，单位cm3；V台为待测湿润体相邻剖面之间的台体体积，单位cm3；V锥为待测湿润体两端的锥体体积，单位cm3；
其中，得出所述相邻剖面之间的台体体积所依据的公式为：
V台＝L*(S左+S右)/2
其中，S左为台体左侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；S右为台体右侧待测湿润体的剖面面积数据，单位cm2；L为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位cm；
得出所述待测湿润体两端的锥体体积所依据的公式为：
V锥＝Si*h′/3
h′＝Φ/2-Li
其中，Si为待测湿润体距离中心测线的第i个剖面的剖面面积数据，单位cm2；h′为锥体的高度，单位cm；Φ为与剖面垂直方向的直径，单位cm；Li为待测湿润体相邻剖面之间的间距，单位cm；
其中，所述待测湿润体为将供试土壤均匀填装在模型箱内，对所述供试土壤进行灌溉操作并静置预设时间而构建的不同灌水量的待测湿润体；
实际测量所述待测湿润体获取所述待测湿润体的第二体积数据；
包括以下步骤：
剥离所述待测湿润体周围的干土并剖开所述待测湿润体；
对所述待测湿润体剖面进行拍照，测量所述待测湿润体的厚度，并按厚度将所述待测湿润体剖面进行分层；
在每层取出相同数量的土样并进行封装称重；
采用环刀法对剩余待测湿润体进行取样，计算土壤容重；
采集待测湿润体周围干土，计算供试土壤初始体积含水量；
根据所述土壤容重与所述供试土壤初始含水量计算待测湿润体的第二体积数据，得出所述第二体积数据所依据的公式为：
Δθ＝θ1-θ2
其中，V为待测湿润体的第二体积数据，单位cm3；V水为待测湿润体的灌水量，单位ml；Δθ为灌溉操作后供试土壤体积含水量的增量；θ1为待测湿润体体积含水量；θ2为供试土壤初始体积含水量；
所述体积含水量通过质量含水量和土壤容重计算获得，得出质量含水量所依据的公式为：
w＝(m-ms)/ms×100％
其中，w为质量含水量；m为湿土重量，ms为干土重量，单位均为g；
得出所述土壤容重所依据的公式为：
其中，ρ为土壤容重，单位g/cm3；m2为环刀重量，m1为环刀和烘干土的总重量，单位均为g；V 为环刀容积，单位cm3；
将所述第一体积数据与所述第二体积数据对比，计算所述估算模型精度；
当所述估算模型精度小于预设阈值时，应用所述估算模型估算土壤湿润体体积。
2.根据权利要求1所述的土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，所述供试土壤为地表层0-20cm的无污染清洁土壤。
3.根据权利要求1所述的土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，所述供试土壤选自棕壤土。
4.根据权利要求1所述的土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，所述灌溉操作为采用去离子水按照60滴/min进行缓慢匀速的滴灌操作。
5.根据权利要求4所述的土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，所述预设时间根据滴灌操作的灌水量不同，设置为10分钟至2个小时之间。
6.根据权利要求5所述的土壤待测湿润体体积估算方法，其特征在于，所述待测湿润体为200ml、300ml、400ml、600ml水量的待测湿润体。
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