一种高精度连续探测东北黑土层厚度的方法

技术领域

本发明属于土层厚度探测技术领域，尤其涉及一种高精度连续探测东北黑土层厚度的方法。

背景技术

目前：土壤厚度能够反映土壤的发育程度，与土壤肥力密切相关，并且能够用来判定土壤侵蚀程度，在作物的种植与生长过程中起着至关重要的作用。近年来由于不合理的土地利用，严重破坏了土壤结构，加速了有机质的矿化，土地生产力急剧下降，加之强烈的水土流失导致黑土层变薄，黑土资源严重流失。

准确评估东北黑土层厚度及其空间分布，对于保护黑土资源具有重要意义。目前传统的土壤厚度获取方法有土壤剖面法、插钎法和钻孔法等，虽然测量结果准确度高，但此方法大多使用人工对样点土层进行破坏性的挖掘，因此难度大、成本高且效率低。导致利用现有技术很难在野外实现对土层厚度的大面积测定，也难以获取土层厚度连续空间变化信息。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

传统的土壤厚度获取方法使用人工对样点土层进行破坏性的挖掘，成本高、效率低、操作难度大；采样点位置的空间代表性很难保证；利用空间插值方法估算土层厚度连续空间变化存在较大的不确定性，且需布设较密的样点；因此，现有方法难以实现对黑土层厚度的野外大面积连续测定。

解决以上问题及缺陷的难度为：传统的土壤厚度测量方法包括土壤剖面法、插钎法和钻孔法等，具有操作简单、过程直观、结果准确的优点，因此长期被人们所采用。但这些方法效率低、成本高、空间连续性差的问题也非常突出。为解决这些这些问题，就需要采用线状或面状连续布设样点代替空间分散布设样点，且能够准确、高效、低成本获取样点土层厚度信息的方法。

解决以上问题及缺陷的意义为：可为黑土层厚度测量提供一种快速、准确、低成本的新方法，解决空间样点分布代表性难以保证的问题，同时降低对土地的强烈扰动，可为黑土层厚度的野外大面积连续测定提供一种新的解决方案。从而为准确评估东北黑土层厚度及其空间分布提供技术支撑，为黑土资源保护提供科学依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度连续探测东北黑土层厚度的方法。

本发明是这样实现的，一种高精度连续探测东北黑土层厚度的方法包括：

步骤一，在不同利用类型的平整土地上确定待探测区域；

具体地，可选择不同坡型以及坡度的农耕地，或是草地、林地、果园地等，在进行下一步之前，应初步测量所选探测区域的长度以及宽度。

步骤二，根据上述探测区域面积大小可设置多条测线，并在不同测线的不同位置挖掘土壤剖面观察黑土层厚度，依据所观察到的黑土层厚度选定探地雷达天线；

根据上一步骤中所测量的探测区域面积，设置适当数量的测线以覆盖整个探测区域，在坡度变化较大的位置可适当增加测线。分别在不同测线的不同位置上挖掘土壤剖面，将剖面一侧修复平整以观察黑土层厚度，以此来选定探地雷达天线频率。

步骤三，在上述剖面中的黑土层与黄土母质层分界处埋设铁管，测量记录铁管实际埋深并标记地面相应位置；

在步骤二所述土壤剖面中的黑土与黄土母质层的分界处埋设铁管，铁管长度可依据雷达天线宽度选择，应大于等于雷达天线宽度，以确保雷达天线可准确扫描到埋设的铁管。铁管埋设结束后应在地面相应位置作好标记，目的是当雷达扫描到此处时可清楚的在雷达图像中进行标记。

步骤四，对上述待探测区域内土地进行适当平整，去除较大土块石块以及作物残茬；

根据所选探测区域土地情况进行平整，主要清除测线上较大的障碍以降低探地雷达车轮的颠簸程度，确保雷达图像的清晰度。

步骤五，利用探地雷达对所选区域进行扫描；将上述步骤完成之后，沿测线进行扫描。

步骤六，扫描完成后对雷达图像进行背景去除、手动/自动去除零点等操作，最终从图像中读取土层深度及雷达波传播时间等信息。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明提供的高精度连续探测东北黑土层厚度的方法，通过探地雷达技术可对我国东北典型黑土区黑土层厚度进行连续探测，且可通过处理后的雷达图像直接读出土层深度，进而得到黑土层厚度连续的空间分布，根据野外实验得出探地雷达探测土层厚度的误差在1.33％-14.00％范围内。本发明操作简单快速且对土地扰动较低，可用于大面积的土层厚度连续探测，可为准确掌握黑土层厚度连续空间分布信息提供一种新的技术，为黑土资源评估与保护提供科学依据，并为运积母质发育的土壤厚度测定提供一种可靠的方法，以解决现有技术中土层厚度探测的效率低、成本高、空间连续性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高精度连续探测东北黑土层厚度的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的雷达图像处理前后对比图。

图3是本发明实施例提供的不同坡型坡面的土层厚度及坡度随坡长的变化规律示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高精度连续探测东北黑土层厚度的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高精度连续探测东北黑土层厚度的方法包括：

S101，在不同利用类型的平整土地上确定待探测区域；

S102，根据上述探测区域面积大小设置多条测线，并在不同测线的不同位置挖掘土壤剖面观察黑土层厚度，依据所观察到的黑土层厚度选定探地雷达天线；

S103，在上述剖面中的黑土层与黄土母质层分界处埋设铁管，测量记录铁管实际埋深并标记地面相应位置；

S104，对上述待探测区域内土地进行适当平整，去除较大土块石块以及作物残茬；

S105，利用探地雷达对所选区域进行扫描；

S106，扫描完成后对雷达图像进行处理与读数。

本发明实施例中的步骤S101中，所述土地利用类型主要包括农耕地、草地、林地、果园地等。

本发明实施例中的步骤S101中，所述确定待探测区域由不同数量的测线组成，所述测线沿同一方向分布，可在有坡度变化较大的位置加密测线。

本发明实施例中的步骤S103中，所述铁管长度大于等于雷达天线的宽度。

本发明实施例中的步骤S103中，所述铁管的埋设垂直于测线。

本发明实施例中的步骤S105中，在利用探地雷达对所选区域进行扫描之前，确保雷达天线处于埋设铁管的中心处。

本发明实施例中的步骤S102中，所述对待探测区域的划分依据探测区域的面积进行划分。

不同公司生产的不同型号的探地雷达其图像处理软件不同，大致分为两个步骤，背景去除以及去除零点操作，得到时间/深度剖面图像。对雷达图像进行处理之后，在图像中找到步骤S103中所述铁管位置，一般为抛物线状，对铁管实际埋深以及雷达图像中的读数进行对比分析，可得出探地雷达的探测精度，本发明的野外实验中得出探地雷达探测土层厚度的误差范围为1.33％-14.00％。观察与铁管同一深度附近的电磁波变化特征，根据这一电磁波的变化特征进行土层厚度的提取。

下面结合具体试验对本发明进一步进行描述。

由于不同坡型坡耕地黑土层厚度空间变异存在较大差异，因此本发明的野外试验区域选取克山县境内的三个不同坡型的坡耕地，分别为：直型坡坡长290m，坡宽120m，平均坡度为1.6°；凸型坡坡长240m，坡宽20m，平均坡度为1.4°；凹型坡坡长192m，坡宽10.5m，平均坡度为3.1°，三个坡耕地均采用顺垄耕作方式且都种植玉米。每个研究区域内按照坡宽合理布设五条测线，采用剖面法进行探测，分别用400MHz和900MHz两个频率的天线进行测量。每条测线选取一处进行开挖剖面实测黑土层的深度，且五处剖面位置沿坡向自上而下分布，分别代表坡顶、坡肩、坡中、坡下和坡脚处，在开挖剖面位置沿黑土层分界面处垂直于测线方向埋设长60cm的空心铁管，由于铁管与土壤介电性质差异较大，会在雷达图像中出现明显的跳跃现象，从而可对土层厚度探测结果进行校正。获得雷达图像后对图像进行处理：在RADAN7软件中进行背景去除处理，消除操作过程中不可避免的干扰噪声；在软件中进行手动/自动去除零点操作，从而获得准确测量值。处理前后的雷达图像以及铁管位置如图2所示，A为处理前图像，B为处理后图像。

根据处理后的雷达图像可直接读出土层深度，其中凹型坡因坡宽较窄只布设四条测线，由野外实际铁管布设深度和雷达图像中所获得铁管埋深，可得到探地雷达探测土壤厚度的准确性，如下表1所示，计算分析后发现，铁管的实际埋深与探地雷达探测的铁管深度之间差异不显著。

表1不同坡型坡面铁管埋深以及探地雷达测量深度

根据坡面雷达图像可得到三个坡面不同位置的黑土层厚度，如图3和表2所示。凹型坡的土层厚度最厚，直型坡的土层厚度最薄，分别为31.52cm和22.28cm，由表中数据可发现，凹型坡从坡顶至坡脚土层厚度变化最大，而直型坡土层厚度变化相对较小。直型坡土层厚度从坡顶至坡中逐渐减小，坡中部最薄为21.05cm，坡脚处最厚为24.85cm。凸型坡土层厚度最薄位置也为坡中部(22.72cm)，随着坡长的增加，土层厚度逐渐增大至坡脚处31.38cm。凹型坡的坡顶以及坡肩部位土层厚度较薄，然后逐渐增大，坡脚处土层最厚为37.35cm。

表2不同坡型坡面不同位置的黑土层厚度

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。