一种快速获取新增耕地重构土体填充层厚度的方法

1.本发明涉及土体填充层厚度的测量领域，具体的是一种快速获取新增耕地重构土体填充层厚度的方法。


背景技术：

2.土壤重构是土地复垦中的重要环节，在土壤复垦过程中，填充物的选择、填充厚度、覆土厚度的确定均会对土壤质量造成影响，而在复垦过程中，填充层的厚度或大或小，导致覆土层的厚度差异较大，从而造成不同地方土壤结构不同，而对于作物生长过程中，土壤结构不同带来的问题便是作物长势差异较大。而在复垦过程中，同一地区一般采用同一种填充物进行土地复垦，因此主要影响作物生长的因素便是覆土厚度及填充厚度的差异，确定好覆土厚度和填充厚度的比例，不仅可以减小土壤结构对作物生长的影响，而且可以保证经济效益的稳定。
3.探地雷达(gpr)作为一种新型的浅层地球物理探测技术，已广泛应用于地理探测、工程检测等领域。探地雷达具有快读、便捷、无损、连续、可重复探测、可大面积测量等特征。在土层厚度及分层探测方面，探地雷达表现出了一定的优势，可以应用在土地复垦工程中对土层厚度的验收。
4.在传统的探地雷达分层识别中，主要是根据人为经验判断和波形简化方式来确定分层位置，但这样做存在较大误差，对于表层土壤的探测可能影响不大，但对之后层次的土壤厚度计算精度将会减小，所以，忽略表层直接对表层之下的土层进行计算，在一定程度上可以提高深层土壤的探测精度，同时，对于只需要表层之下土层厚度的项目，可以在一定程度上减少工作量。


技术实现要素：

5.为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种快速获取新增耕地重构土体填充层厚度的方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种快速获取新增耕地重构土体填充层厚度的方法，所述方法包括以下步骤：
8.一、布置实验，根据不同填充位置进行实验设计，并对填充层上下分界面位置进行标定；
9.二、获取每个填充位置下地探地雷达实时的剖面数据、探测图像；
10.三、对所获取的雷达数据进行预处理，获取效果明确的雷达剖面数据；
11.四、根据雷达图像获取填充物所在的上、下分界面信号，结合时频分析方法(短时傅里叶变换)，根据分界面时间计算探地雷达在填充层的双程走时，根据标定深度计算填充层介电常数；
12.五、结合点测数据对标定的填充层位置的介电常数进行表示，获取精确的介电常数；
13.六、基于获取的介电常数来计算填充层厚度的实时变化情况。
14.进一步地，所述步骤一在实验时分别设计填充层厚度相同、覆土厚度不同的实验区域，并且每个区域均标定填充层上下分界面的位置及其深度。
15.进一步地，所述步骤二的具体步骤如下：
16.1)在每个覆土区域进行位置标定，确定标定的位置和上下标定位置之间的厚度；
17.2)设置探地雷达参数，在不同覆土区域进行探地雷达线测数据采集，获取实时线测剖面图；
18.3)保持探地雷达采集参数不变，在标定位置进行点测数据采集。
19.进一步地，所述步骤三的要操作流程为：去直流漂移、agg增益、背景去除、巴斯沃斯滤波，具体步骤如下：
20.1)对采集的雷达数据进行去除直流漂移处理，其目的是使有效信号不受漂移现象的影响；
21.2)去直达波处理是去除雷达数据中由于收发天线距离较近以及地面波与空气波产生的低频信号，从而消除感应现象的失真，可以在保留高频信号的同时移除不需要的低频信号；
22.3)背景去除处理，由于带通滤波整体上改善了信号的信噪比，但在某些特定情况下，雷达回波剖面信号中包含呈水平线的“背景”干扰，其掩埋了有效反射信号，对信号进行背景去除处理；
23.4)滤波处理采用方法为巴斯沃斯滤波，获取分层更加明显的探地雷达图像。
24.进一步地，所述步骤四的具体步骤如下：
25.1)根据标定的深度，结合短时傅里叶变换，获取上下分界面的时间信息，计算填充层的双程走时，具体使用以下公式计算：
26.t＝t
1-t2，t表示填充层的双程走时，t1表示电磁波到达上分界面的时间，t2代表电磁波到达下分界面的时间；
27.2)根据标定深度，结合计算的时间，获取填充层的介电常数，以此来表征其余区域的填充层介电常数，介电常数获取方法使用以下公式计算：
28.ε＝(ct/h)2；其中，ε代表介电常数，c代表光速，一般为3.0
×
108m/s，h代表标定深度。
29.进一步地，所述步骤五中获取的介电常数以点测数据获取的介电常数为准。
30.进一步地，所述步骤六中进行多次点测数据采集，采用空间插值获取测线上个点的介电常数，最后进行填充层厚度的反算。
31.本发明的有益效果：
32.本发明可以直接对地下填充层厚度进行计算，越过了表层土壤，不再需要从表土层开始进而类推的方式，使得深层土层厚度计算更加简便，并且该方法适用于重构土壤及分层较为简单的土体结构，在一定程度上避免了误差的传递，使得填充层厚度的探测精度更高。
33.本发明未考虑表层土的影响，直接从分层位置进行计算，由于主要是依据分层位置进行时间计算，避免了由表层土壤计算的分层不清的问题。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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；
35.图1是本发明基于探地雷达获取重构土壤填充层厚度的示意图；
36.图2是本发明探地雷达图像处理流程示意图；
37.图3是本发明探地雷达采集到的原始图像示意图；
38.图4是本发明预处理之后的探地雷达图像示意图；
39.图5是本发明短时傅里叶方法处理后的探地雷达图像示意图；
40.图6是本发明填充层厚度变化曲线示意图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
42.一种快速获取新增耕地重构土体填充层厚度的方法，如图1-6所示，包括以下步骤：
43.一、布置实验，根据不同填充位置进行实验设计，并对填充层上下分界面位置进行标定；
44.其中，分别设计填充层厚度相同、覆土厚度不同的实验区域，并且每个区域均标定填充层上下分界面的位置及其深度；
45.由于探地雷达主要应用于表层土壤结构探测，本发明主要研究表层土壤结构进行探测，研究深度均在1m以内，即复垦土壤的开垦范围。
46.具体地，本发明中实验区域共有三个，通过开挖三个50
×
50cm的正方形坑，每个坑的开挖深度不同，分别为60cm、80cm、100cm，其中，填充厚度均为20cm，覆土厚度为40cm、60cm、80cm，填充物均为建筑垃圾，实验中使用60cm的地方作为具体分析；
47.然后利用探地雷达在表层进行探测，采样点设计为1026，采样间隔为0.02m。由于使用机械压实会影响土层的分层变化，所以主要通过土壤自然沉降，对土壤沉降稳定后的土层进行探测，从而减小人为压实产生的影响。
48.二、获取每个填充位置下探地雷达实时的剖面数据、探测图像；
49.其中，在图像获取过程中，需要点测数据与线测数据同时采集，在标定位置不仅获取具体线测数据，同时采集点测数据；
50.具体步骤如下：
51.1)在每个覆土区域进行位置标定，确定标定的位置和上下标定位置之间的厚度；
52.2)设置探地雷达参数，在不同覆土区域进行探地雷达线测数据采集，获取实时线测剖面图；
53.3)保持探地雷达采集参数不变，在标定位置进行点测数据采集。
54.具体的，分别对三个不同覆土区域进行探地雷达探测，获取每个区域的雷达剖面
图。测线长为0.5m，共获取三条测线的剖面图，在标定位置使用探地雷达进行点测，具体操作方式为：保持探地雷达不动，连续向同一位置发射20条电磁波，以20条电磁波的叠加作为测点的图像，每个覆土区域均获取一个标定位置的点测数据和线测数据。
55.三、对所获取的雷达数据进行预处理，获取效果明确的雷达剖面数据；
56.对探地雷达获取的初始图像进行预处理，使分层效果更加明显，主要操作流程为：去直流漂移、agg增益、背景去除、巴斯沃斯滤波，具体如下：
57.1)首先对采集的雷达数据进行去除直流漂移处理，其目的是使有效信号不受漂移现象的影响；
58.2)去直达波处理，主要是去除雷达数据中由于收发天线距离较近以及地面波与空气波产生的低频信号，从而消除感应现象的失真，它可以在保留高频信号的同时，移除不需要的低频信号；
59.3)之后进行背景去除处理，由于带通滤波整体上改善了信号的信噪比，但在某些特定情况下，雷达回波剖面信号中包含呈水平线的“背景”干扰，这些掩埋了有效反射信号，因此对信号进行背景去除处理。
60.4)最后进行滤波处理，主要采用方法为巴斯沃斯滤波，获取分层更加明显的探地雷达图像。
61.四、根据雷达图像获取填充物所在的上、下分界面信号，结合时频分析方法(短时傅里叶变换)，根据分界面时间计算探地雷达在填充层的双程走时，根据标定深度计算填充层介电常数，具体地步骤如下：
62.1)根据标定的深度，通过短时傅里叶方法对波形进行变换，获取上下分界面的时间信息，计算填充层的双程走时，具体使用以下公式计算：
63.t＝t
1-t2，t表示填充层的双程走时，t1表示电磁波到达上分界面的时间，t2代表电磁波到达下分界面的时间；
64.2)根据标定深度，结合计算的时间，获取填充层的介电常数，以此来表征其余区域的填充层介电常数，介电常数获取方法使用以下公式计算：
65.ε＝(ct/h)2；其中，ε代表介电常数，c代表光速，一般为3.0
×
108m/s，h代表标定深度。
66.五、结合点测数据对标定的填充层位置的介电常数进行表示，获取较为精确的介电常数；
67.1)根据所得的点测数据下的介电常数作为最后的介电常数；
68.2)根据校正参数，对未标定位置分层位置进行双程走时计算，根据通过插值方法获取的预测的介电常数作为填充层的介电常数。
69.六、基于获取的介电常数来计算填充层厚度的实时变化情况。
70.进行多次点测数据采集，采用空间插值获取测线上个点的介电常数，最后进行填充层厚度的反算，如图6所示。
71.由于覆土厚度不同，在不同区域预测的介电常数有所差别，主要是由于地下结构不同、含水率的影响不同，本发明进行介电常数预测，不涉及含水率的影响。
72.由于本发明未设计实验，填充层厚度较为均一，同时位置大概均处于同一位置，在探地雷达图像中易于分辨，但在实际中，由于土壤结构的变化情况，可能无法精确判断分层
位置，需利用单道波形进行分析，同时可以结合具体的时频分析方法进行时间判定。由于在深度计算中无法进行逐点计算，所以需要借助插值手段进行图层变化预测。
73.综上，本发明可以直接对地下填充层厚度进行计算，越过了表层土壤，不再需要从表土层开始进而类推的方式，使得深层土层厚度计算更加简便，并且该方法适用于重构土壤及分层较为简单的土体结构，在一定程度上避免了误差的传递，使得填充层厚度的探测精度更高。
74.本发明未考虑表层土的影响，直接从分层位置进行计算，由于主要是依据分层位置进行时间计算，避免了由表层土壤计算的分层不清的问题。
75.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。