探地雷达检测土壤物化质量的关键技术研究

论文摘要

随着环境污染的加剧以及精细农林业发展的需要,快速、准确了解土壤的物化质量成为生态学、农业、林业和土壤学研究的热点。探地雷达作为一种高效、快速、连续、无损伤、低成本和高分辨率成像的探测工具,其应用日益受到重视。本次试验通过搭建不同物质、不同含水量、不同含盐量、不同PH系列和多层介质的物理模型的方法,利用探地雷达进行检测和分析,并采用多项式拟合和多元线性逐步回归的方法,完成了土壤含水量的定量化标定。研究结果表明：对于250M,400M,500M的雷达来说,采用适当的图像处理技术,可以准确地区分出层次,但900M的图像难以准确地分出层次。小波变换作为一种非常有效的图像处理方法,既可以实现不同尺度上图像的分解,也可以更好地突出某些特征,小波分析宜选用db小波,分解的层次为2-4层。研究发现,土壤的介电常数与容积含水量呈显著相关,而与孔隙度相关性不显著。土壤的介电常数与容积含水量关系为非线性关系。利用小波分析对不同物质的探地雷达信号进行增强时发现,在400M时,土壤、沙和粉煤灰的振幅是依次增大的,而在900M时,振幅依次增大的是沙、土壤和粉煤灰。利用误差传播定律,对探地雷达探测不同深度的垂直分辨率和水平分辨率的误差进行了计算,结果表明,在介电常数相同,且介电常数测量误差为一常量时,探地雷达检测的垂直和水平分辨率误差随着探地雷达频率的提高而呈下降趋势。

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摘要

Abstract

详细摘要

1 概论

1.1 土壤质量研究现状

1.2 探地雷达测定土壤物化质量的方法

1.3 土壤物理性质的检测

1.3.1 土壤质地

1.3.2 土壤的层次

1.3.3 耕层砾石含量

1.3.4 土壤水分测量

1.3.5 土壤的污染

1.3.6 土壤的压实

1.3.7 土壤的含盐量

1.4 土壤的介电特性

1.5 土壤的有机质

1.6 土壤的孔隙度

1.7 研究目标、研究内容和技术路线

1.7.1 研究目标

1.7.2 研究内容

1.7.3 研究方法

1.7.4 技术路线

1.8 本章小结

2 试验方案

2.1 方案设计

2.2 试验设备

2.3 试验材料处理

2.4 试验方法

2.5 本章小结

3 探地雷达检测土壤物化质量的基础理论

3.1 土壤性质

3.1.1 土壤基质结构

3.1.2 土壤中的水分组成

3.1.3 土壤的压实

3.1.4 土壤电性特征

3.2 电磁波在土壤中的传播

3.3 探地雷达应用的基础理论

3.3.1 探地雷达的工作原理

3.3.2 探地雷达观测方式

3.3.3 探地雷达分辨率

3.3.4 探测深度

3.4 探地雷达探测不同深度的垂直分辨率和水平分辨率的误差

3.4.1 误差传播定律

3.4.2 垂直分辨率的误差计算

3.4.3 水平分辨率的误差计算

3.5 探地雷达的参数选择和现场检查的关键技术

3.6 本章小结

4 土壤介电常数和层次的量测

4.1 地下媒质介电常数的量测

4.2 分层媒质的介电常数估计

4.3 土壤介电常数的模拟实验

4.3.1 获取介电常数的基本原理

4.3.2 获取介电常数的方法

4.4 土壤层次的确定

4.4.1 色散媒质中电磁波的传播

4.4.2 内部结构反演与重构

4.5 分层实验结果

4.7 本章小结

5 探地雷达图像处理技术

5.1 数字滤波

5.1.1 基本理论

5.1.2 一维滤波

5.1.3 二维滤波

5.1.4 反滤波

5.2 偏移处理

5.2.1 绕射扫描偏移叠加

5.2.2 波动方程偏移

5.3 雷达图像的增强处理

5.3.1 反射回波幅度的变换技术

5.3.2 多次叠加技术

5.4 小波变换

5.4.1 小波理论

5.4.2 小波选取的原则

5.4.3 小波变换滤波

5.5 小波分析的结果

5.6 探地雷达图像处理的关键技术

5.7 本章小结

6 实验结果

6.1 介电常数和孔隙度的测定

6.1.1 介电常数测量结果

6.1.2 孔隙度的计算

6.2 影响土壤介电常数的因素分析

6.2.1 方差分析

6.2.2 介电常数对探地雷达信号的影响

6.3 土壤理化参数与介电常数间的关系

6.3.1 含盐土壤含水量的标定

6.3.2 不同PH系列含水量的标定

6.3.3 土壤容积含水量的标定

6.3.4 本次研究结果与烘干法、文献[89]和TOPP研究结果的对比

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

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