潮土區(qū)農(nóng)田土體構型層次的探地雷達無損探測試驗

宋 文，張 敏，吳克寧※，李 俐，趙華甫，李俊穎

（1. 中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2. 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3. 中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

0 引 言

土體構型是土壤的層次結構，反映整個土體各個層次的排列組合關系，與土壤肥力和土壤分類有著密切的關系，不同的土體構型對影響作物生長發(fā)育的水、肥、氣、熱等肥力因素和水鹽運移的調(diào)控作用各不相同。在同樣的氣候條件和施肥情況下，土壤的旱澇、保肥供肥、通氣導熱性能千差萬別，進而影響著作物產(chǎn)量，是耕地質(zhì)量的一個重要指標[1-3]。黃淮海平原農(nóng)田潮土發(fā)育在燕山、太行山和伏牛山的山麓平原沖積洪積物和黃河、海河、灤河和淮河等沖積洪積的黃土性母質(zhì)和山地母巖片化物之上，經(jīng)過漫長的“緊砂慢淤”的河流沖積沉積，形成質(zhì)地層次多變、沙壤黏相間的復雜多樣的土體構型，因此，及時了解農(nóng)田土壤的分層情況對該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。通常是通過剖面挖掘、打土鉆的傳統(tǒng)方法獲得土體構型信息，雖然結果準確，但費時費力，只能在小尺度上應用，且破壞土壤結構。探地雷達（ground penetrating radar，GPR）作為一種高分辨率的無損近地遙感技術，可以獲得地下介質(zhì)連續(xù)的剖面信息。

目前，探地雷達已在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘探、工程質(zhì)量檢測等領域廣泛應用[4-10]，在土壤層次結構探測上主要集中在獲取土層厚度[11-14]和定位具有明顯特征的目標層次，如砂土中的細質(zhì)地土層[15]、砂質(zhì)壤土中的粗砂層[16]、鐵磐層[17]、黏化層[18]、堿化層[19]、泥炭層[20-21]、凍土層[22-24]等，在連續(xù)的整體土壤層次結構探測方面主要集中在復墾土壤層次結構上[25-28]，對自然狀態(tài)下的連續(xù)土壤層次探測較少，主要跟自然土壤的復雜性和電磁波在土壤中傳播的高衰減有關，但長遠來看，探測自然土壤對發(fā)展精準農(nóng)業(yè)具有重要意義，彭亮等[29]嘗試性地提出了 GPR用于刻畫農(nóng)田土壤剖面層位結構的方法，Roth等[30]探究了GPR在農(nóng)田土壤制圖中的應用，多通過識別雷達圖像中的同相軸來定性確定土壤分層界面位置，但由于地下情況的復雜性和電磁波傳播過程中的不確定性，特別是層狀地下結構探測中確定同相軸的過程易存在主觀性和不確定性，進而導致判讀結果的多解性，影響雷達探測結果的準確性，而對GPR探測層次結構進行正演模擬有助于認識電磁波在傳播特征，為判讀實測剖面圖像提供客觀依據(jù)[29,31-34]。因此，本文首先通過GprMax2D結合Matlab編程實現(xiàn)GPR探測土壤層次結構的正演模擬和圖像解析，探究電磁波在結構模型中傳播的形態(tài)特征，確定探測圖像判讀的客觀依據(jù)，然后，根據(jù)判讀依據(jù)分析提取的實測雷達圖像波形，判別土壤層次結構，并測算各層次厚度與實地挖掘的土壤剖面層次及厚度進行對比，以探究探地雷達對自然農(nóng)田潮土土壤層次結構探測的有效性。雷達實地探測試驗于2016年在位于黃淮海平原典型農(nóng)區(qū)的曲周縣進行。研究可以為探地雷達在自然土壤層次結構探測中的應用提供參考。

1 試驗區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)選擇河北省邯鄲市曲周縣東北部的土地綜合整治項目區(qū)，該縣位于36°35￠432～36°57￠562N，114°50￠222～115°13￠272E之間，屬黃淮海平原，海拔15～46 m，地勢平坦，盛行南風，大地貌屬山前平原，位于多條河流勢力交會之處，主要是漳河和黃河，小地貌分異明顯，大體呈帶狀南北分布，主要有故道、自然堤、緩崗、河間洼地、二坡地和決口扇形地。土壤發(fā)育分布受地貌類型影響極大，均發(fā)育在近代河流沖積母質(zhì)之上，垂直方向上，砂壤黏交替沉積呈層狀，主要是不同時期沉積的母質(zhì)層次分異，土體構型主要有通體壤（均質(zhì)壤土，無質(zhì)地等級差別）、通體黏（均質(zhì)黏土，無質(zhì)地等級差別）、夾黏型（中間有黏土夾層）、蒙金型（上松下緊，上輕下黏）、倒蒙金型（上緊下松，上黏下輕）、底漏型（薄體底漏砂型）[1]。土壤發(fā)育普遍受地下水影響，形成半水成土的潮土與鹽土，只在固定的砂丘上或較高地形上發(fā)育褐土，土壤肥力中等，農(nóng)業(yè)資源豐富，生產(chǎn)基礎條件較好。

圖1 案例區(qū)位置示意Fig.1 Location and administrative division of study area

1.2 試驗數(shù)據(jù)采集和處理

試驗選取夾黏型和底漏型 2種具有明顯土壤層次分異的土體構型作為試驗對象，試驗場地選擇無作物覆蓋的田塊以方便雷達測線布置和土壤剖面挖掘。根據(jù)無作物覆蓋田塊的大小沿長邊方向布置多條 10～25 m 的測線，其中夾黏型土體構型地塊布置了5條長25 m的平行測線，底漏型土體構型地塊布置了7條長16 m的平行測線。使用中國礦業(yè)大學（北京）研制的具有收發(fā)一體屏蔽式天線的GR-IV型便攜式地質(zhì)雷達通過共剖面法[27]沿測線進行探測。華北沖積平原潮土的土體構型一般以1 m深度土層劃分[1]，結合土壤介電特性受土壤質(zhì)地影響的最小范圍，選擇中心頻率為400 MHz的天線。土壤剖面挖掘完成后進行剖面描述分層，主要通過觀察和觸摸的方法根據(jù)土壤顏色、松緊度等特征判定其不同層次土壤的質(zhì)地類型，垂直放置直尺或卷尺，測量標識記錄各質(zhì)地層次的深度和厚度，根據(jù)質(zhì)地層次排列順序及層次厚度判斷土體構型，并取各層土壤樣品，后續(xù)通過烘干法測算土壤含水量和容重，通過土水比1∶5測定電導率計算含鹽量，采用激光粒度儀測量機械組成等土壤指標參數(shù)值（表1），并將現(xiàn)場對各層次土壤質(zhì)地的初步判斷與測定的土壤機械組成結合進一步確定各層次土壤質(zhì)地。

由于土壤的不均勻性造成對電磁波不同程度的吸收以及各種隨機噪聲和干擾，使得天線接收到的信號波與原始的發(fā)射波有較大差別，有必要結合具體用途目的對接收到的信號進行處理，針對不同數(shù)據(jù)用途有不同處理方法，總的原則均是通過信噪比的增加來銳化波形[35]，本試驗主要目的是突出信號局部特征和重要波組的反射特征，對圖像進行增益以補償介質(zhì)吸收，濾波以除去高頻雜波，主要通過雷達圖像處理軟件和Matlab編程實現(xiàn)。

圖2 地塊中探地雷達測線布置示意圖Fig.2 GPR measuring lines layout schematic diagram in land parcel

2 研究方法

2.1 雷達正演模擬方法

Yee于 1966年提出了時域有限差分理論（finite difference time domain，F(xiàn)DTD）[37]，通過將 Maxwell方程[36]進行差分離散，在一定尺度時空間隔上對邊界電磁場數(shù)據(jù)抽樣，直接模擬電磁波的時域作用過程[32]，是一種快速有效的電磁場數(shù)值計算方法[38]。通過對設計的空間介質(zhì)模型中電磁波時域有限差分數(shù)值進行模擬，可研究探地雷達探測介質(zhì)的電磁波響應特征。GprMax2D是一種應用廣泛的基于FDTD的探地雷達正演模擬工具[39-40]，可用于探究各向同性均勻介質(zhì)中電磁波傳播規(guī)律以及電磁波與目標體的相互作用，通過編寫正演模擬的輸入文件（*.in文件），輸入程序進行仿真模擬，結果包含設計模型的幾何信息（*.geo文件）和數(shù)據(jù)文件（*.out文件），以二進制格式進行存儲，利用Matlab編程讀取生成由x、y、z坐標指定的網(wǎng)線面圖，包括模型結構圖、正演模擬雷達時間剖面圖像（x-y平面）和正演模擬波形圖像（y-z平面），分析電磁波振幅和相位形態(tài)的變化特征來確定土壤分層結構的客觀判讀依據(jù)。

2.2 土壤介電常數(shù)計算方法

探地雷達探測的基本原理是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，在地下介質(zhì)傳播過程中遇到存在介電特性差異的層次界面發(fā)生反射和透射，接收天線接收反射波形成雷達圖像。而介電常數(shù)是表征介質(zhì)介電特性的常量[41]。根據(jù)有損介質(zhì)的 Maxwell方程推出物質(zhì)的復介電常數(shù)實部￠表示電磁波在介質(zhì)中傳播的相位變化，描述電磁波的傳輸與反射特性，以及傳播速率；虛部表示介質(zhì)對電磁波的損耗，是由介質(zhì)的電導率引起的[42]。因此，土壤介電常數(shù)所反映的土壤介電特性是探地雷達探測土體構型層次的基礎。土壤可以被認為是結合水、自由水、空氣、基質(zhì)的混合物（土壤四分量模型），土壤介電常數(shù)是土壤各個組分的介電貢獻之和，其中實部主要由土壤的含水量決定[43]，虛部則更依賴于含鹽量[44]，此外，頻率、溫度、土壤容重、質(zhì)地等也對介電常數(shù)產(chǎn)生影響。因此，土壤介電常數(shù)模型應充分考慮各個因素的影響。在四分量物理模型基礎上，Dobson等[45]利用 5種不同土壤類型的實測數(shù)據(jù)建立相對簡便的半經(jīng)驗模型，胡慶榮[46]將其擴展為含水含鹽土壤的混合介電模型，模型參數(shù)中引入含鹽量因子，可較為客觀實際地反映含鹽土壤的介電特性，介電模型可表示為[43,46]

式中e￠為介電常數(shù)實部；e￠為介電常數(shù)虛部；a為形狀因子，對所有土壤類型的最優(yōu)值為0.65；sr為土粒密度，通常取2.65 g/cm3；br為土壤容重，g/cm3；se為土壤基質(zhì)介電常數(shù)，取4.7；fwe￠為不同溫度不同頻率下純水的介電常數(shù)實部；vm為土壤體積含水量，%；S為土壤含鹽量，‰；f為頻率，GHz；A由土壤溶液中的鹽離子種類決定，NaCl為1；x為Stogryn鹽水模型中電導率與含鹽量關系的一階擬合系數(shù)，取 0.14；c為溫度修正系數(shù)t為室溫）；N為離子濃度，mol/L；為真空介電常數(shù)；為結合水修正系數(shù)，包括實部和虛部的修正系數(shù)有土壤砂粒含量（Sand）和黏粒含量（Clay）決定，%。

2.3 雷達實地探測分層厚度計算方法

土壤分層厚度的確定是根據(jù)探地雷達電磁波的傳播速度和反射波的雙程走時求得

式中hi為土體中第i層的土層厚度，m；v為土壤中電磁波波速，m/s，對于低損耗和非色散介質(zhì)來說，可近似表示為為電磁波在真空中的傳播速度，大小為3×108m/s；e為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于土壤而言，其值為實部與虛部的幅值，即反射波雙程走時為電磁波從發(fā)射天線發(fā)出經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時間[47-48]，ti為第i層的反射波雙程走時，為第i-1層的反射波雙程走時。

3 結果與分析

3.1 正演模擬結果分析

通過前述可知土壤介電常數(shù)（e）的變化反映了土壤介電特性的差異，是探地雷達探測土體構型層次的基礎。據(jù)此，可通過模擬雷達電磁波在具有不同e變化的土壤層次結構中的傳播特征來確定土壤分層結構的客觀判讀依據(jù)，以應用于實際探測中的雷達圖像解譯。因此，構建4種具有3個層次的土體模型（單層30 cm），各模型層次的具有不同變化，模型1：各層相同或相近，分別為5、5、5.2；模型2：從上到下依次減小，分別為10、7、5；模型3：依次增大，分別為5、7、10；模型4：先減小后增大，分別為10、5、7。模型區(qū)域2.5 m×0.9 m（圖3），激勵源設置為電流幅度1.0 A的riker脈沖波，中心頻率為400 MHz，模擬網(wǎng)格步長默認三階Higdon吸收邊界條件，時窗取20 ns，計算步數(shù)為100。完成輸入文件編寫后，在系統(tǒng)命令窗口調(diào)用GprMax 2D進行仿真模擬，通過Matlab編程讀取模擬時間剖面圖像（圖4）和正演模擬波形圖像（圖5）進行分析。

相較于通過顏色變化來表征雷達電磁波幅值越高低的正演模擬雷達時間剖面圖像（x-y平面）（圖4），正演模擬波形圖像（y-z平面）（圖5）可更直觀地展示電磁波的振幅和相位變化（出現(xiàn)波峰和波谷）情況及位置，因此主要通過正演模擬波形圖像（y-z平面）體現(xiàn)的波形變化來分析，正演模擬雷達時間剖面圖像（x-y平面）僅選擇模型4的作展示。對比模型1和其他模型可以發(fā)現(xiàn)，當界面兩側存在較大差異時，電磁波在此發(fā)生強烈反射，波形圖界面處出現(xiàn)波峰或波谷，振幅增強，若分層界面兩側無差別或差別較小時，波形圖波形無變化，Gerber等[48]研究發(fā)現(xiàn)可識別層次界面兩側介電特性差異應使得反射系數(shù)為上層介電常數(shù)，為下層介電常數(shù)）的絕對值要不小于0.02；對比模型3和4的第1個界面處的波形振幅變化可以看出介電特性差異更大的模型 4的振幅大于模型3，說明分界面兩側差異越大，反射越強烈；對比模型2、3、4各分界面處反射波相位變化可以看出，當界面上層小于下層時，界面反射處首先出現(xiàn)波峰，反之則先出現(xiàn)波谷，這是由g決定的，當上層小于下層時，g<0電磁波從高阻介質(zhì)進入低阻介質(zhì)產(chǎn)生正反射，即反射波與入射波相位相反，反之則g>0，產(chǎn)生負反射，相位相同。綜上所述，可將電磁波發(fā)生反射以及反射波的振幅和相位變化規(guī)律作為實測雷達圖像的客觀判讀依據(jù)，以增強實際判讀的客觀性和準確性。

圖3 土體模型空間結構圖Fig.3 Soil model space structure diagram

圖4 正演模擬雷達時間剖面圖像（x-y平面）Fig.4 Forward modeling radar time profile image（x-y plane）

圖5 4種土體模型的正演模擬波形圖像（y-z平面）Fig.5 Forward modeling waveform images of 4 kinds of soil models (y-z plane)

3.2 雷達試驗結果分析

3.2.1 土壤剖面挖掘結果分析

2種構型的土壤剖面顯示（圖6），夾黏型包含6個界面整齊分明的土壤質(zhì)地層次（圖6a，表1），其中第4層（74～86 cm）為質(zhì)地較重的輕黏土，其他土層為質(zhì)地較輕的壤土或砂土，是比較典型的夾黏型土體構型。底漏型也包含6個土壤質(zhì)地層次（圖6b，表1），相較于夾黏型構型，其部分層次界面不夠整齊分明，特別是第3層（30～68 cm）的輕黏土與上下2層的壤土存在交叉現(xiàn)象。1 m土體底部出現(xiàn)砂土，是比較典型的底漏型土體構型。

將測得的 2種構型各層次土壤的含水量、含鹽量、砂粒含量、黏粒含量和容重參數(shù)值以及采用土壤參數(shù)通過式（1）～（4）計算的各土壤層次介電常數(shù)實部、介電常數(shù)虛部和介電常數(shù)參數(shù)匯總至表1，分析參數(shù)之間的關系。通過表 1可以看出虛部參數(shù)值要比實部小得多，介電常數(shù)和實部大小也基本一致，主要是上個世紀70年代曲周縣經(jīng)過旱澇咸堿治理，農(nóng)田土壤含鹽量均較低使得主要受其影響的介電常數(shù)虛部的量級遠小于實部，因此介電常數(shù)大小主要由實部決定。在影響介電常數(shù)實部的參數(shù)中尤以含水量影響最大，因此含水量的變化趨勢基本和介電常數(shù)實部和介電常數(shù)一致。容重在各層次間變化差異有限，特別是夾黏型土體構型。砂粒含量和黏粒含量變化趨勢大致呈此起彼伏的狀態(tài)，也是對介電常數(shù)具有較大影響的土壤參數(shù)，特別是底漏型土體構型的第2層和第3層在含水量相差不大的情況下，主要是砂粒含量和黏粒含量的變化影響著介電常數(shù)變化?？傮w來看，研究區(qū)的 2個土體構型各層次含鹽量和容重變化有限的前提下，主要是含水量和機械組成影響著土壤介電常數(shù)的變化。

圖6 2種土體構型的土壤剖面圖Fig.6 Soil profile images of 2 kinds of solum structures

表1 土壤剖面分層信息Table 1 Stratified information of soil profiles

3.2.2 雷達實測結果分析

通過雷達圖像處理軟件和Matlab編程處理2種土體構型的雷達探測圖像，提取時間剖面圖像（x-y平面）、波形圖（y-z平面）和測線1/4、1/2和3/4處的單道波形圖。時間剖面圖像通過顏色變化來體現(xiàn)各位置電磁波的振幅大小，波形圖是測線各位置單道波形在單個平面上的疊加效果，單道波形圖精細展示某個位置單道波形變化。根據(jù)正演模擬分析得出的客觀判讀依據(jù)來判別土體構型各層次間的分界面以識別構型的土壤層次，判讀時主要通過較為直觀的波形圖進行整體判讀，通過單道波形圖進行精細判讀，時間剖面圖像作為輔助。最后根據(jù)公式（5）計算判別的各層次的厚度與實際挖掘剖面相應層次厚度進行對比（表2），以分析探地雷達探測構型層次結構的可行性和準確性。

夾黏型土體構型兩兩土層間的g絕對值均大于 0.02（表1），電磁波傳播至分界面時會發(fā)生強反射，通過波形的振幅變化和相位形態(tài)（圖7）進行判別，首先識別空氣波和地面直達波，電磁波在 5.5 ns到達地面，傳播至8.1 ns識別第1次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生正反射，判斷為1、2層分界面，e主要受含水量升高的影響而增大，g為負；傳播至15.7 ns識別第2次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生負反射，判斷為2、3層分界面，e主要受含水量降低的影響而減小，g為正；傳播至17.8 ns識別第3次振幅增強，大致判斷為3、4層分界面，雖然含水量升高使得e增大，g為負，但相位形態(tài)未明顯顯示發(fā)生正反射，波形較亂，分析原因主要是相鄰的3、4層的厚度均較薄，雷達分辨率不夠，分界面區(qū)分不明顯；傳播至20.5 ns識別第4次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生負反射，判斷為4、5層分界面，e主要受含水量降低和機械組成變化而減小，g為正；傳播至24.5 ns識別第5次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生負反射，判斷為5、6層分界面，e主要受含水量的進一步降低影響而減小，g為正。對比探測厚度和實測厚度，絕對誤差均在4 cm以內(nèi)，相鄰的3、4層的相對誤差較其他層大，在20%以上，主要原因是這 2個層次較薄，雷達分辨率不夠，分界面識別不明顯，后續(xù)的研究可采用頻率更高的雷達。此外 3個位置的單道波形圖在振幅和相位形態(tài)變化上也基本一致（圖 7c），說明測線區(qū)域構型水平方向上的層次排列及厚度較為整齊，通過時間剖面圖像（圖7a）也可以看出，分界面的顏色在整條測線上連貫性較好。

表2 探地雷達探測厚度與實際厚度對比Table 2 Comparison between ground penetrating radar (GPR)detection thickness and actual thickness

圖7 夾黏型雷達探測結果Fig.7 GPR detection result of interlayer clay

底漏型土體構型1、2層和4、5層的g絕對值均小于0.02（表1），電磁波傳播至分界面時反射會較弱，其他土層間的g絕對值均大于0.02（表1），電磁波傳播至分界面時會發(fā)生強反射，通過波形的振幅變化和相位形態(tài)（圖8）進行判別，首先識別空氣波和地面直達波，電磁波在4.2 ns到達地面，傳播至9.2 ns識別第1次振幅增，相位形態(tài)顯示發(fā)生負反射，判斷為2、3層分界面，土壤含水量變化不大，e主要受機械組成變化影響而減小，g為正；傳播至14.8 ns識別第2次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生正反射，判斷為3、4層分界面，e主要受含水量升高和機械組成變化影響而增大，g為負；傳播至19.8 ns識別第 3次振幅增強，相位形態(tài)顯示發(fā)生負反射，判斷為5、6層分界面，e主要受含水量降低和機械組成變化影響而減小，g為正。未識別出1、2層和4、5層的分界面，波形無明顯振幅增強。對比探測厚度和實際厚度，絕對誤差均在6 cm以內(nèi)，其中第3層絕對誤差和相對誤差均較其他層大，分析原因主要是第 3層與其上下層的土壤有所交叉，分界面不整齊，特別是3、4層（圖6b）。此外，與夾黏型不同的是，1/2測線位置處的單道波形的振幅增強位置和相位形態(tài)與1/4和3/4測線位置處的單道波形有所差別，且更為雜亂（圖 8c、8d、8e），進一步說明測線區(qū)域底漏型構型層次排列不整齊，通過時間剖面圖像（圖 8a）也可以看出，部分分界面的顏色在整條測線上不夠連貫。

圖8 底漏型雷達探測結果Fig.8 GPR detection result of bottom sand

總體來看，實測雷達波形較在各層理想均質(zhì)的土體模型中的模擬雷達波形要雜亂，主要是由自然土壤土體構型的復雜性所致，但在較明顯的層次分界面處仍會出現(xiàn)相應的反射波振幅和相位變化。對比 2種土體構型的探測結果，對夾黏型厚度較厚的層次的識別的相對誤差均在9%以下，要小于底漏型，也說明層次分界面整齊清晰程度是影響雷達探測效果的重要因素。

4 討 論

影響探地雷達探測效果的土壤因素主要是土壤層次間的介電特性差異和土壤界面的清晰程度[49]，試驗也證明了這一論斷，而目前的土壤分層研究多集中在復墾土壤層次探測或根據(jù)復墾中常見的質(zhì)地層次搭建土體模型進行研究[26-28]，且多通過識別探測圖像中的同相軸來判別層次界面，復墾過程中的充填、平整、壓實、覆土等工程措施易形成較分明的地下層次結構，相應的也易在雷達探測圖像中識別到明顯連續(xù)的同相軸，而自然土壤地下結構相對復雜，質(zhì)地漸變交叉等情況造成分層界面不清晰，影響同相軸的可識別性和連續(xù)性，進而影響通過同相軸判讀的效果而易存在主觀臆斷的可能，通過定位同相軸來判別分界面的方法更適用于土壤層次均質(zhì)、界面清晰的土體構型，對自然土壤層次判別有所局限。因此，針對反射波振幅和相位變化的客觀規(guī)律來判讀可提高客觀性和界面定位的準確性。此外，相較于圖像處理技術的研究本文更側重于提高判讀客觀性方面，還需進一步探究更為顯化波形變化特征的圖像處理技術。

影響農(nóng)田土壤土體構型的因素主要有土壤質(zhì)地、結構以及施肥、耕作、灌溉、排水等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，其中，土壤質(zhì)地是影響土體構型的基礎物質(zhì)[1]，黃淮海平原潮土的形成和發(fā)育受河流沖積洪積作用形成質(zhì)地層次結構分明多變的土體構型，不同質(zhì)地土壤的持水能力不同，而土壤含水量是影響土壤介電特性的重要因素，因此，該區(qū)域土壤層次間較易形成土壤介電特性差異，而對其他成土作用形成的土壤的層次探測還有待研究。同時，未對土體構型的質(zhì)地區(qū)分進行系統(tǒng)探測研究，何瑞珍等研究了利用小波分析對不同質(zhì)地土壤GPR信號進行增強時振幅的變化情況[50]；Gerber等研究了黃土、腐泥土等不同質(zhì)地土壤在土壤容積含水量相同或變化時的介電常數(shù)存在差異[48]；Doolittle等研究了不同質(zhì)地土壤的GPR探測深度存在差異[51]，均說明質(zhì)地對探地雷達探測效果具有重要作用，如何通過雷達信號識別或反演質(zhì)地差異還有待研究。

土壤層次結構判別及層厚估算的基礎是土壤各層介電常數(shù)，層厚計算的準確性、探測的有效性與介電常數(shù)計算的準確性也有關，本文的介電常數(shù)是基于簡化假設和經(jīng)驗模型，計算模型所需的參數(shù)在測量中也會存在誤差，都會影響探測結果，要想得到客觀真實的結果，還需深入研究，如通過同軸線探針法、波導法、自由空間法等直接測量方法獲取土壤介電常數(shù)[52]。此外，還需進一步研究土壤層次界面反射信號特征與土壤理化性質(zhì)、介電特性差異等的定量關系，探究更多的定量判讀方式以增強探測的客觀性和研究的科學性。

5 結 論

本文基于正演模擬對黃淮海平原農(nóng)田潮土土體構型層次結構的探地雷達探測進行初步探究，通過模擬得出的雷達反射波振幅和相位變化的客觀規(guī)律進行定性分析判別，得出如下結論：

1）通過正演模擬確認了實測土體構型的雷達圖像層次判讀的客觀依據(jù)。電磁波傳播至兩側介電特性差異較大的界面會發(fā)生強反射，振幅增大；界面上層介電常數(shù)小于下層，反射系數(shù)為負，界面處發(fā)生正反射，反射波與入射波相位相反，首先出現(xiàn)振幅增強的波峰，反之，則相反。

2）通過挖掘土壤剖面分析得出，夾黏型土體構型各層次排列和分界面要較底漏型整齊分明。2種土體構型各土壤層次的介電常數(shù)變化主要受土壤含水量和土壤機械組成變化的影響。介電常數(shù)主要由受含水量影響較大的介電常數(shù)實部決定。

3）通過探測結果分析得出，實測波形較模擬波形要雜亂，但在較明顯的層次分界面處仍會出現(xiàn)相應的反射波振幅和相位變化。夾黏型土體構型兩兩層次間的反射系數(shù)絕對值均大于 0.02，波形的振幅和相位形態(tài)變化可以較好的體現(xiàn)出電磁波傳播至層次分界面處的反射特征；對比各層次的實測厚度和計算厚度，相鄰的3、4層厚度均較小導致判別精度較低的情況出現(xiàn)，其他較厚的層次判別精度相對較高，相對誤差均在9%以下；測線區(qū)域構型水平方向上的層次排列及厚度整齊分明。底漏型土體構型1、2層和4、5層的的反射系數(shù)均小于0.02，同時第 3層上下界面不清晰，導致界面未識別和判別精度較低（相對誤差均在9%以上）的情況出現(xiàn)；測線區(qū)域構型水平方向上的層次排列不整齊。

整體來看，以電磁波振幅和相位形態(tài)的變化規(guī)律作為客觀的判別依據(jù)，可以識別潮土區(qū)農(nóng)田土壤的地下層次，但層次界面的整齊清晰程度、界面兩側介電特性差異程度和相鄰層次的厚度大小是影響探地雷達探測效果的重要因素。

本文的研究可以為相關研究提供方法和思路方面的參考，為實現(xiàn)土體構型這一重要耕地質(zhì)量指標的快速調(diào)查監(jiān)測提供借鑒。

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