【摘要】：探地雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)作為監(jiān)測(cè)中小尺度或田塊尺度地表土壤含水量的一種極有潛力的技術(shù),在近幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展。在介紹探地雷達(dá)測(cè)量地表土壤含水量基本原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)探地雷達(dá)在地表土壤含水量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展,主要包括反射波法、地面波法和地表反射系數(shù)法。同時(shí),結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的研究成果,分析每種方法的特點(diǎn),討論每種方法的測(cè)量精度以及測(cè)量的代表深度。最后,對(duì)探地雷達(dá)在地表土壤含水量監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行展望。
【圖文】：

芄叵擔(dān)噻煜咂德試礁擼噻講饃疃?越淺。但采用地面波法測(cè)定土壤含水量時(shí)，由于測(cè)定的是土壤表層含水量，不需要很深的探測(cè)深度，所以應(yīng)該優(yōu)先采用較高的天線頻率，天線頻率越高，土壤含水量的測(cè)定精度相對(duì)越高。目前，利用地面波法估計(jì)土壤含水量也存在如下缺陷:(1)將地面波區(qū)別于回波中的反射波和折射波比較困難，尤其是固定天線距法;(2)難以確定合適的天線間距;(3)由于地面波的衰減比較快，這樣就限制了天線分離距離的可變化范圍［22－23］。2．3地表反射系數(shù)法地表反射系數(shù)法是將天線置于空氣－土壤分界面上方(圖4)，每次測(cè)量可以估計(jì)雷達(dá)足跡范圍內(nèi)的土壤含水量。為了測(cè)量方便，可以將天線架設(shè)在可移動(dòng)裝置或是低空飛行平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的快速覆蓋。這種方法利用了空氣－土壤分界面的振幅反射系數(shù)Ｒ(Ｒ可以表示為反射回波信號(hào)的振幅與理想完全反射面的反射回波信號(hào)振幅的比值)，這里的理想界面可以用比雷達(dá)足跡面積大的鐵板來(lái)代替，也可以利用空氣直達(dá)波振幅代替鐵板的回波信號(hào)振幅使用，而振幅反射系數(shù)和土壤介電常數(shù)εsoil之間的關(guān)系可表示為［24－25］:Ｒ=1－εi醩oil1+εi醩oil。(11)如果應(yīng)用空氣直達(dá)波作為理想完全回波，土壤介電常數(shù)可以利用反射波振幅和空氣直達(dá)波振幅表示為［25－26］:εsoil=1+Ar/Am1－Ar/A()m2。(12)式中:Ar為反射波振幅;Am為空氣直達(dá)波振幅。由于回波信江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年第45卷第12期—3—

號(hào)受直流偏移的或雜波的影響而難以消除，在一些研究中認(rèn)為將回波中最大波峰值和最小波谷值之間的差定義為振幅A更為合理(圖5)［8，27］。利用此方法估計(jì)得到土壤相對(duì)介電常數(shù)后，同理可以根據(jù)Topp公式計(jì)算得到土壤體積含水量。Huisman等指出，利用這種方法得到的地表土壤含水量和0．20m長(zhǎng)度探針的TDＲ數(shù)據(jù)非常相似，但土壤含水量測(cè)量結(jié)果在短距離上的差異非常大;同時(shí)分析了可能導(dǎo)致這種差異的3種解釋:(1)土壤含水量隨土層深度的變化會(huì)影響反射系數(shù);(2)地表粗糙度會(huì)對(duì)反射系數(shù)產(chǎn)生影響;(3)振幅測(cè)量過(guò)程中存在誤差［26］。Ｒedman等又指出，現(xiàn)在的GPＲ設(shè)備對(duì)振幅的測(cè)量完全可以達(dá)到要求的精度，所以振幅的測(cè)量誤差不是導(dǎo)致土壤含水量觀測(cè)誤差的主要原因，而地表粗糙度和土壤含水量廓線(也可以認(rèn)為是探測(cè)深度問(wèn)題)對(duì)反射系數(shù)的影響成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)［27］。Weihermüller等指出，面反射法所反映的地表土壤含水量空間上的差異要比實(shí)際小，最可能的原因是面反射法對(duì)表面的土壤更加敏感，而表層干燥土壤的相對(duì)均一分布會(huì)導(dǎo)致土壤含水量測(cè)量結(jié)果空間差異變�。�28］。Ｒedman等數(shù)字模擬土壤含水量的層狀分布(上層干燥下層濕潤(rùn)、上層濕潤(rùn)下層干燥)對(duì)GPＲ測(cè)量的影響，，結(jié)果表明，土壤含水量層狀結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)到的含水量的大小，并且表層的濕度會(huì)影響探測(cè)的深度［25］。要應(yīng)用面反射法檢測(cè)區(qū)域土壤含水量，則須要嚴(yán)格考慮地表粗糙度、表層干燥土壤的影響。在植被覆蓋區(qū)域，還須要考慮植被覆蓋的影響。目前這種方法還沒(méi)有被大量地實(shí)踐應(yīng)用。3探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤含水量的代表深度探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)地表土壤含水量所代表的深度一直是此應(yīng)用研究的一個(gè)瓶頸，也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在常用的幾種方法中，反射波法所代表的深度由反射層

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本文編號(hào)：2556299