不同充填基質(zhì)復(fù)耕土壤含水率反演與特征分析

王 陽(yáng)，周 濤，程 琦，宋桂芳,張世文*

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 安徽省高潛水位礦區(qū)水土資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，耕地后備資源不斷減少，人地矛盾愈演愈烈，加之人類不合理的耕地利用方式，耕地質(zhì)量日趨下降，耕地供需平衡壓力日益加大，土地復(fù)耕已成為落實(shí)耕地占補(bǔ)平衡的一項(xiàng)有力舉措。其中，土壤含水率是判斷復(fù)耕、復(fù)種效果指標(biāo)體系中的重要一環(huán)[1]?？焖佟⒕珳?zhǔn)、無(wú)損探測(cè)復(fù)耕土壤含水率對(duì)復(fù)耕農(nóng)業(yè)水資源管理、復(fù)耕效果監(jiān)測(cè)以及復(fù)耕農(nóng)田水文研究具有重要意義。目前，含水率測(cè)量主要使用烘干法，雖然取得的結(jié)果準(zhǔn)確性較高，但烘干法效率低下，大范圍探測(cè)較為困難。而中子射線法和TDR等方法操作復(fù)雜且需要進(jìn)行事先標(biāo)定[2]。衛(wèi)星遙感等空間信息處理技術(shù)測(cè)量含水率的范圍較大(通常是對(duì)大于1公頃的地塊)，對(duì)于構(gòu)造較為復(fù)雜、充填基質(zhì)多樣的新增復(fù)耕耕地，無(wú)法滿足復(fù)耕質(zhì)量檢測(cè)精度的要求。探地雷達(dá)作為一種新型的近地微波物探技術(shù)，逐漸運(yùn)用于資源環(huán)境監(jiān)測(cè)，對(duì)于含水率的探測(cè)較為快速和準(zhǔn)確，既彌補(bǔ)了烘干法在效率方面的不足，也能夠?qū)Τ涮疃鄻?、層次?fù)雜的土壤含水率產(chǎn)生響應(yīng)。

近年來(lái)，探地雷達(dá)在土壤含水率探測(cè)方面的研究進(jìn)展較快，同時(shí)分析方法已逐漸從波速、距離估計(jì)法預(yù)測(cè)向電磁波屬性特征分析轉(zhuǎn)變。Wang等[3]利用探地雷達(dá)對(duì)青藏高原季節(jié)性凍土區(qū)進(jìn)行含水率探測(cè)，結(jié)合振幅分析、波形分析以及電磁波衰減屬性等分析方法，研究得出振幅屬性以及瞬時(shí)頻率等屬性與含水率間具有一定的相關(guān)性。Shen等[4]通過(guò)分析電磁波不同特征屬性與有機(jī)碳、含水率的響應(yīng)關(guān)系，研究得出所有特征屬性都與土壤含水率呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中振幅分析中能量屬性與含水率相關(guān)性最高。Fabio等[5]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析探地雷達(dá)譜峰頻率分量與土壤中黏土含量的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電磁波譜峰頻率分量與土壤中黏土含量具有較好的響應(yīng)關(guān)系，隨著黏土含量的增加，頻率峰值逐漸減小。Ferrara等[6]在自然條件(野外環(huán)境)下通過(guò)研究電磁波信號(hào)的早期振幅包絡(luò)平均值與不同深度土壤含水率的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明早期振幅包絡(luò)平均值能夠準(zhǔn)確反演出0～50 cm范圍內(nèi)的土壤含水率。羅古拜[7]利用GPR反射波法探測(cè)結(jié)果以及烘干法結(jié)果進(jìn)行建模，建立了介電常數(shù)和含水率的模型。喬新濤等[8]采用包絡(luò)振幅平均值對(duì)黃土高原復(fù)墾礦區(qū)土壤進(jìn)行探測(cè)，對(duì)黃土區(qū)土壤水分反演精度較高。程琦等[9]使用AEA法對(duì)以粉煤灰為充填基質(zhì)的復(fù)墾土壤進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)電磁波特征波段與耕層含水率存在較強(qiáng)響應(yīng)，反演擬合效果較好。目前研究大多基于自然土壤下的含水率探測(cè)，而對(duì)于不同充填基質(zhì)下復(fù)耕重構(gòu)土壤的探測(cè)鮮少。復(fù)耕重構(gòu)土壤因受到人為干預(yù)導(dǎo)致其土壤環(huán)境較正常土壤更為復(fù)雜，內(nèi)部充填基質(zhì)不再均一，雷達(dá)信號(hào)受影響因素頗多。而新構(gòu)土壤含水量的研究對(duì)于掌握礦區(qū)土壤水土保持生態(tài)修復(fù)十分關(guān)鍵。郭婷婷[10]以礦區(qū)重構(gòu)土壤含水率為研究對(duì)象，結(jié)果表明不同粒徑的粉煤灰、煤矸石呈現(xiàn)不同的土壤水分下滲規(guī)律，從而影響土壤田間持水量。胡振琪等[11]在自然條件下開(kāi)展不同夾心土層位置的黃河泥沙夾層式充填復(fù)墾，結(jié)果表明土壤水分累計(jì)入滲量隨夾層位置的變化而變化，HYDRUSHY-1D結(jié)合含水量變化反演土壤水力參數(shù)精度較高。不同的土壤重構(gòu)、充填方式對(duì)于土壤含水率保持至關(guān)重要。

因此，為探究不同充填基質(zhì)土壤環(huán)境下探地雷達(dá)含水率探測(cè)問(wèn)題，本文提出了一種利用零點(diǎn)調(diào)節(jié)、一維濾波、道間均衡、背景消除、小波去噪、FIR濾波、Hilbert變換等信號(hào)處理流程。通過(guò)構(gòu)建復(fù)耕耕地不同充填基質(zhì)下土壤含水率與振幅屬性的關(guān)系模型，并開(kāi)展野外試驗(yàn)探究模型適用深度以及不同充填基質(zhì)下土壤含水率差異規(guī)律。然后選取最優(yōu)地統(tǒng)計(jì)插值方法對(duì)復(fù)耕區(qū)水分空間變異性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可在復(fù)耕農(nóng)業(yè)水資源管理、復(fù)耕效果監(jiān)測(cè)以及復(fù)耕農(nóng)田水文研究等方面提供理論與技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法原理

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展在安徽省淮南市安徽理工大學(xué)試驗(yàn)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，土壤質(zhì)地為黏土，土壤容重偏大，介于1.3～1.6 g/cm3。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6～7月，實(shí)驗(yàn)選擇在最后一次降雨的3 d后開(kāi)展。設(shè)置2個(gè)1 m×1 m的實(shí)驗(yàn)樣方，為還原真實(shí)復(fù)耕耕地地下充填物的復(fù)雜與多樣性，填埋物采用粉煤灰、建筑用紅磚、瓷磚等。A樣方以瓷磚和紅磚分別充填；B樣方以粉煤灰和紅磚碎料分別充填，覆土厚度均為40 cm。具體充填方式、方位、雷達(dá)測(cè)線及取樣點(diǎn)如圖1所示。雷達(dá)天線中心頻率為500 MHz-Shield，時(shí)窗設(shè)置為50ns。由于充填層厚度要大于最小垂直分辨率(500 MHz中心頻率換算后垂直分辨率約為5 cm)，故充填基質(zhì)厚度統(tǒng)一設(shè)置為20 cm厚。充填完畢后，等待土層的自然沉降，于一個(gè)月后對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)。雷達(dá)探測(cè)后重新開(kāi)挖坡面，在每種充填模式下延測(cè)線方向探測(cè)4個(gè)層次的土壤容重和含水率，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，當(dāng)天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室烘干和測(cè)量記錄。

1.2 原理與方法

(1)雷達(dá)探測(cè)原理。探地雷達(dá)(Ground Penetrating，GPR)是對(duì)地下物體發(fā)射高頻電磁波(1 MHz～10 GHz)的一種物探方法。由于電磁波在傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生波的折射和反射，當(dāng)以耕層土壤為研究對(duì)象時(shí)，會(huì)因?yàn)椴煌某涮罨|(zhì)土壤介質(zhì)產(chǎn)生不同的反射信號(hào)。

電磁波速度與介電常數(shù)的關(guān)系式為

(1)

本實(shí)驗(yàn)電磁波垂直入射，表達(dá)式為

(2)

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。在得到每個(gè)剖面的探測(cè)圖像后，先用Reflexw軟件對(duì)每個(gè)圖像都進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)、一維濾波、道間均衡、背景消除、小波去噪等方法處理。零點(diǎn)調(diào)節(jié)是對(duì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行上下移動(dòng)，移動(dòng)到大氣與地面的分界面，切除地上部分，保留地下部分。一維濾波的作用主要是壓制干擾信號(hào)提高信噪比，提取地下介質(zhì)的響應(yīng)特征信號(hào)。道間均衡通過(guò)道間的相關(guān)性進(jìn)行信號(hào)的加強(qiáng)，對(duì)于道間不相關(guān)的信號(hào)，處理后信號(hào)減弱，此方法對(duì)雷達(dá)剖面圖像中相關(guān)性較好的弱信號(hào)有極大的增強(qiáng)作用。背景消除是為了凸顯異常信號(hào)，消除背景噪聲和由于阻抗不匹配產(chǎn)生的駐波干擾，達(dá)到壓縮水平干擾信號(hào)，提取有用信號(hào)的目的。小波去噪也是用于壓制噪聲信號(hào)，提高有用信號(hào)。水分反演部分預(yù)處理主要是利用Matlab軟件，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)正半周期是信號(hào)與土壤介電特性相關(guān)性最高的部分，能夠使電磁波信號(hào)的信噪比最大化，并使淺層界面反射的干擾最小化。因此只需要進(jìn)行去直流漂移處理與時(shí)間零點(diǎn)校正，其中去直流漂移目的是使有效信號(hào)不受漂移現(xiàn)象的影響。

(3)FIR(Finite Impulse Response)濾波。FIR濾波系統(tǒng)函數(shù)為H(z)：

(3)

(4)

h(n)=ω(n)×hd(n)，

(5)

根據(jù)時(shí)域相乘關(guān)系與頻域卷積關(guān)系得

(6)

式中,H(ejω)為FIR濾波器頻率響應(yīng)；WR[ej(ω-θ)]為窗譜。

(4)提取GPR信號(hào)振幅包絡(luò)值。探地雷達(dá)通過(guò)500 MHz-Shield天線對(duì)耕層發(fā)射電磁波。土壤中含水率的變化是影響雷達(dá)反射波振幅的主要原因。利用Hilbert變換后解析信號(hào)得到信號(hào)振幅包絡(luò)值。公式如下：

(7)

解析信號(hào)為

R(t)=x(t)+iH(t),

(8)

則其振幅包絡(luò)為

(9)

(5)土壤干容重與體積含水率測(cè)定。為驗(yàn)證AEA法反演含水率的效果，在每個(gè)樣方同一深度，利用環(huán)刀均勻提取3份樣品，裝入密封袋中。提取當(dāng)天在實(shí)驗(yàn)室將樣品放置在烘干機(jī)內(nèi)，在105 ℃環(huán)境下烘干24 h，烘干后得到土壤干重，取平均值。然后利用以下公式計(jì)算出干容重和體積含水率：

(10)

(11)

θv=θm×ρ,

(12)

式中,θv、θm分別為土壤樣品的體積含水率和質(zhì)量含水率；mwet和mdry分別是土壤濕重和土壤干重；v是環(huán)刀體積，為100 cm3；ρ為土壤樣品的容重，單位為 g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于AEA法的含水率反演模型優(yōu)選

為了探究雷達(dá)電磁波與含水率的響應(yīng)關(guān)系，提取不同測(cè)線單道波形，截取特定時(shí)窗下雷達(dá)信號(hào)波，經(jīng)預(yù)處理后，求得振幅包絡(luò)值，并將測(cè)線處附近各測(cè)點(diǎn)的振幅包絡(luò)值取平均值。隨機(jī)選取測(cè)線上各個(gè)層次20個(gè)樣點(diǎn)為建模集，10個(gè)樣點(diǎn)為驗(yàn)證集，建立多種回歸模型如表1所示。從建模集的R2來(lái)看，不同擬合模型的精度差異較小，對(duì)數(shù)擬合模型精度最高，R2為0.939；線性擬合模型精度最低，為0.889。多項(xiàng)式擬合模型RMSE最低，為1.987。從驗(yàn)證集的R2來(lái)看，擬合效果均在0.89以上，說(shuō)明基于0～12 ns的波段提取的信號(hào)振幅包絡(luò)平均值與土壤含水率有較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系，通過(guò)AEA法對(duì)含水率進(jìn)行反演是較為精準(zhǔn)的。從驗(yàn)證集RMSE來(lái)看，對(duì)數(shù)擬合模型RMSE最低，為1.707。土壤含水率反演模型優(yōu)選如圖3所示。圖3a是振幅包絡(luò)平均值與實(shí)測(cè)含水率的4種回歸擬合，圖3b是含水率實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比圖，其中橫軸表示10個(gè)驗(yàn)證集點(diǎn)，縱軸表示含水率。其中，對(duì)數(shù)擬合模型的預(yù)測(cè)效果最佳。

表1 AEA-1含水率建模精度

2.2 基于AEA法的含水率反演

為探究AEA法對(duì)不同層次土壤含水率的識(shí)別能力，使用以上確定的對(duì)數(shù)模型分別對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤剖面0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm各層的含水率進(jìn)行反演，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，從R2來(lái)看，0～10 cm土壤含水率反演精度最高，為0.89；30～40 cm反演精度最低，為0.65。以RMSE作為反演精度標(biāo)準(zhǔn)，0～10 cm土壤含水率反演精度最高，為1.82；20～30 cm土壤含水率反演精度最低，為3.50。在20～30 cm和30～40 cm反演中，均存在部分差異過(guò)大點(diǎn)位?；?～4 ns和4.2～8.1 ns的波段提取的信號(hào)振幅包絡(luò)平均值與0～10 cm和10～20 cm土壤含水率有較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系，通過(guò)AEA法對(duì)含水率進(jìn)行反演是可行且較為精準(zhǔn)的。8.1～11.6 ns和11.6～15.4 ns波段提取的信號(hào)振幅包絡(luò)平均值與20～30 cm和30～40 cm土壤含水率響應(yīng)關(guān)系較差。

為更直觀體現(xiàn)不同層次含水率的差異及反演模型的驗(yàn)證精度，以A樣方為例，以對(duì)數(shù)回歸模型作為矩形區(qū)域雷達(dá)數(shù)據(jù)反演模型，分別進(jìn)行各個(gè)層次土壤實(shí)測(cè)值與AEA預(yù)測(cè)值的插值，其中圖示顏色越深表明含水率越高。應(yīng)用Sufer 14軟件進(jìn)行克里金網(wǎng)格插值得到該實(shí)驗(yàn)樣方各個(gè)層次的含水率平面分布圖，如圖5所示。圖5中分別為烘干法實(shí)測(cè)含水率分布圖和雷達(dá)信號(hào)反演含水率分布圖。根據(jù)插值結(jié)果，兩者含水率分布較為接近，反演效果較好，但是存在部分差異較大現(xiàn)象，其中20～30 cm和30～40 cm兩者之間差異性相較于上兩層較大。

2.3 不同充填基質(zhì)下水平、垂直向含水率規(guī)律分析

(1)不同充填基質(zhì)垂直向土壤含水率規(guī)律。為探究基于AEA法的不同充填基質(zhì)下垂直向水分演變規(guī)律，于兩個(gè)樣方各個(gè)充填基質(zhì)上布設(shè)測(cè)線，以確定的反演模型進(jìn)行反演并揭示規(guī)律。運(yùn)用Origin軟件繪制不同基質(zhì)測(cè)線中3道雷達(dá)電磁波所反演的含水率如圖6所示。從圖6a中可以看出，在沉降穩(wěn)定后，不同充填基質(zhì)下土壤各層次含水率均遵循隨著深度的增加，含水率上升這一趨勢(shì)。從圖6b正態(tài)曲線來(lái)看，0～10 cm的隨機(jī)變量正態(tài)分布較為密集，σ較?。?0～40 cm的隨機(jī)變量正態(tài)分布較為疏松，σ較大。各種充填模式下的土壤含水率遵循深層的離散程度比淺層離散程度大。從A樣方與B樣方相同的充填基質(zhì)紅磚可以看出，由于沉降的作用，B樣方的含水率要高于A樣方的含水率。通過(guò)對(duì)比不同充填基質(zhì)下不同深度土壤含水率，以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率在各層均大于其他充填基質(zhì)，其他不同充填基質(zhì)下的含水率差異較小。

(2)不同充填基質(zhì)水平向土壤含水率規(guī)律。為探究基于AEA法的不同充填基質(zhì)下水平向水分演變規(guī)律，于兩個(gè)樣方各個(gè)充填基質(zhì)上布設(shè)成散射形由內(nèi)向外測(cè)線。提取測(cè)線上雷達(dá)信號(hào)電磁波段，以確定的反演模型進(jìn)行反演并揭示規(guī)律。并將反演的結(jié)果以插值的形式表現(xiàn)，不同充填基質(zhì)下表層土壤含水率分布圖如圖7所示，顏色越深表示含水率越高。從圖7中可以看出，不同充填模式下，樣方周圍的土壤含水率大體上遵循距離樣方越遠(yuǎn)，含水率越低的規(guī)律。其中，從A樣方的瓷磚與紅磚充填可以看出，以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率要高于瓷磚；從B樣方的紅磚充填與粉煤灰充填可以看出，以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率高于紅磚。從測(cè)線向土壤含水率變化規(guī)律來(lái)看，以瓷磚作為充填基質(zhì)的土壤含水率除充填位置中心外，與周邊土壤含水率無(wú)明顯差異。以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率比周邊土壤含水率高，延測(cè)線方向，呈現(xiàn)先減少后增加，最后與周邊土壤含水率無(wú)差異。以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率比周邊土壤含水率高，越往外含水率越少。通過(guò)含水率等值線分布可以看出，A樣方以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為40 cm；B樣方以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為50 cm，以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍與A樣方紅磚相近，約為30 cm。

3 討論

探地雷達(dá)通過(guò)主機(jī)及天線收發(fā)電磁波，通過(guò)截取時(shí)窗、時(shí)間、頻率對(duì)土壤進(jìn)行無(wú)損探測(cè)。在本次研究中發(fā)現(xiàn)500 MHz雷達(dá)電磁波信號(hào)特征時(shí)窗波段與土壤體積含水率具有較強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)振幅包絡(luò)值與含水率的相關(guān)性擬合可以建立反演模型。通過(guò)隨機(jī)選取的建模集與驗(yàn)證集，分別建立多種回歸模型，對(duì)數(shù)擬合模型精度最高，R2為0.939。運(yùn)用以上確定的模型對(duì)不同深度土壤含水率進(jìn)行反演，基于0～4 ns和4.2～8.1 ns的波段提取的信號(hào)振幅包絡(luò)平均值與0～10 cm和10～20 cm土壤含水率有較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系。從正態(tài)曲線疏松程度σ來(lái)看，30～40 cm的隨機(jī)變量正態(tài)分布較0～10 cm大，0～10 cm反演精度較好，通過(guò)AEA法對(duì)含水率進(jìn)行反演是可行且較為精準(zhǔn)的，R2分別為0.89和0.80；8.1～11.6 ns和11.6～15.4 ns波段提取的信號(hào)振幅包絡(luò)平均值與20～30 cm和30～40 cm土壤含水率響應(yīng)關(guān)系較差，RMSE均在3.20以上，與張金珠等[12]研究結(jié)果一致。

在更深層的土壤含水率反演中，AEA法的適用性依舊需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。隨著土壤深度的加深，該法對(duì)含水率的反演精度逐漸減弱。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，影響AEA方法探測(cè)深度的深淺主要有兩方面因素，一方面是與探地雷達(dá)的主頻信號(hào)有關(guān)，而這種情況可以通過(guò)頻譜補(bǔ)償來(lái)提高最終的反演精度。比如程琦等[13]利用CZT法進(jìn)行頻譜細(xì)化處理，根據(jù)增強(qiáng)后的頻譜信息進(jìn)行含水率的反演，結(jié)果表明，反演精度有了大幅度的提升；而另一方面，時(shí)窗的選取劃分也會(huì)對(duì)含水率的反演精度造成影響。由于在不同深度的反演過(guò)程中，在時(shí)窗劃分中存在一定的誤差，無(wú)法根據(jù)實(shí)測(cè)厚度進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)窗拾取，而隨著誤差的傳遞，會(huì)引起時(shí)窗選取的偏差不斷加大，使得最終的精度大幅度下降，所以在實(shí)際探測(cè)中，若需要獲取較為精確的反演效果，可以在探測(cè)時(shí)取一些點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)定處理；或者可以采用不同方法對(duì)含水率進(jìn)行聯(lián)合反演，比如崔凡等[14]根據(jù)不同深度的土壤分別采用AEA法和AMRA法進(jìn)行含水率的聯(lián)合反演，從而獲取較高的精度。

本文利用AEA法對(duì)不同充填類型的土壤含水率進(jìn)行了反演并揭示規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同充填基質(zhì)下土壤各層次含水率均遵循隨著深度的增加，含水率上升這一趨勢(shì)，與崔凡等[15]和張世文等[16]的研究結(jié)果一致。樣方周圍的土壤含水率大體上遵循距離樣方越遠(yuǎn)，含水率越低的規(guī)律，與Cui等[17]的研究結(jié)果一致。以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率比周邊土壤含水率高，越往外含水率逐漸減少，與Tripathi等[18-19]的研究成果一致。在本次實(shí)驗(yàn)中，A樣方以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為40 cm；B樣方以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為50 cm，以紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍與A樣方紅磚相近，約為30 cm。由此可以看出粉煤灰充填的土壤含水率等值線范圍大于紅磚和瓷磚，Algeo等[20]的研究成果可作為佐證。張敬凱等[21]對(duì)采煤塌陷地帶干旱期和豐水期的塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)土壤含水率進(jìn)行研究，與本實(shí)驗(yàn)B樣方含水率呈現(xiàn)的規(guī)律較為一致，夏季雨水較為充沛，水分入滲比周邊無(wú)充填基質(zhì)土壤多，故從雷達(dá)測(cè)線上呈現(xiàn)距離樣方越近含水率越高現(xiàn)象。該法對(duì)于不同充填基質(zhì)的覆土土壤均有較好的適用性，雖含水率的分布有所不同，仍得到了較高的精度。

4 結(jié)論

本文通過(guò)GPR對(duì)不同充填基質(zhì)各層土壤進(jìn)行探測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理，進(jìn)行Hilbert變換，提取特征波段，求得振幅包絡(luò)平均值，建立與含水率的響應(yīng)關(guān)系。分別建立兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣方不同充填類型下的不同層次土壤與AEA-1的關(guān)系模型。通過(guò)烘干法的實(shí)測(cè)值與AEA-1預(yù)測(cè)值對(duì)比，RMSE均在2.01以下。結(jié)果表明AEA法適用于不同充填類型的復(fù)雜土壤環(huán)境，這為通過(guò)GPR快速無(wú)損監(jiān)測(cè)新增耕地土壤含水率提供了一種可行途徑。

(2)對(duì)比不同充填基質(zhì)各層次AEA法和實(shí)測(cè)法所得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論何種充填基質(zhì)，AEA法反演的0～10 cm、10～20 cm含水率與實(shí)測(cè)值R2均大于0.80，但在20～30 cm和30～40 cm含水率與實(shí)測(cè)值R2均小于0.80，對(duì)于較深層土壤含水率反演建模仍需進(jìn)一步研究。

(3)不同充填基質(zhì)下各層土壤含水率均遵循隨著深度增加，含水率上升這一趨勢(shì)；以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率大于紅磚和瓷磚。以樣方中心沉降處為起點(diǎn)向外延伸的測(cè)線反演結(jié)果顯示，以紅磚、粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率比周邊無(wú)充填基質(zhì)的土壤高。通過(guò)測(cè)線含水率反演分析等值線圖，紅磚為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為40 cm，B樣方以粉煤灰為充填基質(zhì)的土壤含水率等值線范圍大約為50 cm。