田间复杂土体构型的探地雷达识别与三维重构

Characterization of large-scale soil configuration is essential to studying mechanisms of soil water and nutrients anomalies in agricultural land and land consolidation, but no effective tools are available yet. Focusing on soil configuration in farmland, this research project is aimed to pinpoint the major challenges in the application of ground-penetrating radar (GPR) for recognizing soil configuration. Three research subjects will be undertaken to systematically improve our capabilities as follows: ①to characterize the relationships between electromagnetic properties of a variety of soils under cultivation and propagation of electromagnetic wave with different frequencies via sampling analysis and field monitoring; ② to reveal the impacts of spatial-temporal variations of soil-water-salt transition zones across soil layer interface on the reflection of electromagnetic wave, by combining soil hydrological modeling, GPR simulation and field tests, and to provide some theoretical supports for GPR image analysis; ③ to improve the approach of the multi-channel GPR inversion for recognizing complex soil configurations, and to develop methods for reconstructing the complex soil configurations via fusing multi-source information. The potential outcomes will provide a key methodology for studying on mechanisms of soil water and nutrients movement in complex soil configurations and will advance field-scale soil hydrology.

准确刻画农田土体构型的空间分布对研究水分养分的空间变异机理及土地整治至关重要，但目前仍缺乏有效的观测手段。本项目以农田土体构型为研究对象，针对探地雷达方法在土体构型识别中主要的应用难题，拟从以下三个方面开展研究：通过土样测试及田间监测，明确耕种条件下各种土壤的电磁特性与不同频率雷达电磁波传输之间关系；结合土壤水文模拟、探地雷达正演模拟、田间试验，揭示土层界面土-水-盐过渡带时空变化对雷达电磁波反射的影响机制，为探地雷达成像分析提供理论依据；通过改进多通道探地雷达反演方法，提高对复杂土体构型的识别能力，同时建立基于多源信息融合的复杂土体构型三维重构方法。该项目研究成果将为研究复杂土体构型中水分养分运移机制提供关键技术，推动田间尺度土壤水文学的发展。

土体构型信息对研究农田土壤水分养分运移、耕地质量等具有重要意义。传统的破坏性剖面开挖或钻孔取样费时费力，无法满足快速获取大面积土体构型精准信息。而以探地雷达为代表的无损高效探测的地球物理手段具有重大潜力，但一系列应用技术难题阻碍了其在土壤学中应用推广。故本项目重点研究了以下四方面内容：1）土壤质地、含水量、孔隙度、有机质含量等影响电磁波传导性能的关键因素以及相关的关系模型；2）从应用探地雷达角度分析影响其识别土体构型的天线配置、应用条件以及反演算法；3）高效获取田块尺度土体构型信息的勘测策略以及相应的土体构型三维重构方法；4）在多通道探地雷达同时识别土体构型和土壤含水量的基础上，探索进一步获取其它有效信息的潜力。取得的主要研究进展和结论如下：.（1）通过研究影响农田土壤电磁波传播关键因素及相关介电-含水量关系模型，发现了除了土壤质地、孔隙度、有机质含量外，常被忽视的土壤孔隙度随含水量呈系统性变化以及外源有机物料添加量对会影响常规的介电-含水量关系模型，以我国8种典型土壤为例提出了针对性的模型及实用解决办法。.（2）通过研究天线频率、天线收发端间距、土体构型特征以及含水量和电导率分布特征，提出了应用建议。在此基础上开发出了可快速精准获取土层厚度和含水量的多通道探地雷达配置及反演算法。.（3）结合田间真实试验和数值模拟，建立了一套获取田块尺度土体构型信息的勘测策略，使其能在确保土体构型三维重构精度的基础上提高勘测效率。.（4）结合多通道探地雷达同时识别土体构型和土壤含水量的特点，进一步开发了快速获取田块尺度土体构型以及水力参数的反演方法，实现了原位无损刻画土体构型内水分运动规律及参数化的目标。