CN109031290A - 一种土地工程的质量检测方法 - Google Patents

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宋文文
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Abstract

本发明公开了一种土地工程的质量检测方法，涉及土壤研究技术领域。包括：在待检测土地区域确定探测路径；在待检测土地区域布置测线与取样点；采用探地雷达对所述待检测土地区域的厚度结构层次进行探测；提取探地雷达的信号特征，设置探地雷达的探测参数，实地探测，获取雷达检测图像；利用探地雷达图像处理软件进行图像解译，对电磁波速度进行修正；对图像进行预处理，根据雷达探测图像分析所述待检测土地区域的结构特点。本发明使用探地雷达的无损检测技术安全性、效率与精度都大大提高；本发明针对不同的工程进行针对性检测，选取典型的整治项目区作为研究区，较好地控制了试验变量与干扰性，降低了研究误差，实现了快速有效的检测。

Description

一种土地工程的质量检测方法
技术领域
本发明涉及土壤研究技术领域，尤其涉及一种土地工程的质量检测方法。
背景技术
近年伴随政府对农村基础设施的重视，新农村建设的快速发展，为了满足生产与生活的需要，农村公路越来越多，与此同时农村公路质量问题也暴露出来，农村道路施工质量优劣影响着道路使用寿命，更会影响村民生产与出行，制约农村经济发展。
农村道路的验收工作与质量评价还在受传统方法的制约，仅仅依靠道路边缘芯样来进行质量评价，体现了其低效性与局限性，无法全面掌握施工质量。在实际的整治工程项目验收中，对覆土工程的质量检测也仅仅限于取土样检测其有效成分以及人力剖面开挖，既费时又费力，效率低下且无法反映覆土层的厚度分布情况及其压实度与均匀度。
伴随土地整治工程的大力开展，对工程进行质量检测便成为了一项必要工作，然而，当前，我国土地整治工程还是以传统检测方法为主，这种方法直观，可靠，并且可以反映工程的某些特性，但是还存在局限性。例如在项目区道路的检测中，使用传统钻芯法存在随机性，且效率低，需要耗费大量的人力物力以及时间成本，其精度与安全性较差，该方法对道路有一定程度的毁坏作用，影响道路的正常使用，已经越来越无法适应道路建设高速发展的要求。
在管线探测中，由于地下管线的种类繁多，且不同尺寸、不同用途、不同材料的地下管线，所适用的探测技术也不同，而传统的地下管线探测技术，往往难以准确的评估损伤程度、无法直接检验地下管线的铺设情况是否合格，且对地貌地形条件要求较高，容易引发一系列的安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种土地工程的质量检测方法，主要目的是解决检测过程不准确、对检测对象损伤大及检测效率低的问题。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种土地工程的质量检测方法，所述检测方法包括以下步骤：在待检测土地区域确定探测路径；
在待检测土地区域布置测线与取样点；
采用探地雷达对所述待检测土地区域的厚度结构层次进行探测；
提取探地雷达的信号特征，设置探地雷达的探测参数，在所述待检测土地区域进行实地探测，获取雷达检测图像；
利用探地雷达图像处理软件进行图像解译，对电磁波速度进行修正；
对图像进行预处理，分析所述待检测土地区域的结构特点。
作为优选，所述土地工程包括土壤覆土层厚度检测、田间道路工程无损检测及排水灌溉工程管线无损检测。
作为优选，对于土壤覆土厚度检测和田间道路工程无损检测，分析结构特点是指分析覆土层与底基层，道路面层与素土基层，得到覆土层与道路面层的厚度值，根据雷达剖面图进行判断分析覆土层的厚度是否达标，道路的厚度是否符合验收标准，判断结构层的内部介质分布均匀与否；
对于排水灌溉工程管线无损检测，分析结构特点是指提取待检测土地区域的PVC管道的反射层特征，定位地下管道位置，根据其反射波与剖面的幅值判定其埋深与探测效果，综合评价工程质量。
作为优选，所述探地雷达的探测参数为天线发射电磁波的中心频率与接收电磁波的中心频率、探测时窗以及信号的采样率。
作为优选，所述待检测土地区域为肥城市桃园镇，采用探地雷达检测覆土厚度的时窗设置为20ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为9.96cm/ns，覆土层的平均厚度为59.55cm，变异系数为5.09％，相对误差-2.70％。
作为优选，所述待检测土地区域为泰安市岱岳区祝阳镇土地治理项目区与泰安市新泰市谷里镇土地治理项目区；采用探地雷达检测祝阳镇的道路混凝土面层厚度时的时窗设置为36ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为11.89cm/ns，平均厚度为21.025cm，相对误差1.39％；
采用探地雷达检测谷里镇的道路混凝土面层厚度时的时窗设置为36ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为10.53cm/ns，平均厚度为12.2cm，相对误差0.34％。
作为优选，所述待检测土地区域为肥城市安驾庄镇东南部；采用探地雷达检测PVC管道时的时窗设置为22ns，天线中心频率为250MHz，管线设计埋深为1.0m，管线实际探测埋深为0.9m。
作为优选，所述探地雷达为加拿大Sensors&Software公司的首发分离式雷达pulse EKKOPRO 1000型探地雷达及配备250MHz空气耦合天线；其中，pulse EKKO PRO专业型探地雷达系统包括DVL、控制模块、发射单元、接收单元和传输电缆。
另一方面，本发明实施例提供了上述探地雷达在土壤覆土厚度检测中的应用。
又一方面，本发明实施例提供了上述探地雷达在田间道路工程和排水灌溉工程管线无损检测中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以探地雷达的无损检测技术作为创新手段，采用pulse EKKO PRO 1000型探地雷达,对试验方案、研究方法和研究内容进行创新设计，结合实际土地整治工程，对研究区的工程进行了质量检测，获得了很好的研究成果，具体主要进行了如下工作：
(1)验证了无损检测在覆土工程厚度结构检测中的可行性。通过对覆土工程的质量进行实际检测，发现试验项目区覆土厚度总体满足标准，均值为59.55cm，相对误差为-2.70％，空间变异系数为5.09％，可见变异程度较小，误差合理，精确程度较高。
(2)验证了使用GPR技术在道路验收上应用的可行性。使用剖面法对道路工程混凝土路面进行雷达探测，结合现场钻孔取芯进行电磁波速度修正，经过校正、增益、背景去噪、反褶积等多项预处理，有效抑制噪声，提高分辨力，最后根据相应的电磁波传播速度值完成厚度分析工作，获得不同设计标准的道路工程面层与基层的厚度结构与路面的均匀度情况。结果表明，探地雷达对道路厚度结构探测最大相对误差不超过1.43％，标准差介于0.08-0.66之间，可见其准确度超越了传统方法，精度可靠；精处理后雷达图像清晰，可同步了解道路面层与基层的介质均匀度情况，其中面层厚度起伏不大，个别路段基层压实不充分，厚度不均。符合设计标准与验收要求，为土地整治道路工程的验收与质量评价工作提供有效的帮助。
(3)最后验证了探地雷达用于整治工程中PVC管道的探测是科学性。对于近距离并行管线难以确定的问题，通过几何方法与设计资料，以及施工单位的实地埋设情况交流等，可以较好地确定出PVC管线位置。根据非金属管道的反射层提取特征，通过使用探地雷达对项目区出水口下的PVC管道埋设情况进行了管道探测，实现了出水口下埋深为1m的管道定位，且误差为0.1m，误差较小，满足限差的要求，可见其定位较为准确，验证了无损检测对于项目区PVC管道检测定位的可行性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用探地雷达检测土地工程质量的技术路线流程图；
图2是本发明实施例提供的探地雷达系统结构框图；
图3是本发明实施例提供的探地雷达检测道路工作原理图；
图4是本发明实施例提供的探地雷达反射波示意图；
图5是本发明实施例提供的探地雷达电磁波底面反射与折射示意图；
图6是本发明实施例提供的EKKO雷达系统组成图；
图7A是本发明实施例1提供的覆土工程的试验探测现场图；
图7B是本发明实施例1提供的覆土工程的试验探测现场图；
图7C是本发明实施例1提供的覆土工程的试验探测现场图；
图8是本发明实施例1提供的覆土工程的测线分布图；
图9是本发明实施例1提供的覆土工程的共中心点法工作原理图；
图10A是本发明实施例1提供的覆土工程的雷达剖面图；
图10B是本发明实施例1提供的覆土工程的雷达剖面图；
图11是本发明实施例2提供的道路工程的测线分布图；
图12A是本发明实施例2提供的道路工程的探测现场图；
图12B是本发明实施例2提供的道路工程的探测现场图；
图12C是本发明实施例2提供的道路工程的探测现场图；
图13A是本发明实施例2提供的道路工程的混凝土路面厚度(设计标准18cm)结构图；
图13B是本发明实施例2提供的道路工程的混凝土路面厚度(设计标准15cm)结构图；
图13C是本发明实施例2提供的道路工程的混凝土路面厚度(设计标准12cm)结构图；
图14A是本发明实施例3提供的管线探测工程的管线出水口现场图；
图14B是本发明实施例3提供的管线探测工程的管线出水口现场图；
图15是本发明实施例3提供的管线探测工程的管线探测测线分布图；
图16是本发明实施例3提供的管线探测工程的实测管道雷达剖面图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例采用的探地雷达：如图2-图6所示，探地雷达的系统主要是由发射天线和接收天线、发射机、接收机、数据控制中心、以及处理中心各部分组成。其中，各部分之间是相辅相成，相互依存的。雷达接收到信号后经处理单元处理，将分析出的需要的电磁波运动信息显示在屏幕上，从而实时快速的观测信号。主要采用高频电磁波，以宽频脉冲的方式，通过发射器传入到需要检测的地下，电磁波在地下的不同介质中，一部分会反射回来，一部分继续穿透，由探地雷达的接收器接收返回的电磁波信号，将电磁波信号转化为数字信号进行分析，从而了解地下结构以及界面的不同性能。
本发明的探测方法原理：
探测参数选择方法：主要选择技术指标包括：天线发射电磁波的中心频率与接收电磁波的中心频率、探测时窗以及信号的采样率，通过这些参数可以确定探地雷达的基本技术指标，实现探地雷达的基本性能。
(1)天线的中心频率：决定天线中心频率的主要是空间分辨率、波干扰和探测深度。在实际应用中，考虑到满足探测距离分辨率的前提下，优先使用频率较低的雷达天线，这样不仅能满足探测深度和分辨率而且能够降低雷达的发射功率。假设要求的距离分辨力是x(m)，那么根据以下公式可以得到探地雷达的中心频率。
其中，εr表示的是介质的相对介电常数。这样就可以计算得到探地雷达的中心频率，并分析系统所能达到的最大深度。
此外，探测深度直接决定了探地雷达的有效探测距离，因此也决定了探地雷达的收发天线中心频率的选择。具体的中心频率范围可以通过计算公式得到，用H来表示探地雷达的探测深度，计算公式如下：
(2)时窗选择：时窗选择主要依据具体需要探测的最大探测深度(m)以及电磁波在被探测介质中的电磁波速度v(m/ns)。根据实际情况的需求，进行时窗的选择，其大小用W(ns)来表示，可以使用下式进行估算：
(3)采样频率：根据Annan提出理论，采样频率应该是雷达发射信号时的中心频率的6倍，这样就可以得到采样时间间隔Δt(ns)的计算公式：
其中，f0(MHZ)表示的天线的中心频率，用N表示采样率，那么可以使用以下公式计算采样频率：
其中，V表示扫描速率，τ0表示发射信号的脉冲宽度。
介质的电磁参数：
(1)介电常数：由于不同的材料对电磁波能量的吸收程度与释放度不同，因而引入介电常数ε来表示这种特性，即介电常数表示的是电磁波的能量被吸收与释放的一个度量值，用这个度量值来表示电磁波被吸收的大小。在实际的应用中，通常会选用相对介电常数来表达，其表达式如下：
上式中，ε0是真空的介电常数，约等于8.8542×10-12F/m，空气的介电常数与之接近。
相对介电常数是探地雷达应用过程中非常重要的参数，两种介质的相对介电常数差异越大，获得电磁波的反射越强。
(2)电导率：电导率表示的是物质在外力电场的作用下，这种物质传递电荷的能力，通常用电导率σ进行度量，来表示一种物质导电性的强弱。电导率越小，表示该物质的导电性能越弱，电导率越大则表示该物质的导电性越强。探地雷达通过发射天线发射电磁波的时候，电磁波的传播距离与探测深度受该介质电导率的影响。
探地雷达探测覆土层厚度原理(应用例1)：覆土层是由天然土壤构成，假设介质1和介质2的介电特性参数分别为(ε1，μ1)，(ε2，μ2)，将电磁波近似看作平面波，以角度θi入射至两介质的交界面，由于两介质的介电特性存在差异，导致一部分入射波被反射回到介质1，反射角θr，另一部分发生折射进入介质2中，折射角为θt。由于覆土层与基质层的介电特性存在的差异，使得电磁波在介质的分界面发生反射，完整的电磁波的传播过程如图5所示。
假设覆土层厚度为h1，电磁波在中的双程走时为t1，可得：
当地面水平或倾斜角度较小时，认为电磁波垂直入射，即θi＝0，θt1＝0时，那么可用(2-17)式进行覆土层h1的求取。
应用例1
检测目的：利用探地雷达检测土地整治项目区覆土工程厚度结构，并且对检测结果进行数据处理，探测土地平整工程中的覆土厚度及其空间变异状况，研究检测过程中的电磁波速度标定、反射层提取与数据处理等关键技术，并获得项目区的覆土厚度结构与均匀度情况，对工程质量进行有效性评价。
检测依据：(1)《山东省土地整治工程建设标准》(GT01-2014)(2)《山东省土地开发整理工程建设标准》(GT2001-2009)(3)《土地开发整理项目验收规程》(TD/T 1013-2000)(4)检测仪器设备、原理及现场情况介绍。
研究区：位于肥城市桃园镇，项目区为丘陵地貌，地类为其他草地，岩石裸露，现有土壤质地多为沙粒，土壤有机质含量较低，总体地势中间高，四周低。属于温带大陆性湿润季风气候，春季干燥，风沙多，夏季炎热，雨量集中，平均降水量为660.2mm，降水多集中在6—9月份，占全年的74.7％，秋季天高气爽，温差大，冬季寒冷少雨雪，四季分明。区内无河流与沟渠，部分区域有花生种植，但产量较低，除此之外农作物主要还有少量小麦和玉米等，其余有狗尾草等杂草分布。
项目区因地制宜，为满足整理后农作物种植和排水要求，进行石方开挖破碎、挖运整平石渣、修筑石堰、客土回填、客土整平和田埂修筑等工程措施，对项目区内8.1445hm2其他草地进行开发整理，变其他草地为耕地，将分布零散或闲置的土地改造为有序、可耕种的农田，为使覆盖客土后土地达到每个田块内相对平整的程度，实现耕作田块集中，需进行客土回填，填土厚度60cm，保证耕作层厚度30cm以上，有效土层厚度为60cm以上。
项目区性质属于土地开发整理，使用探地雷达针对桃园镇石横项目区的覆土厚度结构进行无损质量检测，现场图如图7A-图7C所示，为了便于测量覆土层实际厚度，进行实地开挖剖面验证，同时有助于进行项目区土壤的电磁波速度的标定工作。
测线分布：在研究区选择相对平整的地块，采用网格法在东西和南北方向各布设10条测线，保持测线的间距为10m，测线分布图如图8所示；探测过程中进行实地剖面开挖，便于测量覆土的实际厚度，同时有助于进行电磁波速度标定。
探测参数选择：由于覆土层厚度小于1m，考虑到兼顾探测深度与精度，使用加拿大pulse EKKO PRO 1000型探地雷达进行探测，根据公式(3)计算时窗，将时窗设置为20ns，采用250MHz的雷达天线进行数据采集工作。
覆土层波速标定：实验使用共中心点法(CMP)进行波速标定，可以求出不同深度的平均电磁波传播速度，反射界面为水平时探测效果较好，其工作原理如图9所示。
如图9所示，两次探测的天线收发距分别为X1与X2，电磁波的双程走时分别为t1与t2，那么
由上式可得波速为：
根据以上共中心点法工作原理，在土地平整研究区随机性选择四个点作为共中心点，使用分离天线并将两次天线的收发距分别设置为60cm和140cm，使用(公式9)式求取四个点的电磁波速度，将平均电磁波速作为电磁波在该覆土层的传播速度，具体结果如下表1所示；
表1.覆土层的波速标定
由上表可知，覆土层平均电磁波传播速度最终标定为9.96cm/ns。
检测结果分析：现场探测雷达数据进行校正、增益、背景去噪、反褶积等多项数据处理，有效抑制图像噪声，提高图像分辨力，对覆土层进行层位追踪，显示如图10A和图10B；根据相应的电磁波传播速度修正值9.96cm/ns，结合现场实地剖面开挖情况，计算完成覆土的厚度分析工作(表2)。
综合上图分别为项目区内某两条典型测线的雷达剖面图像，及其反射层位追踪结果，从剖面图中可以清晰分辨出地下土壤层次，从上至下依次为覆土层和原始基层，在其介质分界面可以看出覆土层的厚度分布总体均匀；其中，测线a的雷达剖面图显示覆土厚度总体在64cm左右，达到有效土层不低于60cm的要求；测线b的雷达剖面图显示覆土厚度总体在52cm左右，未达到有效土层不低于60cm的要求；此外，个别区域的厚度起伏较为明显，出现压实不足与均匀度不够的情况，未达到土地平整的要求。
表.2覆土厚度检测准确性分析
通过对覆土厚度检测结果进行计算与数据处理，进行覆土工程质量评定，由表2可以看出，探地雷达对项目区土地平整覆土工程厚度检测绝对误差很小，相对误差为-2.70％，均值为59.55cm，标准差为3.04，变异系数为5.09％，由此可见，使用共中心点法对电磁波速度进行标定探测覆土厚度的误差相对较小，准确性是相对较高的。这说明除了个别情况下的压实不到位导致的分布不均，项目区的覆土厚度质量总体达到了验收标准目标。
本应用例1利用探地雷达对项目区土地平整工程进行了覆土厚度检测，对雷达图像进行层位追踪与数据处理获取到了覆土层的厚度值，均值为59.55cm，变异系数为5.09％，对照相关标准发现本项目区覆土厚度总体满足设计标准，但个别覆土层厚度起伏较大，部分低于设计要求，显现均匀程度不足，说明个别压实不到位，但是变异程度相对较小。同时土壤成分复杂且均匀性较差，电磁波在土壤中的衰减和频散作用使得干扰性增强，因此使用共中心点法标定的电磁波速进行厚度分析工作存在着一定程度的误差性，需要在以后的工作中进行方案与处理方法上的改进。
探地雷达探测道路厚度结构原理(应用例2)：在均匀的介质中，电磁波以一定速度传播，当遇到有电性差异的地层时，如不同材料的交界面、断层、破碎带、溶洞和含水层等，电磁波便会发生反射，返回到地面或探测点，被接收天线R接收并记录，得到从发射经地下界面反射回接收天线的双程走时t。当介质的波速已知时，可根据测到双程走时t值，并结合对反射电磁波的频率和振幅等进行处理和分析，便可得到目标的位置、深度和几何形态。
由于电磁波反射界面的上下层介质的介电常数与其介电性能、反射系数等参数相关，所以在探测中，介质的介电常数差异越大，反射界面反射波幅也越大。进行厚度检测的关键是检测电磁波在地下介质中的传播时间，通过发射天线向地面发射脉冲信号，脉冲在地下介质的传播过程中遇到具备不同介电特性的界面时会产生反射和折射。首先波的一部分在空气与路面界面产生反射，另一部分向下穿透，由于空气与路面材料介电常数的差异，波在穿透过程中产生折射，当折射波碰到第二界面(面层与基层界面)时，一部分波在界面处反射，并穿过面层由接收天线接收反射回来的信号；另一部分波则继续向下，穿透基层并在与底基层的界面处发生反射和折射。有地质雷达记录的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT，和电磁波在介质中的传播速度V，便可计算出不同结构层的厚度H：
其中，V为电磁波在介质中的传播速度。若介质为非磁性、非导电介质时，可以用下式求取电磁波速度：
若已知目标深度，当天线固定于地表不动时，探地雷达发射天线和接收天线之间的距离很小可以忽略不计，此时：
因此可以利用剖面法使用探地雷达记录电磁波的双程走时t，只要目标埋深h已知，就可以计算波速。实际工作中，可以采用预先设置埋设物或钻孔取芯来获取地层或目标体的深度。
应用例2
检测目的：主要检测目的在于利用探地雷达检测项目区路面厚度结构情况，并且对该处检测结果进行数据处理，结合现场钻孔取芯进行电磁波速度修正，最后根据相应的电磁波传播速度值完成厚度分析工作，获得不同设计标准的道路工程面层与基层的厚度结构与路面的均匀度情况。
检测依据：(1)《山东省土地整治工程建设标准》(GT01-2014)(2)《山东省土地开发整理工程建设标准》(试行稿)(GT01-2009)(3)《土地开发整理项目规划设计规范》(TD/T1012-2000)(4)试验区工程设计标准及相关验收要求(5)检测仪器设备、原理及现场情况介绍。
研究区：项目区分别位于泰安市岱岳区祝阳镇土地治理项目区与泰安市新泰市谷里镇土地治理项目区。其中祝阳镇位于岱岳区东部，北与下港乡接壤，南与范镇相连，东与莱芜市毗邻，西与山口镇隔河相望，面积为88.8平方公里，地势北高南低，山区、丘陵、平原各占三分之一。新泰市谷里镇位于新泰市西部，北依果都镇，南接石莱镇，东邻小协镇、刘杜镇，西与张庄镇隔柴汶河相望，面积为95平方公里，地势南高北低，北部平原占三分之一，南部山区与丘陵占三分之二，平均海拔200-400米，年均降水718毫米。
路面情况：研究区田间道路为混凝土路面，碎石与素土基层，没有涉及垫层设计，设计标准路面宽4m，混凝土面层厚度分别达到18cm，15cm，12cm。
测线分布：依据在泰安市土地治理项目的道路验收标准，使用了探地雷达技术对项目区的道路工程质量进行了检测。根据现场情况，沿道路正反两个走向分别布设两条平行测线，测线间隔为1.5m。测线布设图见图11。
探测参数选择：室外数据采集时的参数设置关系到道路工程质量的探测效果。使用加拿大pulse EKKO PRO 1000型探地雷达，时窗设置为36ns，雷达天线为250MHz，初始电磁波速度设置为v1＝0.1m/ns。
道路波速标定：影响探地雷达探测混凝土面层结构厚度的因素主要在波速的标定上，但由于两个不同项目区的施工单位采取的施工材料的差异以及混凝土面层道路的含水量、孔隙率等因素的存在，使得混凝土材料的介电常数存在一定程度上的不确定性。
现场分别取得了18cm设计标准的混凝土路面道路的8个芯样，与15cm设计标准的混凝土路面道路的3个芯样和12cm设计标准混凝土路面道路的3个芯样，共计14个混凝土路面道路的芯样(探测现场见图12A-图12C)。结合雷达探测的双程走时，通过公式(11)和公式(12)计算，分别对道路面层的电磁波速度进行标定，计算出14个混凝土面层的介电常数，取有效介电常数的平均值作为该面层的介电常数值，具体计算结果详见表3、表3。
表3介电常数标定(18cm)
表4介电常数标定(12、15cm)
由公式(11)计算可得，标定祝阳镇项目区设计标准为18cm混凝土路面道路介电常数为6.39。根据实测芯样的厚度，通过公式(12)计算得各面层介质的电磁波传播速度，将均值作为速度标定值，标定为11.89cm/ns。同理，由表4可得，谷里镇项目区混凝土设计标准面层为15cm道路的介电常数标定为7.38，面层为12cm设计标准的混凝土路面道路的介电常数标定为8.21，进而面层介质的电磁波速度分别标定为11.12cm/ns与10.53cm/ns。
检测结果分析：由于研究项目性质为治理项目，旨在建设乡村的道路以及基础设施，改善村民的交通条件，提升村落之间的道路通达度，不涉及道路垫层的设计，基层材料就地取材，为整平后的碎石与素土，因此基层为素土路基。面层根据不同项目区，介质材料设计为不同配比的混凝土。其中，岱岳区祝阳镇土地治理项目区的道路工程的设计标准为面层至少为18cm，新泰市谷里镇土地治理项目区的道路工程根据主干道与所走车辆的不同，设计标准分别为混凝土面层达到15cm与12cm。现场探测雷达数据进行校正、增益、背景去噪、反褶积等多项预处理，有效抑制图像噪声，提高图像分辨力，最后根据相应的电磁波传播速度修正值完成厚度分析工作。
以上检测结果以m为单位，横向为测线长，纵向为厚度值，综合如图13A、13B、13C，对面层与基层厚度数据进行综合分析，可以看出设计标准为18cm项目区道路面层厚度总体分布在20cm～21cm之间，面层厚度起伏不大，基层厚度变化幅度也不大；设计标准15cm项目区道路面层厚度总体分布在14cm～16cm之间，面层厚度分布总体较为均匀，起伏不大，基层厚度分布相对均匀，局部变化幅度较大，可见，施工过程中可能存在素土基层压实不充分出现不均匀沉降，基层未达到平整要求；设计保准12cm项目区道路面层厚度总体分布在12cm～14cm之间，面层厚度分布较为均匀，起伏不大，基层厚度变化幅度也不大，较为平整。所以，除个别基层压实不到位以外，项目区道路工程总体达到质量验收标准。
表5.祝阳项目区道路面层厚度检测结果表(钻孔取芯法)
表6谷里项目区道路面层厚度检测结果表(钻孔取芯法)
通过对厚度检测结果进行计算与综合分析，进行道路厚度综合评定，由表5与表6可以看出，探地雷达对祝阳项目区道路混凝土面层厚度相对误差为1.39％，均值为21.025cm，标准差为0.66；对谷里镇项目区设计标准为15cm的混凝土面层厚度相对误差达-1.43％，均值为15.4cm，标准差为0.65；设计标准为12cm的混凝土面层厚度相对误差为0.34％，均值为12.07cm，标准差为0.082。由此可见，钻芯法对于测定道路厚度的误差相对较小，准确性是相对较高的。在三种设计标准的厚度均值上看，全都大于其设计厚度标准，这说明除了个别情况下的基层夯实不到位导致的分布不均，在祝阳项目区与谷里项目区的道路施工总体达到验收要求。
本应用例2主要根据具体的理论的方法，结合两个实际土地治理工程项目对项目区的道路进行了质量探测，使用GPR技术在道路验收上进行了实际应用，并通过解译与数据处理验证了其可行性。在现场钻芯测定电磁波速度，使得农村道路质量验收工作更为科学。由于探地雷达具有无损性与高效性，对道路厚度结构质量探测准确性超越了传统方法，根据实验数据来看，其在厚度检测上误差较小，相对误差最大不超过1.43％，标准差位于0.08～0.66之间，可见其精度可靠。相比钻孔取芯法的随机性与不连续性，探地雷达可以做到对道路层次结构进行总体掌握，测量结果也更为客观。结合图像解译，使用探地雷达对施工均匀性的探测也更为全面，这也方便于后续施工全过程质量控制和道路的维修与养护相关情况的研究，应当发挥其积极作用。
基于雷达的管线特征识别原理(应用例3)：探地雷达通常以脉冲反射波的波形形式记录管线特征，并且反射波波形的正负峰分别以黑色与白色表示,或以灰阶或彩色形式表示,这样同相轴或等灰线、等色线即可形象准确地表征出地下反射面或探测目标体。在实际探测波形图像上，各个测点均以测线的垂直反向来记录波形,以此构成雷达剖面。根据探地雷达剖面图像便可准确的判断地下的不明物体。探地雷达在地下介质中的传播遵循波动方程理论，而探地雷达的实际探测效果则主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、目标体的深度与各个介质对电磁波的吸收作用、衰减作用、干扰性、以及探测目标体的几何形态及大小、特点等因素。
基于当地下管线与周围的介质存在明显的介电常数与电导率的差异时，给水和排水的管道管顶电磁波反射呈现拱形弯曲的曲线形态，并且曲线的顶点即为管线的中心位置；而管沟类的管线，电磁波反射形态呈现平直线的形态，平直线的中心位置即顶板中心。综合来看，管线的管径越大，反射波的曲线越平缓；管径越小，曲线起伏幅度越大。当管线的埋设深度越大时，电磁波反射的异常幅度就会降低，曲线形态趋向平缓。管线的材质与周围的介质的出现越大的电磁波特性差异，其反射就会越强，波形的幅度大；反之，管线的材质与周围的介质的电磁波特性差异不明显，那么反射就会减弱，波形的幅度小。并且管线的材质不同，其电磁特性也就不同，地下管线与周围介质的介电常数差异越大，介质之间的反射界面就会越明显，反射系数就越大，存在异常反射的波形图像就越容易分辨；如果介电常数差异很小，介质之间反射界面就不太明显，反射系数也会越小，这样就很难检测到回波反射信号。
另外，反射波组的同相性形成同相轴是进行管线的空间位置判别的重要标识,当管线管道为圆形时,为向下开口(向上凸起)的伞形抛物线,顶部的反射振幅最强；当管道为沟道式或管块时,同相轴为有限的平板状,反射界面的中部为平板状,两端各为半支下开口抛物线。其次,地下各个界面上下介质的差异也决定了电磁波的传播特性,差异越大,反射波越强,振幅越大,上下介质中波速大小决定反射波振幅方向,当从波速较大的介质(介电常数小)的进入到波速较小(介电常数大)的介质时,反射系数为负,即反射波与入射波振幅反向；反之,则反射系数为正,反射波幅与入射波同向。实地探测中，地下管线一般存在四层介质的界面,即管线的内外各两层,反射波以上层内界面为例,非金属管线内上界面的反射波振幅较大,当管线内介质为水时,反射系数为负,反射波为反向；当内介质为气体时,反射系数为正,反射波为正向；金属管线由于金属内波速近似为零,基本是全反射波,波型自然为反向,而且振幅较强。一般情况下反射信号以管线的外层界面为主,其它层面较弱。
通过探测雷达剖面可以识别出异常反射,然后再对其进行解释。作为目的体的地下管线的反射规律主要有:地下目标管线的反射走时曲线在几何形态上呈现出双曲线状；管线在水平地面的投影位置可由其在探地雷达图像上双曲线同相轴的极小点来确定；由于受电磁波的传播规律等因素影响,地下管线在雷达图像上存在偏移问题；根据探地雷达图像上双曲线同相轴的极小点的初至相位时间及、天线距和相应介质的电磁波速度可计算出管线的管顶埋深为多少。
应用例3
检测目的：利用探地雷达检测项目区出水口下的管道铺设情况，并且对该处检测结果进行图像解译，提取管道特征，结合工程验收标准与现场情况进行分析，评价管线埋设存在与否，为探地雷达在土地整治工程中管道探测与工程验收提供依据，验证方法的技术可行性。、
检测依据：《山东省土地整治工程建设标准》(GT01-2014)(2)《山东省土地开发整理工程建设标准》(试行稿)(GT01-2009)(3)管线反射层识别提取特征(4)检测仪器设备、原理及现场情况介绍。
研究区：位于肥城市安驾庄镇东南部。项目区北至泰东公路，南至王家颜子村居民点，西至济兖公路，东至南双村水浇地。涉及安驾庄镇的安驾庄村、南双村、赵家颜子村、刘家颜子村、蔡家颜子村、王家颜子村、朱家颜子村和北双村共计8个行政村。地理坐标范围为东经116°46′09″—116°48′22″，北纬35°55′51″—35°58′01″。项目区为平原地貌，区内地形平坦，整体地势北高南低，西高东低。土壤类型为棕壤性土，呈微酸性，pH值平均为6.5，有机质含量较低，平均为0.66％，全氮含量平均为0.05％，碱解氮平均为35.2mg/kg，速效磷平均为3.6mg/kg，速效钾平均为101.2mg/kg，耕作层土壤容量1.47g/cm3，总孔隙度为47％，通气孔隙度17.5％。气候属暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候，春季干燥，风沙多，夏季炎热，雨量集中，秋季天高气爽，温差大，冬季寒冷少雨雪，四季分明，常年种植的农作物主要有小麦和玉米等。
管道铺设情况：项目区输水管道均为直径160mm的PVC管道，进行干管与支管铺设37330m，其中直径160mm干管长度共6780m，支管长度共计30550m；直径160mm出水口611个，直径160mm三通47个，四通19个，弯头19个，管道设计埋深在0.8m～1m之间，在项目验收后，在项目区实地踏勘现场，发现在项目区仍存在有许多个出水口均无给水灌溉的使用痕迹的迹象(图14A-图14B)，为了明确出水口下管线的铺设情况，使用基于探地雷达的物探技术针对现状进行地下管线的无损检测。
现场探测：项目属于高标准基本农田建设项目，其性质为土地整理，且研究区地势平坦，为平原地貌，可以较好地规避探测的电磁干扰，提升探测精度与准确性。
测线分布：结合验收图纸与项目区现场施工单位协调，确定所测研究区各个出水口下铺设管线的走向，由于关注探测的目标是二度体，并非三度体，那么测线将彼此平行并垂直于目标轴向布设，即垂直于实地管线方向进行探测，测线间距为0.5m，测线分布示意如图15。
探测参数选择：根据管线的设计埋深为1m，为满足探测深度与精度要求，由公式(3)计算时窗，将时窗设置为22ns，采用250MHz的雷达天线进行数据采集工作。
检测结果分析：探地雷达在管线探测中应用的物性前提是目标管线与周边介质的介电常数、电磁波传播速度存在一定差异。由于金属的相对介电常数非常强，电磁波穿透不了金属就形成了全反射，而土壤的介电常数与塑料粒、PP颗粒等介质不同，它们之间就会发生电磁波反射。利用这一特性，就可以通过雷达波形较好地确定出非金属管线。使用图像处理软件对采集的雷达波形图进行偏移，增益，滤波处理，背景去噪、反褶积等多项处理，有效抑制图像噪声，提升分辨力。地下目标管线探测的雷达剖面波形图像如图16所示。
根据管道探测雷达剖面图可看出，管线探测埋深在0.9m，与设计埋深相比误差为0.1m,满足限差的要求。且综合分析得出pvc管的雷达剖面幅值与金属管线相比较而言较弱，PVC管存在有多次的反射波。这是由于雷达发射的信号穿透了PVC管道后，传播到管道下方的土层，然后逐次反射形成的，可以看出，首波受浅部异常的影响不是很明显,且管线周围介质较均匀,干扰较弱。雷达剖面显示为在水平距5.3m处有同相轴较弱拱形异常出现,拱形形状开口向下,埋深为0.9m。由此可见，使用探地雷达进行项目区的管线探测效果还是较为明显的，验证了在工程中使用无损检测技术进行管线定位测量的可行性。
本应用例3利用波形数据处理，根据非金属管道的反射层提取特征，通过使用探地雷达对项目区出水口下的PVC管道埋设情况进行了管道探测，实现了出水口下埋深为1m的管道定位，且误差为0.1m，误差较小，满足限差的要求，可见其定位较为准确，验证了无损检测对于项目区PVC管道检测定位的可行性。但是由于管道内没有充满水，其反射层的反射波形特征并不是十分明显。要想特征提取更明显，最好是给水管线内部充满了水，因为管内有无充水,其波形特征将不同；若充水,则亦出现波形的极性反转,管线的半径越大,反射弧的曲率半径就越大。水的介电常数相较于土壤大约是其10倍，那么内外反射层介质的介电常数差异就增大，于是雷达波的反射就会非常的明显，便于取得更好的物探效果。
本发明的主要创新点：
(1)使用探地雷达的无损检测技术进行土地整治工程质量检测是本研究的创新所在，与传统检测手段相比安全性，效率与精度都大大提高。
(2)针对不同的工程进行针对性检测，选取典型的整治项目区作为研究区，较好地控制了试验变量与干扰性，降低了研究误差，实现了快速有效的检测。
综上，本发明的上述研究成果丰富了探地雷达在土地整治工程质量检测领域的应用技术，为其质量的无损检测提供了理论依据和技术手段，并充分验证了可行性，对土地整治工程的验收工作提供重要参考与借鉴意义。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述方法包括：
在待检测土地区域确定探测路径；
在待检测土地区域布置测线与取样点；
采用探地雷达对所述待检测土地区域的结构层次进行探测；
提取探地雷达的信号特征，设置探地雷达的探测参数，实地探测，获取雷达检测图像；
利用探地雷达图像处理软件进行图像解译，对电磁波速度进行修正；
对图像进行预处理，根据雷达探测图像分析所述待检测土地区域的结构特点。
2.如权利要求1所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述土地工程包括土壤覆土层厚度检测、田间道路工程无损检测及排水灌溉工程管线无损检测。
3.如权利要求2所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，对于土壤覆土厚度检测和田间道路工程无损检测，分析结构特点是指分析覆土层与底基层，道路面层与素土基层，得到覆土层与道路面层的厚度值，根据雷达剖面图进行判断分析覆土层的厚度是否达标，道路的厚度是否符合验收标准，判断结构层的内部介质分布均匀与否；
对于排水灌溉工程管线无损检测，分析结构特点是指提取待检测土地区域的PVC管道的反射层特征，定位地下管道位置，根据其反射波与剖面的幅值判定其埋深与探测效果，综合评价工程质量。
4.如权利要求3所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述探地雷达的探测参数为天线发射电磁波的中心频率与接收电磁波的中心频率、探测时窗以及信号的采样率。
5.如权利要求1所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述待检测土地区域为肥城市桃园镇，采用探地雷达检测覆土厚度的时窗设置为20ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为9.96cm/ns，覆土层的平均厚度为59.55cm，变异系数为5.09％，相对误差-2.70％。
6.如权利要求1所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述待检测土地区域为泰安市岱岳区祝阳镇土地治理项目区与泰安市新泰市谷里镇土地治理项目区；采用探地雷达检测祝阳镇的道路混凝土面层厚度时的时窗设置为36ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为11.89cm/ns，平均厚度为21.025cm，相对误差1.39％；
采用探地雷达检测谷里镇的道路混凝土面层厚度时的时窗设置为36ns，天线中心频率为250MHz，覆土层平均电磁波传播速度为10.53cm/ns，平均厚度为12.2cm，相对误差0.34％。
7.如权利要求1所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述待检测土地区域为肥城市安驾庄镇东南部；采用探地雷达检测PVC管道时的时窗设置为22ns，天线中心频率为250MHz，管线设计埋深为1.0m，管线实际探测埋深为0.9m。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种土地工程的质量检测方法，其特征在于，所述探地雷达为加拿大Sensors&Software公司的首发分离式雷达pulse EKKO PRO 1000型探地雷达及配备250MHz空气耦合天线；其中，pulse EKKO PRO专业型探地雷达系统包括DVL、控制模块、发射单元、接收单元和传输电缆。
9.一种探地雷达在土壤覆土厚度检测中的应用。
10.一种探地雷达在田间道路工程和排水灌溉工程管线无损检测中的应用。
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