CN110161495A - 一种土壤有效土层厚度确定方法及系统 - Google Patents

一种土壤有效土层厚度确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种土壤有效土层厚度确定方法及系统，方法包括：获取目标地的探地雷达图像；确定标定物埋于土壤中的标定深度；基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；基于所述传播速度确定介电常数；基于所述介电常数确定土壤含水率；根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。本发明中的上述方法能够提高土层厚度的测量精度。

Description

一种土壤有效土层厚度确定方法及系统
技术领域
本发明涉及土层厚度测量领域，特别是涉及一种土壤有效土层厚度确定方法及系统。
背景技术
土壤重构是土地复垦的核心内容，重构土壤的质量是检验土壤重构或农林草复垦成败的主要标准。在土壤重构过程中，通过机械的碾压和扰动，使土壤的层次和结构发生了大的变化，表现为土层厚度差异明显、砾石含量高、容重大、含水量差异大等，因此土壤质量情况势必会发生较大的变化，进而影响矿区复垦地植被恢复效果。土层厚度与植被生长状况之间的关系明显，相对最优的土层厚度有利于土壤植物、微生物活动和肥力的增加。
探地雷达(GPR)作为一种新型的浅层地球物理探测技术，具有快读、便捷、无损、连续、可重复探测、可大面积测量等特征。在土层厚度及分层探测方面，探地雷达表现出了一定的优势，可以应用在土地复垦工程中对土层厚度的验收。
传统的探地雷达探测方法是根据介质类型，依据经验估计一个电磁波速度，输入探地雷达主机，把探地雷达图像上表征的土层厚度当成真正的土层厚度。但是地下介质复杂，土壤含水率多变，根据经验法确定土层厚度往往会存在一定的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种土壤有效土层厚度确定方法及系统，提高土层厚度的确定精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种土壤有效土层厚度确定方法，所述方法包括：
获取目标地的探地雷达图像；
确定标定物埋于土壤中的标定深度；
基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；
基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；
基于所述传播速度确定介电常数；
基于所述介电常数确定土壤含水率；
根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
可选的，所述标定物为多个。
可选的，所述基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度具体采用以下公式：
v＝2*d/t，其中d表示标定深度或土层厚度，t表示电磁波传输至所述标定物的时间。
可选的，所述基于所述传播速度确定介电常数具体采用以下公式：
ε＝(c/v)2，其中，c表示光速，c＝3.00×108m/s，v表示电磁波在土壤中的传播速度。
可选的，所述基于所述介电常数确定土壤含水率具体采用以下公式：
θ＝(4.30×10-6×ε3-5.50×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.30×10-2)/100，其中，ε表示介电常数。
可选的，所述根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度具体采用以下公式：
其中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，ε表示介电常数，θ表示土壤含水率，x表示标定物在所述探地雷达图像中的深度。
本发明另外提供一种土壤有效土层厚度确定系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取目标地的探地雷达图像；
标定深度确定模块，用于确定标定物埋于土壤中的标定深度；
深度及时间确定模块，用于基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；
传播速度确定模块，用于基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；
介电常数确定模块，用于基于所述传播速度确定介电常数；
土壤含水率确定模块，用于基于所述介电常数确定土壤含水率；
土层厚度确定模块，用于根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
可选的，所述传播速度确定介电常数具体采用以下公式：
ε＝(c/v)2，其中，c表示光速，c＝3.00×108m/s，v表示电磁波在土壤中的传播速度。
可选的，所述基于所述介电常数确定土壤含水率具体采用以下公式：
θ＝(4.30×10-6×ε3-5.50×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.30×10-2)/100，其中，ε表示介电常数。
可选的，所述根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度具体采用以下公式：
其中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，ε表示介电常数，θ表示土壤含水率，x表示标定物在所述探地雷达图像中的深度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中根据电磁波波速或介电常数或土壤含水率的大小对标定深度和信号图深度的线性关系分段后可更准确的确定土壤的有效土层厚度，避免了现有技术中依据经验估计一个电磁波速度，输入探地雷达主机，把探地雷达图像上表征的土层厚度当成真正的土层厚度，由于地下介质复杂，土壤含水率多变，根据经验法确定土层厚度往往会存在一定的误差的缺陷，大大提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例土壤有效土层厚度确定方法流程图；
图2为本发明实施例标定物在土壤中的分布图；
图3(a)-图3(f)为本发明实施例信号图深度和标定深度关系图；
图4为本发明实施例土壤有效土层厚度确定系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种土壤有效土层厚度确定方法及系统，提高土层厚度的确定精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例土壤有效土层厚度确定方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：获取目标地的探地雷达图像。
步骤102：确定标定物埋于土壤中的标定深度。
具体的，本发明中的标定物为3个，由于钢管与周围的土壤介质的差异性较大，所以本实施例中具体选用钢管为标定物，来标定探测深度，如图2所示，在探地雷达GPR探测面上，把管径3cm、5cm和9cm的钢管分别打进同一剖面的不同深度，然后在地表用天线900NHz的GPR进行探测，探测时设定的速度为0.10m/s，介电常数是8，时窗是25ns。900MHz天线横向分辨率约为其探测深度的十分之一，但实验是在雨季进行的，土壤含水率较大，探地雷达探测深度变浅，为了保证钢管都能探测到，三根钢管的实际埋藏深度设定为15cm、25cm、45cm。
此外，若土壤的分层明显，也可用分层处的土层厚度确定。
步骤103：基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间。
步骤104：基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度。
具体采用以下公式：
v＝2*d/t，其中d表示标定深度或土层厚度，t表示电磁波传输至所述标定物的时间。
步骤105：基于所述传播速度确定介电常数。
具体采用以下公式：
ε＝(c/v)2，其中，c表示光速，c＝3.00×108m/s，v表示电磁波在土壤中的传播速度。
步骤106：基于所述介电常数确定土壤含水率。
具体采用以下公式：
θ＝(4.30×10-6×ε3-5.50×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.30×10-2)/100，其中，ε表示介电常数。
步骤107：根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
具体采用以下公式：
其中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，ε表示介电常数，θ表示土壤含水率，x表示标定物在所述探地雷达图像中的深度。
根据电磁波波速或介电常数或土壤含水率的大小对标定深度和信号图深度的线性关系分段后可更准确的确定土壤的有效土层厚度。即只要通过其他手段知道电磁波穿过土层时的波速、土层的介电常数和土壤含水率大小三者之一，带入相应的公式便可以更准确确定土层厚度。
电磁波在介质中的穿透深度除了与天线频率有关外，还与介质的介电常数大小有关。本发明中根据电磁波在介质中的传播速度、介电常数和土壤含水率的大小建立(标定物)目标物的标定深度与信号图深度的分段函数关系，在设定一定的时窗和电磁波波速后，通过信号图深度直接求目标物的埋藏深度。利用现有的探测数据，在不根据介电常数、电磁波波速和土壤体积含水率的不同，建立标定深度和信号图深度的线性关系，R2＝0.8901，如图3(a)-图3(f)所示。根据介电常数、电磁波波速和土壤体积含水率的不同，建立标定深度和信号图深度的线性关系，可将线性关系分为5段，每段线性关系的拟合图像见图3中的(b)、(c)、(d)、(e)、(f)。每段拟合关系R2都大于0.94，且5段拟合关系R2的平均值为0.966，相关性非常高。通过对比发现，根据介电常数和电磁波波速和土壤含水率大小分段后标定深度与信号图中目标物的深度相关性更高。其中，R2用来表示试验数据与拟合函数的吻合程度，R2越接近1，吻合程度越高，相关性越大，越接近0，吻合程度越低，相关性越低。
图4为本发明实施例土壤有效土层厚度确定系统结构示意图，如图4所示所述系统包括：
获取模块201，用于获取目标地的探地雷达图像；
标定深度确定模块202，用于确定标定物埋于土壤中的标定深度；
深度及时间确定模块203，用于基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；
传播速度确定模块204，用于基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；
介电常数确定模块205，用于基于所述传播速度确定介电常数；
土壤含水率确定模块206，用于基于所述介电常数确定土壤含水率；
土层厚度确定模块207，用于根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标地的探地雷达图像；
确定标定物埋于土壤中的标定深度；
基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；
基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；
基于所述传播速度确定介电常数；
基于所述介电常数确定土壤含水率；
根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
2.根据权利要求1所述的土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述标定物为多个。
3.根据权利要求1所述的土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度具体采用以下公式：
v＝2*d/t，其中d表示标定深度或土层厚度，t表示电磁波传输至所述标定物的时间。
4.根据权利要求1所述的土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述基于所述传播速度确定介电常数具体采用以下公式：
ε＝(c/v)2，其中，c表示光速，c＝3.00×108m/s，v表示电磁波在土壤中的传播速度。
5.根据权利要求1所述的土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述基于所述介电常数确定土壤含水率具体采用以下公式：
θ＝(4.30×10-6×ε3-5.50×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.30×10-2)/100，其中，ε表示介电常数。
6.根据权利要求1所述的土壤有效土层厚度确定方法，其特征在于，所述根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度具体采用以下公式：
其中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，ε表示介电常数，θ表示土壤含水率，x表示标定物在所述探地雷达图像中的深度。
7.一种土壤有效土层厚度确定系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于获取目标地的探地雷达图像；
标定深度确定模块，用于确定标定物埋于土壤中的标定深度；
深度及时间确定模块，用于基于所述目标地的探地雷达图像确定标定物在所述探地雷达图像中的深度以及电磁波传输至所述标定物的时间；
传播速度确定模块，用于基于所述标定深度以及所述电磁波传输至所述标定物的时间确定电磁波在土壤中的传播速度；
介电常数确定模块，用于基于所述传播速度确定介电常数；
土壤含水率确定模块，用于基于所述介电常数确定土壤含水率；
土层厚度确定模块，用于根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度。
8.根据权利要求7所述的土壤有效土层厚度确定系统，其特征在于，所述传播速度确定介电常数具体采用以下公式：
ε＝(c/v)2，其中，c表示光速，c＝3.00×108m/s，v表示电磁波在土壤中的传播速度。
9.根据权利要求7所述的土壤有效土层厚度确定系统，其特征在于，所述基于所述介电常数确定土壤含水率具体采用以下公式：
θ＝(4.30×10-6×ε3-5.50×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.30×10-2)/100，其中，ε表示介电常数。
10.根据权利要求7所述的土壤有效土层厚度确定系统，其特征在于，所述根据所述标定物在所述探地雷达图像中的深度、所述传播速度、所述介电常数以及所述土壤含水率确定土层厚度具体采用以下公式：
其中，v表示电磁波在土壤中的传播速度，ε表示介电常数，θ表示土壤含水率，x表示标定物在所述探地雷达图像中的深度。
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