探地雷达在监测地表土壤水分中的研究进展

发布时间：2019-11-05 18:57

【摘要】：探地雷达(ground penetrating radar,GPR)作为监测中小尺度或田块尺度地表土壤含水量的一种极有潜力的技术,在近几年来得到了快速的发展。在介绍探地雷达测量地表土壤含水量基本原理的基础上,总结探地雷达在地表土壤含水量监测中的应用进展,主要包括反射波法、地面波法和地表反射系数法。同时,结合国内外最新的研究成果,分析每种方法的特点,讨论每种方法的测量精度以及测量的代表深度。最后,对探地雷达在地表土壤含水量监测方面的应用进行展望。
【图文】：

示意图,反射系数,示意图,地面波

芄叵担噻煜咂德试礁撸噻讲馍疃?越浅。但采用地面波法测定土壤含水量时，由于测定的是土壤表层含水量，不需要很深的探测深度，所以应该优先采用较高的天线频率，天线频率越高，土壤含水量的测定精度相对越高。目前，利用地面波法估计土壤含水量也存在如下缺陷:(1)将地面波区别于回波中的反射波和折射波比较困难，尤其是固定天线距法;(2)难以确定合适的天线间距;(3)由于地面波的衰减比较快，这样就限制了天线分离距离的可变化范围［22－23］。2．3地表反射系数法地表反射系数法是将天线置于空气－土壤分界面上方(图4)，每次测量可以估计雷达足迹范围内的土壤含水量。为了测量方便，可以将天线架设在可移动装置或是低空飞行平台上实现区域内的快速覆盖。这种方法利用了空气－土壤分界面的振幅反射系数Ｒ(Ｒ可以表示为反射回波信号的振幅与理想完全反射面的反射回波信号振幅的比值)，这里的理想界面可以用比雷达足迹面积大的铁板来代替，也可以利用空气直达波振幅代替铁板的回波信号振幅使用，而振幅反射系数和土壤介电常数εsoil之间的关系可表示为［24－25］:Ｒ=1－εi醩oil1+εi醩oil。(11)如果应用空气直达波作为理想完全回波，土壤介电常数可以利用反射波振幅和空气直达波振幅表示为［25－26］:εsoil=1+Ar/Am1－Ar/A()m2。(12)式中:Ar为反射波振幅;Am为空气直达波振幅。由于回波信江苏农业科学2017年第45卷第12期—3—

振幅,土壤含水量

号受直流偏移的或杂波的影响而难以消除，在一些研究中认为将回波中最大波峰值和最小波谷值之间的差定义为振幅A更为合理(图5)［8，27］。利用此方法估计得到土壤相对介电常数后，同理可以根据Topp公式计算得到土壤体积含水量。Huisman等指出，利用这种方法得到的地表土壤含水量和0．20m长度探针的TDＲ数据非常相似，但土壤含水量测量结果在短距离上的差异非常大;同时分析了可能导致这种差异的3种解释:(1)土壤含水量随土层深度的变化会影响反射系数;(2)地表粗糙度会对反射系数产生影响;(3)振幅测量过程中存在误差［26］。Ｒedman等又指出，现在的GPＲ设备对振幅的测量完全可以达到要求的精度，所以振幅的测量误差不是导致土壤含水量观测误差的主要原因，而地表粗糙度和土壤含水量廓线(也可以认为是探测深度问题)对反射系数的影响成为当前研究的重点［27］。Weihermüller等指出，面反射法所反映的地表土壤含水量空间上的差异要比实际小，最可能的原因是面反射法对表面的土壤更加敏感，而表层干燥土壤的相对均一分布会导致土壤含水量测量结果空间差异变小［28］。Ｒedman等数字模拟土壤含水量的层状分布(上层干燥下层湿润、上层湿润下层干燥)对GPＲ测量的影响，，结果表明，土壤含水量层状结构会严重影响探测到的含水量的大小，并且表层的湿度会影响探测的深度［25］。要应用面反射法检测区域土壤含水量，则须要严格考虑地表粗糙度、表层干燥土壤的影响。在植被覆盖区域，还须要考虑植被覆盖的影响。目前这种方法还没有被大量地实践应用。3探地雷达监测土壤含水量的代表深度探地雷达监测地表土壤含水量所代表的深度一直是此应用研究的一个瓶颈，也是一个研究热点。在常用的几种方法中，反射波法所代表的深度由反射层

【参考文献】