CN110579760A - 一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统，该方法包括：确定矿区土壤的检测样方；在检测样方内等间距布置测线；采用探地雷达沿测线进行探测，获取各测线的探测图像；根据各探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；根据三维图像确定矿区土壤的物理性质。本发明根据矿区土壤的三维图像获得矿区土壤的物理性质，能够快速、连续获取土壤的物理性质，提高了获取矿区土壤物理性质的效率。

Description

一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统

技术领域

本发明涉及矿区土壤检验技术领域，特别是涉及一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统。

背景技术

中国煤炭产量远大于其他国家，截至2017年底，全国公告生产和建设煤矿4980处，产能43.6亿吨。但矿区煤炭开采会引发滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害、土地资源的压占与损毁、废水废渣固体废弃物对地下水和地表水污染等矿区环境问题。此外，矿区煤炭开采还会导致一系列用地矛盾、生物多样性和宜居环境丧失。土地复垦是指对生产建设活动和自然灾害损毁的土地，采取整治措施，使其达到可供利用状态的活动，对矿区损毁土地进行复垦与生态重建，不仅可以改善矿区生态环境，而且还可以缓解矿区用地矛盾。2011年《土地复垦条例》和2013年《土地复垦质量控制标准》及土地复垦相关技术规程的出台，将土地复垦工作纳入法制化与规范化的进程，进一步突显了土地复垦工作的重要性。

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成败的主要标准。在土壤重构过程中，受排土造地工艺的影响，形成了具有矿区特征的典型土壤物理性质，表现为土层厚度差异明显、表层土壤非均质性高、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。此外，施工单位在利益驱动下没有按照土地复垦技术标准进行施工，对复垦土壤质量也有一定的影响。

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。表层土壤非均质性主要影响土壤的温度与水分特性，表土覆盖砾石能降低细沟径流速率及其侵蚀速率。土壤含水量直接影响植被生长和植物群落多样性，在矿区土地复垦过程中要提高土壤的贮水能力，为植被提供必须的水分条件，有利于矿区植被恢复。所以，对矿区复垦地重构土壤典型物理性质土层厚度、砾石含量和土壤体积含水率的研究有一定实际意义。

现有的精确确定典型土壤物理性质(土壤含水率，土层厚度，表层土壤非均质性)的方法主要是挖土壤剖面法，该方法费时费力、会破坏土壤结构、且不能大面积测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统，根据矿区土壤的三维图像获得矿区土壤的物理性质，能够快速、连续获取土壤的物理性质，提高了获取矿区土壤物理性质的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法，该方法包括：

确定矿区土壤的检测样方；

在所述检测样方内等间距布置测线；

采用探地雷达沿所述测线进行探测，获取各测线的探测图像；

根据各所述探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；

根据所述三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。

可选的，所述探地雷达设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns。

可选的，所述图像处理软件对各所述探测图像进行图像处理的方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均。

可选的，所述矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。

可选的，根据所述三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息确定所述土壤含水率，根据所述三维图像中低频信号的连续性确定所述土壤分层信息，根据所述三维图像中开口向下的抛物线数量确定所述表层土壤非均质性。

本发明还公开了一种矿区土壤物理性质的三维呈现系统，该系统包括：

检测样方确认模块，用于确认矿区土壤的检测样方；

测线布置模块，用于在所述检测样方内等间距布置测线；

探测图像获取模块，用于采用探地雷达沿所述测线进行探测，获取各测线的探测图像；

三维图像确定模块，用于根据各所述探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；

物理性质确定模块，用于根据所述三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。

可选的，所述探地雷达设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns。

可选的，所述图像处理软件对各所述探测图像进行图像处理的方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均。

可选的，所述矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。

可选的，根据所述三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息确定所述土壤含水率，根据所述三维图像中低频信号的连续性确定所述土壤分层信息，根据所述三维图像中开口向下的抛物线数量确定所述表层土壤非均质性。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统，具体方法包括：确定矿区土壤的检测样方；在检测样方内等间距布置测线；采用探地雷达沿测线进行探测，获取各测线的探测图像；根据各探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；根据三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。本发明通过探地雷达和图像处理软件确定检测样方的三维图像，并根据三维图像确定矿区土壤的物理性质，无需挖土壤剖面，具有快速、便捷、无损、连续、可重复探测、可大面积测量的优点，提高了获取矿区土壤物理性质的效率。

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为本发明实施例一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法流程示意图；

图2为本发明实施例样方内布置测线的示意图；

图3为本发明实施例一种矿区土壤物理性质的三维呈现系统结构示意图。

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矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统，通过探地雷达和图像处理软件确定检测样方的三维图像，并根据三维图像确定矿区土壤的物理性质，无需挖土壤剖面，具有快速、便捷、无损、连续、可重复探测、可大面积测量的优点，提高了获取矿区土壤物理性质的效率。

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为本发明实施例一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101：确定矿区土壤的检测样方。

步骤102：在检测样方内等间距布置测线。

在样方内等间距布置测线如图2所示，间距的长短取决于地下目标体的大小，一般间距越小，精度越高。

步骤103：采用探地雷达沿测线进行探测，获取各测线的探测图像。

布置好测线以后，用探地雷达沿测线方向进行探测，根据实际需要，选择合适频率的天线，该实施例汇总选择频率为900MHz的天线，探测深度约1米，探地雷达主机设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns，介电常数是8。

步骤104：根据各探测图像，利用图像处理软件确定三维图像。

步骤105：根据三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。

利用IDSP7.0雷达图像数据处理软件对各原始探测图像进行处理，得到能够表征矿区典型土壤物理性质变化的三维图像。图像处理方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均及三维数据的合成与显示。零点调节、背景消除、数字滤波、滑道平均等数据处理方式是为了提高图像的精度，目标物在图像中可以更清晰的看到，3D图像是由多条测线插值得到的。在IDSP7.0雷达图像数据处理软件里先通过基本的零点调节、背景消除、数字滤波、滑到平均等方式处理各个图像，使得目标物(含水率差异、土层厚度分层界面，石块在图像中的抛物线性质)在整个图像中更加清晰，然后将清晰的各个图像合成3D切片，最后形成3维图像(利用三维插值的原理，在软件中可以直接实现)。

矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。土壤含水率(θ)的变化：在土壤中，影响介电常数大小的主要因素是土壤含水率的大小，所以若土壤中某一处土壤体积含水率较大时，在探地雷达3维图像中可以清晰的呈现出来。①取3维图像中深度(z)分别为a、b、c时的图像，深度只是矿区土壤的有效图层厚度，可得3处土壤含水率大小为θ(a)＞θ(b)，θ(c)＞θ(b)，这与剖面法实测的土壤体积含水率大小能很好的对应。②土壤分层(h):受排土造地工艺的影响，复垦后的土壤存在明显的分层关系，最为典型的就是煤矸石和表土的分层。因为煤矸石和表土为两种不同的介质，二者分界面处会发生电磁波的反射，所以若在探地雷达图像中存在这种有一定长度的，且有一定连续型的低频信号出现，则此深度处的土壤很可能有分层存在。在土壤中若存在不同方向的分层信息，在3D图像中能很好的识别出来。③表层土壤非均质性:受复垦方式的影响，矿区复垦地某些区域的表土中存在碎石，这些石块的大小规模都会影响土壤的质量情况，进而影响植被的生长情况。孤立的碎石在探地雷达图像中呈现为开口向下的抛物线，圈定探地雷达图像中开口向下的抛物线(仅表层土壤，具体深度和使用的天线频率有关)，统计探地雷达图像中孤立碎石信号的数量(孤立碎石在探地雷达信号图中的形状为开口向下的抛物线)。根据孤立碎石信号数量的多少评价表层土壤的非均质性，孤立碎石信号数量越多，表层土壤非均质性越高，孤立碎石信号数量越少，表层土壤均质性越高。

根据矿区土壤的典型物理性质情况，分析土壤质量情况。

图3为本发明实施例一种矿区土壤物理性质的三维呈现系统结构示意图，如图3所示，系统包括：

检测样方确认模块301，用于确认矿区土壤的检测样方。

测线布置模块302，用于在检测样方内等间距布置测线。

探测图像获取模块303，用于采用探地雷达沿测线进行探测，获取各测线的探测图像。探地雷达设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns。

三维图像确定模块304，用于根据各探测图像，利用图像处理软件确定三维图像。

图像处理方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均及三维数据的合成与显示。零点调节、背景消除、数字滤波、滑道平均等数据处理方式是为了提高图像的精度，目标物在图像中可以更清晰的看到，3D图像是由多条测线插值得到的。

物理性质确定模块305，用于根据三维图像确定矿区土壤的物理性质。

矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。

根据三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息确定土壤含水率，三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息变化大的部分表示该部分土壤结构层含水多，根据三维图像中低频信号的连续性确定土壤分层信息，根据三维图像中开口向下的抛物线数量确定表层土壤非均质性。

本发明提出了一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法及系统，具有快速、便捷、无损、连续、可重复探测、可大面积测量三维优势。另外，基于探地雷达将矿区典型土壤物理性质进行三维呈现可更准确的分析土壤物理性质的变化，为精准复垦提供有力支撑。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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)

1.一种矿区土壤物理性质的三维呈现方法，其特征在于，所述方法包括：

确定矿区土壤的检测样方；

在所述检测样方内等间距布置测线；

采用探地雷达沿所述测线进行探测，获取各测线的探测图像；

根据各所述探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；

根据所述三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。

2.根据权利要求1所述的矿区土壤物理性质的三维呈现方法，其特征在于，所述探地雷达设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns。

3.根据权利要求1所述的矿区土壤物理性质的三维呈现方法，其特征在于，所述图像处理软件对各所述探测图像进行图像处理的方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均。

4.根据权利要求1所述的矿区土壤物理性质的三维呈现方法，其特征在于，所述矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。

5.根据权利要求4所述的矿区土壤物理性质的三维呈现方法，其特征在于，根据所述三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息确定所述土壤含水率，根据所述三维图像中低频信号的连续性确定所述土壤分层信息，根据所述三维图像中开口向下的抛物线数量确定所述表层土壤非均质性。

6.一种矿区土壤物理性质的三维呈现系统，其特征在于，所述系统包括：

检测样方确认模块，用于确认矿区土壤的检测样方；

测线布置模块，用于在所述检测样方内等间距布置测线；

探测图像获取模块，用于采用探地雷达沿所述测线进行探测，获取各测线的探测图像；

三维图像确定模块，用于根据各所述探测图像，利用图像处理软件确定三维图像；

物理性质确定模块，用于根据所述三维图像确定所述矿区土壤的物理性质。

7.根据权利要求6所述的矿区土壤物理性质的三维呈现系统，其特征在于，所述探地雷达设置电磁波波速为0.10m/ns，采样时窗为25ns。

8.根据权利要求6所述的矿区土壤物理性质的三维呈现系统，其特征在于，所述图像处理软件对各所述探测图像进行图像处理的方法包括零点调节、背景消除、数字滤波和滑动平均。

9.根据权利要求6所述的矿区土壤物理性质的三维呈现系统，其特征在于，所述矿区土壤的物理性质包括土壤含水率、土壤分层信息和表层土壤非均质性。

10.根据权利要求9所述的矿区土壤物理性质的三维呈现系统，其特征在于，根据所述三维图像中各低频信号的强弱变化的反射信息确定所述土壤含水率，根据所述三维图像中低频信号的连续性确定所述土壤分层信息，根据所述三维图像中开口向下的抛物线数量确定所述表层土壤非均质性。