基于GPR的黄河三角洲滨海盐渍土水盐含量探测模型研究

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黄河三角洲滨海盐渍土区是我国重要的后备土地资源,也是“渤海粮仓”科技工程的研究基地之一。由于该地区土壤盐分含量高,很难开展农业生产及利用。因而,调控土壤盐分成为滨海盐渍土土壤有效利用的关键。但滨海盐渍土地区水盐运移过程复杂,时空变异性强。故而,土壤水盐含量的定量监测成为水盐动态运移研究及盐分调控的前提,对滨海盐渍土的改良具有重要的现实意义。本研究采用250MHz中心频率GPR(ground penetrating radar,探地雷达),设计模拟实验和实地实验,构建选取典型滨海盐渍土地块,设置GPR参数,综合FO(固定间距)法和CMP(共中心点)法,提取地面波、反射波信号;同时实地采样测量滨海盐渍土土壤含水量、电导率。将实测数据与电磁波信号通过反演分析、BP神经网络分析,构建不同水盐变化条件下GPR的滨海盐渍土土壤水盐含量模型。研究结果表明:(1)GPR信号在不同水盐变化下的响应特征根据地表植被类型或长势差异对地下土体构型和水分运移的表征特征,在滨州和东营两个实验地点典型地块进行实地实验,沿每个地块长边方向进行FO法测量,在每个地块中心处进行CMP法测量,利用Line view软件进行图像处理与数据提取。发现GPR可以有效判别不同程度盐渍化的地块,并且判断的准确率相对较高,其中在水平方向的位移误差小于0.5m。利用探测获得的电磁波振幅变化和波谱影像可以获得1m以内地下土层的响应信息。不过探测深度加大后,由于电磁波快速衰减,由此获得的信息变得更加模糊,到达一定深度后将无法进行辨识。滨海盐渍土地区,水盐变化对电磁波信号的影响显著。在盐分含量相近时,随着土壤水分含量的增加,电磁波信号逐渐衰减,在土壤中的传播速度降低,反演的土壤介电常数增大,误差增大。在水分含量相近时,随着土壤盐分含量的增加,电磁波振幅能值降低,高频段波峰数目减少。(2)滨海盐渍土土壤含水量的模型的构建及反演对比国内外常用的θ-ε和θ-e形式土壤介电常数与体积含水量经验模型,筛选适宜该地区的土壤含水量反演模型,分析GPR测定土壤含水量的准确度。利用地面波数据反演土壤体积含水量并与烘干法测得含水量进行相关分析,发现在θ-e经验模型中,朱安宁的壤砂潮土模型反演的相关系数达到0.7079。在θ-e经验模型中相关,朱安宁壤砂潮土模型反演的相关系数达到7.677。利用反射波数据可反演0-30cm、30-60cm和60-90cm土层的土壤体积含水量,30-60cm土层的平均反演误差在0.045m3·m-3左右,60-90cm土层的平均反演误差在0.056m3·m-3左右。上中层反演效果优于底层;上中层土壤水盐含量越高,底层土壤含水量的反演准确度越低。以电磁波在分层土壤中的传播速度为自变量、土壤含水量为因变量,构建得到滨海盐渍土的土壤含水量反演模型。其中,以对数模型、二次模型和线性模型的模型准确度较高,调整后R2在0.7左右。(3)滨海盐渍土土壤含盐量模型的构建及反演随着土壤盐分含量的增加,GPR电磁波振幅与传播速度均呈现显著下降趋势。以试验区裸土地为例,在0-30cm土层中,原状及加水、加盐处理下平均振幅为1.217mV、1.028mV、0.578mV。对照地块30-60cm和60-90cm的土壤振幅分别为0.198mV、0.069mV,深度上衰减更明显,可采用振幅比构建衰减关系。但其与土壤含盐量并非呈单一的线性关系,因而本文采用BP神经网络进行非线性分析。以不同土层间平均振幅比与电磁波传播速度两个因素为输入层,实测土壤电导率为输出层构建神经网络。对模拟实验样地的27组数据进行训练,6组数据进行检验预测,得到相对误差-14.17%——7.35%的仿真含盐量模型Z=6.962-0.478X-1414.79Y+0.1627X2+0.842XY8.262Y2(Z为含盐量,X土壤相对介电常数,Y为分层振幅比)。该模型在样地中准确率达86.54%,表明该模型具有一定的适用性。在大田实验中,采集不同时期黄河流路盐渍土的GPR数据,对含盐量模型进行进一步训练,仿真,输出,得到不同流路的含盐量模型,对比发现在最早形成的甜水沟流路模型的修正适应性较好。
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