基于探地雷达的典型土壤物理性质探测研究进展
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探地雷达研究报告范文大全探地雷达是一种重要的地质探测工具,广泛应用于地质勘探、环境监测、资源调查等领域。
本文将介绍探地雷达的原理、应用以及研究进展,希望能对读者了解该技术提供全面的参考。
探地雷达是利用电磁波在地表与地下界面反射和传播的特性,探测地下的目标物体。
其工作原理基于电磁波与地下介质之间的相互作用。
当电磁波入射到地下介质时,由于地下介质的电磁参数不同于地表,电磁波会发生反射、折射、散射等现象,通过分析接收到的电磁波信号,我们可以确定目标物体的存在和位置。
探地雷达具有多种应用。
在地质勘探中,探地雷达可以帮助我们了解地下的地层结构、矿产资源分布、岩土体的性质等,为勘探工作提供重要依据。
在环境监测中,探地雷达被广泛用于地下水位、土壤含水量、地下管道等的监测和测量。
此外,探地雷达还可以应用于军事领域,用于探测地雷、地下隧道等。
在建筑工程中,探地雷达能够检测地基的稳定性和隐藏的地下管线,提高施工的安全性。
探地雷达的研究一直在不断地进行。
近年来,随着雷达技术和计算机技术的不断发展,探地雷达的分辨率和探测深度得到了显著提高。
研究人员提出了更多的信号处理方法和数学模型,以提高雷达图像的质量和解释能力。
同时,利用人工智能等技术手段对探地雷达数据进行快速处理和分析,也成为研究热点之一。
此外,还有学者致力于改进雷达的探测深度和分辨率,开发了一系列新颖的探测系统和探头。
探地雷达的研究与应用为地下勘探和资源开发提供了重要技术手段。
然而,目前的研究还存在一些挑战,如深层目标的探测、岩土体特性的定量分析等,需要进一步的研究。
总之,探地雷达技术作为地质探测领域的重要工具,将继续受到研究人员的关注和广泛应用。
综上所述,探地雷达是一种重要的地质探测技术,具有广阔的应用前景。
随着研究的不断深入,我们相信探地雷达技术将在地下勘探和资源开发中发挥越来越重要的作用,为人类创造更多的科技价值。
我国城市地球物理勘探方法应用进展导读:随着我国城市化建设不断推进,城市地下空间探测任务越来越多,探测精度要求也越来越高。
地球物理方法具有无损、快速、无盲区的优势,在进行城市地下空间探测、开展地下地质结构调查以及地下填图中发挥着重要作用。
与常规物探工作相比,城市地下空间探测面临着较为复杂特殊的环境,因而某些领域对常规物探工作提出了更高要求。
本文总结梳理了近年来城市地下空间探测中的应用研究进展及发展趋势,从城市高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层反射地震法及城市高精度重力探测等五种方法概述应用进展,涵盖电磁、地震、重力等多门类综合地球物理勘探方法,涉及光纤传感及微动技术在地下空间探测的应用,分析了各种方法的优势所在,简明阐述了城市地下空间探测的有效方法途径和部分存在的问题。
本文研究成果为城市地下空间探测、水文工程环境地质勘查和地质灾害调查等提供了地球物理勘探方法应用选择和参考。
------内容提纲------0引言1 城市地球物理勘探基本原理、方法及探测目标1.1 地球物理勘探基本原理1.2 地球物理勘探方法1.3 地球物理勘探目标2 方法应用研究进展2.1 高密度电法2.2 探地雷达法2.3 面波勘探法2.3.1 主动源面波勘探2.3.2 被动源面波勘探(微动探测)2.4 浅层反射地震法2.4.1 纵波反射地震2.4.2 横波反射地震2.5 高精度重力法3 方法对比分析4 结论与展望0 引言城市地下空间作为一种宝贵的自然资源,在全球发达国家和部分发展中国家已得到广泛开发应用。
随着我国城市化建设不断推进,城市地下空间探测已成为当前研究关注的热点问题,同时对地球物理方法技术提岀了更高要求,地球物理方法是进行城市地下空间探测、开展地下地质结构调查以及地下填图不可或缺的手段。
近年来,我国在成都、杭州及雄安新区等重大城市均开展了城市地下空间探测工作,并且综合运用多种物探方法,用以解决与城市密切相关的地质、水文、环境及灾害等一系列问题,取得了较好应用效果。
探地雷达在吉林西部地区探测土壤碱化层薛建;曾昭发;田刚;王者江【摘要】吉林西部盐碱地区的探地雷达调查表明,盐碱地与耕地土的雷达回波具有明显差别,根据振幅的衰减特征可以精确区分耕地与盐碱地,根据频谱中高频峰值与土壤有机质含量的相关性可定性评价土壤的盐碱化程度.在雷达瞬时振幅图上,可将盐碱地纵向剖面分为盐分积累带和过渡带.采用探地雷达方法可快速了解盐碱化程度在深度方向上的变化,适宜开展大面积地面调查.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2005(029)005【总页数】4页(P421-424)【关键词】探地雷达;盐碱化;地面调查;土壤【作者】薛建;曾昭发;田刚;王者江【作者单位】吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026;吉林大学,地球探测科学与技术学院,吉林,长春,130026【正文语种】中文【中图分类】P631众所周知,采用遥感、地理信息系统和全球定位系统可确定土地退化和盐碱化面积,而对于土壤盐碱化程度的监测则是以地面调查为主,地面调查可更精确地划分出耕地与盐碱地的界线及土壤盐碱化程度的有关信息。
在美、德等国家,使用探地雷达方法研究影响土壤使用、管理和分类的因素[1];在我国,盐碱地实地调查的传统方法是取样进行地球化学分析,地球物理方法的应用甚少。
探地雷达是近几十年发展起来的高分辨率和高效率的地球物理探测技术,能否将其应用于盐碱化层深度调查?其有效性和探测精度如何等问题,都有待实验研究。
笔者以吉林西部盐碱地区的探地雷达调查为例,介绍了有关的研究成果和技术方法。
吉林西部盐碱地区的探地雷达调查表明,盐碱地与耕地土壤在物理、化学性质的差异改变了土壤的相对介电常数,雷达回波具有明显差别,根据振幅的衰减特征可以精确地区分耕地与盐碱地,根据频谱中高频峰值与土壤有机质含量的相关性可大体评价土壤的盐碱化程度。
测量雷达技术在地质勘探中的应用案例分析地质勘探是指通过对地壳结构和地下资源进行调查和研究,以揭示地下的地质构造、岩矿资源和水文地质条件等,并为国民经济的发展和环境保护提供科学依据。
近年来,随着科技的不断进步,各种先进的技术手段开始被广泛应用于地质勘探领域。
本文将重点讨论测量雷达技术在地质勘探中的应用案例,探讨其在地质勘探中的优势和价值。
一、地质勘探概述地质勘探通常包括地质雷测、地球物理勘探、高精地形测量、岩相与地球化学分析、资源勘探等技术方法。
其中,地球物理勘探是一种重要的地质勘探手段,它通过测量和解释地球物理现象来获取地下地质信息。
在地球物理勘探中,测量雷达技术作为一种高效、精确的测量手段,逐渐受到关注和应用。
二、测量雷达技术的原理测量雷达技术是一种利用雷达波进行测量和探测的方法。
雷达波在地下地质层之间传播时,会受到不同介质的反射、折射和散射等现象,从而反映出地下地质结构的特征。
通过测量雷达技术,可以得到地下地质层的雷达剖面图,进而推断出地质构造和岩性等信息。
三、测量雷达技术在地质勘探中的应用案例案例一:煤矿勘探中的测量雷达技术应用煤矿勘探是地质勘探的一个重要方向,测量雷达技术在煤矿勘探中得到了广泛应用。
通过测量雷达技术,可以对煤矿区域的地下地质结构进行详细测量和分析,准确确定煤层的厚度、分布和品质,为煤矿的开发和管理提供科学依据。
案例二:土壤污染勘察中的测量雷达技术应用测量雷达技术在土壤污染勘察中具有广泛应用价值。
通过测量雷达技术,可以快速获取土壤结构的信息,并对污染物的传播和堆积进行测量和分析,为土壤污染的处理和防治提供科学指导。
案例三:地下水资源勘察中的测量雷达技术应用地下水资源是人类生活和经济发展的重要基础,测量雷达技术在地下水资源勘察中扮演着关键的角色。
通过测量雷达技术,可以测量地下水层的厚度、含水性质和储量情况,为地下水资源的合理开发和利用提供科学依据。
四、测量雷达技术的优势和价值1. 非侵入性:测量雷达技术无需对地下地质进行人工开挖或钻探,可以快速、精确地获取地下地质信息,减少工程成本和工程风险。
超宽带雷达技术在地球物理勘探中的应用随着科技日新月异的发展,人类对自然界的认知越来越深入。
其中,地球物理勘探技术扮演着至关重要的角色,为我们揭开了地球深处的神秘面纱。
在地球物理勘探过程中,雷达技术被广泛应用,其中超宽带雷达技术更是成为热门研究领域。
本文将介绍超宽带雷达技术在地球物理勘探中的应用。
一、什么是超宽带雷达技术超宽带雷达技术是指在极短的时间内发射大量高频率的电磁波,通过测量电磁波在地下物质中的传播速度、衰减、反射等物理现象,获取地下物质的构造、成分等信息。
相对于传统雷达技术,超宽带雷达技术具有发射能量大、分辨率高、对不同材料的散射特性敏感等优点。
二、超宽带雷达技术在地球物理勘探中的应用①地质构造分析地球物理勘探中,超宽带雷达技术可以精确地探测到不同深度的地下构造物,比如石油、天然气等地质资源。
通过这种技术,可以找到地下地质构造的位置、深度、性质、尺度等,进而预测地下物质的成分、状态、状况。
②地下水资源勘探超宽带雷达技术在地下水资源勘探中也扮演着重要的角色。
其原理是利用电磁波在地下水含水层中的反射和折射特性,确定地下水的分布、含水量、水质等信息。
这种技术对于地下水资源勘探、水文地质研究都有重要的应用价值。
③环境保护实践超宽带雷达技术不仅可以应用在地质勘探,还可以用于环境保护实践中。
通过该技术,可以检测地下水的墨汁、酚、重金属等环境污染物的排放情况。
同时还可以利用反射特性,测定土壤厚度和性质,为土地开发提供参考。
三、超宽带雷达技术的优势①高精度高分辨率超宽带雷达技术可以在很短的时间内发射多个电磁脉冲,并通过反射信号获取地质构造等信息。
其分辨率能够达到亚米级别,并且捕获的数据可以实现高质量成像。
②易于操作相对于传统的地球物理勘探技术,超宽带雷达技术具有操作简便、数据解释易用、成本低廉等优点。
③非破坏性探测超宽带雷达技术对周边环境和构造不会造成任何影响,具有较高的安全性和可靠性。
四、超宽带雷达技术的发展前景超宽带雷达技术作为一种新型的地球物理勘探技术,具有广阔的发展前景。
探地雷达在植物根系探测中的应用进展作者:胡梦蛟武珂田云露王雪妍苗丽花来源:《河南科技》2019年第05期摘 要:根系在植物生长发育过程中扮演着十分重要的角色,根系研究是理解植物与土壤相互作用的重要基础,对阐释生态系统水力平衡以及营养循环意义重大。
探地雷达具有传统和其他物探方法无可比拟的优势。
本文主要追溯探地雷达在根系应用方面最新研究成果和前沿科学问题,讨论不同研究方法和相关试验的优缺点,展望该研究领域未来的发展方向。
关键词:探地雷达;植物根系;探测;介电常数中图分类号:TN959 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2019)05-0011-05Abstract: Root system plays a very important role in the process of plant growth and development. Root system research is an important basis for understanding the interaction between plant and soil, and is of great significance for explaining the hydraulic balance and nutrient cycle of ecosystem. Ground penetrating radar (GPR) has incomparable advantages over other geophysical methods. This paper mainly traced the latest research results and frontier scientific issues of ground penetrating radar in root application, discussed the advantages and disadvantages of different research methods and related experiments, and looked forward to the future development direction of this field.Keywords: ground penetrating radar;plant root system;detection;dielectric constant1 研究背景根系作为植物重要的功能器官,不仅能从土壤中吸收水分和养分、固定植株,而且能通过呼吸和周转消耗光合产物并向环境输入有机质。
《超深探地雷达探测系统的分析与研究》篇一一、引言随着科技的不断发展,地雷达探测系统作为一种新型的地球物理探测技术,其应用范围日益广泛。
特别是在资源勘探、环境监测、考古学和工程地质勘察等领域,超深探地雷达探测系统发挥了重要的作用。
本文将就超深探地雷达探测系统的原理、应用及其发展趋势进行详细的分析与研究。
二、超深探地雷达探测系统概述超深探地雷达探测系统是一种利用电磁波进行地下探测的技术。
其基本原理是通过发射高频电磁波,然后接收由地下介质反射回来的电磁波,根据电磁波的传播时间和波幅等信息,推测出地下介质的结构和性质。
与传统的钻探和采矿技术相比,该技术具有高效率、无破坏性、覆盖面积广等优点。
三、超深探地雷达探测系统的基本原理1. 工作原理:超深探地雷达通过向地下发射电磁波,并根据反射回来的信号来判断地下目标物的大小、位置及形态。
同时,该系统还能够对地下的多层结构进行高精度的成像。
2. 关键技术:包括信号处理技术、电磁波传播理论、地质解释等。
其中,信号处理技术是提高探测精度的关键,电磁波传播理论是理解电磁波在地下介质中传播规律的基础,地质解释则是将探测结果与实际地质情况相结合,为后续的勘探工作提供依据。
四、超深探地雷达探测系统的应用1. 资源勘探:在石油、天然气、地下水等资源的勘探中,超深探地雷达探测系统可以快速准确地确定资源的位置和分布情况,为资源开发提供重要依据。
2. 环境监测:该系统可以用于地质灾害的监测和预警,如滑坡、泥石流等,还可以监测土壤污染和地下水污染等环境问题。
3. 考古学:在考古领域,超深探地雷达探测系统可以帮助考古学家了解古代遗址的地层结构和遗址分布情况,为考古发掘提供重要信息。
4. 工程地质勘察:在工程地质勘察中,该系统可以用于确定地下岩土的分布和性质,为工程设计提供依据。
五、超深探地雷达探测系统的发展趋势1. 更高精度:随着技术的不断发展,超深探地雷达探测系统的精度将不断提高,能够更准确地反映地下介质的结构和性质。
《基于极化混沌探地雷达的地下管线探测方法研究》篇一一、引言地下管线探测作为城市基础设施的重要组成部分,对保障城市供排水、能源输送等有着极其重要的作用。
极化混沌探地雷达技术作为新兴的无损探测技术,在地下管线探测方面展现出了其独特的优势。
本文旨在深入研究基于极化混沌探地雷达的地下管线探测方法,以期为地下管线的安全、高效探测提供理论支持和技术支撑。
二、极化混沌探地雷达技术概述极化混沌探地雷达技术是一种利用电磁波对地下目标进行探测的技术。
其基本原理是通过发射极化电磁波,接收由地下目标反射或散射回来的电磁波,从而获取地下目标的形态、位置和性质等信息。
该技术具有高分辨率、高精度、无损探测等优点,适用于各种复杂环境下的地下管线探测。
三、地下管线探测方法研究1. 探测原理基于极化混沌探地雷达的地下管线探测方法,主要是通过发射不同极化方式的电磁波,对地下管线进行扫描。
在扫描过程中,根据电磁波的反射、透射和散射等特性,获取管线的形态、位置和性质等信息。
同时,通过分析电磁波的极化状态,可以进一步判断管线的材质、埋深等参数。
2. 探测步骤(1)现场勘察:了解探测区域的地理环境、管线分布等情况,确定探测方案。
(2)设备准备:选择合适的极化混沌探地雷达设备,进行设备调试和校准。
(3)数据采集:按照探测方案,进行数据采集。
在采集过程中,需根据实际情况调整设备的参数设置,以保证数据的准确性和可靠性。
(4)数据处理与分析:将采集到的数据进行处理和分析,提取管线的形态、位置和性质等信息。
同时,结合极化状态分析,判断管线的材质、埋深等参数。
(5)结果输出:将分析结果以图像、数据等形式输出,为后续的管线维护和管理提供依据。
四、实验与分析为了验证基于极化混沌探地雷达的地下管线探测方法的可行性和有效性,我们进行了实地实验。
实验结果表明,该方法能够准确获取地下管线的形态、位置和性质等信息,且具有较高的分辨率和精度。
同时,通过极化状态分析,可以进一步判断管线的材质、埋深等参数,为后续的管线维护和管理提供了有力支持。
《基于三维探地雷达的沥青路面结构性能检测研究》篇一一、引言随着道路交通的快速发展,沥青路面的质量与性能越来越受到人们的关注。
传统的路面检测方法虽然具有一定的有效性,但往往存在检测效率低、结果精度不高的问题。
因此,发展高效、精确的路面检测技术成为当前研究的热点。
三维探地雷达作为一种新型的无损检测技术,具有高分辨率、非接触式测量等优点,被广泛应用于沥青路面结构性能的检测中。
本文旨在研究基于三维探地雷达的沥青路面结构性能检测方法,以提高路面检测的效率和精度。
二、三维探地雷达技术概述三维探地雷达是一种利用高频电磁波探测地下介质分布的地球物理探测技术。
其工作原理是通过发射高频电磁波,接收来自地下介质的反射波,从而推断出地下介质的结构和性质。
在沥青路面检测中,三维探地雷达能够有效地探测出路面的结构层、裂缝、坑槽等缺陷,为路面的维护和修复提供重要的依据。
三、基于三维探地雷达的沥青路面结构性能检测方法1. 数据采集:利用三维探地雷达设备,对沥青路面进行扫描,获取路面的雷达图像数据。
2. 数据处理:对采集的雷达图像数据进行预处理,包括滤波、增强、二值化等操作,以提高图像的信噪比和分辨率。
3. 图像解析:通过图像解析技术,对处理后的雷达图像进行解析,提取出路面的结构层、裂缝、坑槽等缺陷信息。
4. 性能评价:根据提取的缺陷信息,对沥青路面的结构性能进行评价,包括结构层的厚度、平整度、裂缝率等指标。
四、实验与分析为了验证基于三维探地雷达的沥青路面结构性能检测方法的可行性和有效性,我们进行了实验分析。
实验选取了不同年龄、不同使用状况的沥青路面,利用三维探地雷达设备进行数据采集和处理。
通过对比实验结果和实际路面情况,我们发现该方法能够有效地检测出路面的结构层、裂缝、坑槽等缺陷,且检测结果精度高、效率快。
五、结论与展望本文研究了基于三维探地雷达的沥青路面结构性能检测方法,通过实验分析验证了该方法的可行性和有效性。
基于三维探地雷达的沥青路面检测技术具有高分辨率、非接触式测量等优点,能够有效地提高路面检测的效率和精度。
论探地雷达现状与发展探地雷达现状与发展:从技术到应用的探索探地雷达(GPR)是一种利用高频电磁波探测地表以下物体特性的技术。
由于其具有无损、高效、准确等优点,GPR技术在考古、环境保护、地质调查、建筑工程等领域得到了广泛应用。
本文将介绍探地雷达的现状、优缺点以及未来的发展方向。
一、探地雷达的现状1、技术特点探地雷达作为一种非侵入性探测方法,具有以下技术特点:(1)高分辨率:GPR可以获得高分辨率的图像,能够准确区分不同性质的目标体。
(2)无损性:GPR不会对探测对象造成损伤,适用于各种材质的探测。
(3)快速性:GPR数据采集速度快,可以实现大面积扫描。
(4)抗干扰能力强:GPR对于环境噪声和其他电磁波干扰具有较强的抗性。
2、应用领域探地雷达在以下领域有广泛应用:(1)考古学:GPR可以用于确定遗址的分布、结构和年代等。
(2)环境保护:GPR可用于探测地下管线、污染源等,为环境治理提供依据。
(3)地质调查:GPR可用于研究地质构造、矿产资源分布等。
(4)建筑工程:GPR可以检测建筑物的地下基础、地下管线等,确保施工安全。
二、探地雷达的优缺点1、优点(1)高分辨率:GPR可以获得高分辨率的图像,能够准确区分不同性质的目标体。
探地雷达是一种利用高频电磁波探测地表以下物体特性的技术,具有无损、高效、准确等优点,在考古、环境保护、地质调查、建筑工程等领域得到了广泛应用(2)无损性:GPR不会对探测对象造成损伤,适用于各种材质的探测。
(3)快速性:GPR数据采集速度快,可以实现大面积扫描。
(4)抗干扰能力强:GPR对于环境噪声和其他电磁波干扰具有较强的抗性。
2、缺点然而,探地雷达也存在一些缺点:(1)对环境和地形要求较高。
由于电磁波的传播特性,GPR在复杂地形和恶劣环境下的探测效果会受到一定影响。
(2)成本相对较高。
探地雷达设备及数据解析成本较高,对于一些需要大面积探测的项目来说,可能会增加额外的成本。
(3)技术门槛较高。
罗古拜ꎬ曹银贵ꎬ况欣宇ꎬ等.基于探地雷达的典型土壤物理性质探测研究进展[J].江苏农业科学ꎬ2019ꎬ47(14):40-44.doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2019.14.009基于探地雷达的典型土壤物理性质探测研究进展罗古拜1ꎬ曹银贵1ꎬ2ꎬ况欣宇1ꎬ张㊀庆1[1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院ꎬ北京100083ꎻ2.国土资源部土地整治重点实验室ꎬ北京100035]㊀㊀摘要:探地雷达(GPR)作为一种新型的无损探测工具ꎬ具有探测速度快㊁探测过程连续㊁操作简单ꎬ探测费用低等优点ꎮ探地雷达在工程勘探方面应用广泛ꎬ但在探测典型土壤物理性质ꎬ尤其是在探测矿区典型土壤物理性质方面的应用研究较少ꎮ本文在介绍GPR基本工作原理㊁发展历程及其图像处理研究进展的基础上ꎬ对基于GPR的典型土壤物理性质探测研究进展作详尽文献分析ꎬ最后阐述基于GPR的矿区复垦土壤典型物理性质的研究进展ꎬ并对探地雷达探测典型土壤物理性质进行了展望ꎬ指出基于GPR对典型土壤物理性质的研究应主要集中于GPR图像处理技术㊁GPR的分辨率及探测效果评价等方面ꎮ㊀㊀关键词:探地雷达ꎻ土壤含水量ꎻ土壤容重ꎻ土层厚度ꎻ土壤质地ꎻ土壤砾石含量ꎻ土地复垦㊀㊀中图分类号:S152㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1002-1302(2019)14-0040-05收稿日期:2018-08-14基金项目:国家自然科学基金(编号:41701607)ꎮ作者简介:罗古拜(1992 )ꎬ男ꎬ宁夏固原人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事矿区土地复垦方面的研究工作ꎮE-mail:1091915713@qq.comꎮ通信作者:曹银贵ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事土地复垦与土地利用方面的教学与科研工作ꎮE-mail:caoyingui1982@126.comꎮ㊀㊀采用无损探测技术获取地下目标物的信息是当前探测研究的热点[1]ꎮ探地雷达(GPR)在水文㊁工程㊁环境等领域已经得到了广泛的应用ꎬ它可以高效㊁准确地探测地下空洞[2-3]ꎬ可用于评价地基稳定性和探测地基中的各种潜在危害[4]ꎬ同时可准确探测水位埋深和估算地下水表面[5]ꎬ对地下污染物位置㊁类型等的探测有较高的精度[6]ꎮ国内外关于探地雷达在土壤探测方面的应用研究逐渐展开[7-11]ꎬ尤其是在土壤含水量㊁土壤不同颗粒大小㊁土壤质地㊁土层厚度㊁土壤容重等的探测方面[12-16]ꎮ而在矿区重构土壤物理性质探测方面的应用较少ꎮ在矿区土壤重构过程中ꎬ由于土石混排及造地复垦工艺影响ꎬ导致复垦地土壤剖面出现土层厚度差异明显㊁土壤质地不均一㊁土壤砾石含量高㊁土壤容重增大㊁土壤含水量差异等现象ꎬ这些成为重构土壤典型物理性质ꎬ并且其深层次分异特征成为研究的焦点ꎬ对明晰土壤重构原理具有重要的支撑作用[17-19]ꎮ通过探地雷达开展重构土壤典型物理性质的无损探测ꎬ可以充分降低传统方法获取土壤物理性质的成本和时间ꎮ因此ꎬ基于探地雷达探测土壤的物理性质具有一定的实际意义ꎮ各种复垦土壤的介电常数与水分含量间存在明显的函数相关性ꎬ应用探地雷达测定复垦土壤的水分含量在方法上是可行的[8]ꎮ采用探地雷达技术进行地层划分是可行的ꎬ在物性条件比较好的情况下可以获得良好的探测效果ꎬ为工程建设㊁规划提供可靠的资料[20]ꎮ土壤砾石含量和粒径的变化可通过GPR图像进行定性分析ꎮ砾石含量的检测需要考虑雷达的分辨率ꎮ因此ꎬ利用探地雷达探测矿区土壤的物理性质ꎬ进而评估植被生长情况更加方便快捷ꎮ1 探地雷达的工作原理和组成1.1㊀探地雷达的工作原理探地雷达方法是利用电磁波的反射来区分地下介质的一种无损探测技术ꎬ具有高分辨率㊁高准确率㊁快速㊁方便㊁高效等优点ꎬ能达到区分介质的目的[21-23]ꎮ探地雷达的探测系统主要包含发射天线和接收天线㊁雷达主机[22]ꎬ发射天线发射高频电磁波ꎬ接收天线接收介质分界面处的反射波ꎬ主机负责控制信号ꎬ且对反射回来的信号进行预处理[23]ꎮ不同介质介电常数存在差异ꎬ电磁波在介电常数改变的界面传播时ꎬ传播特性会发生变化ꎬ根据电磁波双程走时㊁振幅与波形产生的改变ꎬ可反演目标体的结构[24]ꎬ其工作原理如图1所示ꎮ1.2㊀探地雷达技术的形成与发展20世纪初ꎬHülsmeyer首先将电磁信号用于金属探测[26]ꎮ雷达技术从20世纪20年代发展到21世纪初ꎬ已经成功地应用于工业和民用事业[27]ꎮ1926年ꎬHülsenbeck第1次提出用脉冲电磁波技术探测地下目标体结构[28-30]ꎮLowy首先以专利的形式提出了探地雷达探测原理[26]ꎮ20世纪60年代ꎬ世界上最早的探地雷达设备诞生于美国ꎬ被用于公路路基下的溶洞探测及采矿试验[31]ꎮ1983年ꎬ探地雷达SIR-10H实现了对地下目标体的三维层析成像[30]ꎮ国外推出了一系列如美国SIR系列㊁加拿大EKKO系列和日本GEORADAR系列04 江苏农业科学㊀2019年第47卷第14期的商业雷达[31]ꎮ20世纪90年代前期ꎬ国内雷达研究基本处于空白状态ꎬ随着国外仪器的引入ꎬ探地雷达技术在我国得到了一定的发展ꎬ如国内LT-1㊁CBS-9000系列探地雷达的制造[29]ꎮ随着科学技术的发展ꎬ数据处理技术日益成熟ꎬ探地雷达应用范围涉及各行各业ꎮ探地雷达在探测矿井和冰层厚度㊁黏土物理性质㊁地下水水位埋深㊁工程地质勘察㊁泥炭调查㊁放射性废弃物处理调查以及地质构造填图㊁水文地质调查㊁地基和道路下空洞及裂缝调查㊁埋设物探测㊁水坝的缺陷检测㊁隧道及堤岸探测的等方面得到了一定的应用[32-36]ꎮ1.3㊀探地雷达数据处理GPR不同于对空雷达ꎬ由于地下介质的多样性ꎬ使得其发射的电磁波传播过程很复杂ꎮ振幅减小㊁波形变异外加噪音和干扰波的影响ꎬ严重扭曲了真实数据[31]ꎮ而数据处理可以在一定程度上剔除干扰波ꎬ凸显目标介质的反射波ꎮ探地雷达数据处理技术大多是从地震处理方法中移植过来的ꎬ其研究还处于初级阶段ꎮ静态模拟分解(EMD)对低信噪比数据除燥有较强的适应性[37]ꎮ希尔伯特(Hilbert)变换作为一种信号处理的手段ꎬ能消除背景干扰ꎬ增强目标识别的准确性[32-33]ꎮ运用偏移的数据处理方法可以提高剖面的分辨率ꎬ使得处理后的土壤剖面更加接近真实剖面[34]ꎮ数据处理主要包括滤波㊁高差处理和震荡处理ꎮ滤波的好坏直接影响到结果的可靠性与准确性[38]ꎬ目前使用的方式主要包括偏移㊁反褶积㊁有限或无线脉冲滤波㊁振型迭加和小波变换等ꎮ小波变换是线性变换ꎬ具有易去噪和精细化分析等特点ꎬ以最大分辨率在探地雷达剖面上显示目标体反射波ꎬ便于提取反射波的参数(振幅㊁相位㊁频率等)来解释介质的特性[14]ꎮ偏移主要是为了解决点状体绕射和频率界面造成的图像失真问题[38]ꎬ目前常用的偏移方法有有限差分偏移㊁有限元偏移和频率-波数(F-K)偏移法等[39]ꎮ利用反褶积方法可以压制子波的干扰ꎬ提高图像的分辨率[40]ꎮ2 探地雷达对土壤物理性质的探测由于重构土壤典型物理性质空间分异特征明显及形成条件复杂[41-42]ꎬ传统的土壤采样方法由于复垦地障碍会限制采样深度和采样质量ꎬ给科学合理地揭示重物土壤物理性质空间分异特征与形成机制带来了一定的困难[43-44]ꎮ国内外探地雷达在土壤探测方面的应用逐渐展开ꎮ利用探地雷达可以准确地测定土壤含水量ꎬ并能反馈出含水量时空变化的差异[45]ꎮ在合理选择探地雷达频率的情况下可以探测出土壤不同颗粒的大小ꎬ确定土壤质地[46]ꎮ在土壤厚度及分层探测方面ꎬ探地雷达表现出了一定的优势[38]ꎬ可以在土地复垦工程中对土层厚度进行验收[46]ꎮ探地雷达可以探测土壤容重ꎬ其准确度可达70%以上ꎬ并且还有很大的提升空间[47-48]ꎮ探地雷达在土壤砾石含量探测方面应用较少ꎬ只从试验分析的角度开展过评价预测ꎬ但已经证明其应用的可能性[49]ꎮ可见ꎬ探地雷达在相关土壤物理性质探测方面的研究已经取得了一定成果ꎮ2.1㊀土壤含水率土壤含水率是土壤中所含水分量ꎮ探地雷达技术作为一种无破坏性的探测含水层异质性工具ꎬ其应用范围较广ꎮ探地雷达是目前最有效的大面积测定土壤含水量的方法之一[49]ꎮ有研究成功地将探地雷达技术用于路基含水率和复垦土壤含水率的探测[50]ꎮ探地雷达具有检测高效的特点ꎬ能够获得连续的坝体剖面且对坝体结构无破坏作用ꎬ能够应用于水利工程行业[51]ꎮ探地雷达在遥感反演土壤水模型与精度验证方面比时域反射技术(TDR)㊁烘干法更有优势ꎬ其在遥感产品验证㊁土壤水分时间稳定性分析等其他水文相关应用中更有潜力[52]ꎮ目前ꎬ常借助探地雷达求土壤含水率的方法有发射波法㊁反射系数法㊁地波法和钻孔雷达法ꎬ每种方法都有其适用的介质和不足[53]ꎮ探地雷达探测土壤水含量有一定的可行性ꎬ但在探测精度和含水量的确定方面仍需加强研究[54]ꎮ可见ꎬ探地雷达在探测土壤水含量方面的应用有很多ꎬ且技术日趋成熟ꎬ但要准确定量探测土壤含水率尚待研究ꎮ2.2㊀土壤分层土壤是地球上能够生长绿色植物的疏松物质ꎬ不同的土壤类型ꎬ分层不同ꎬ不同类型土壤及分层厚度对植被的生长状况影响不同ꎮ在GPR探测土壤分层方面有大量研究ꎮ范洪利等将探地雷达技术用于探测矿区土壤地层ꎬ且探测成功率很高[55]ꎮ孙坚等通过试验证明ꎬ用探地雷达可用于土壤分层的探测[56]ꎮ有研究表明ꎬ岩石中的层面和断裂带以及厚度为0 1m的土壤层均可通过探地雷达轻易地测出[57]ꎮ虽然探地雷达在土壤分层探测方面有一定的优势ꎬ但当地下介质比较复杂ꎬ岩层中存在较多介电常数较大的土壤水㊁淤泥㊁黏土等时ꎬ探测的分辨率会减小ꎮ对探地雷达探测数据采用适当的数据处理技术可以有效探测土壤中的分层变化[58]ꎮ国内外各种室内试验表明ꎬ可用于土壤层次探测ꎬ但在实际工程中想得到预期结果还有许多工作要做[21ꎬ37]ꎮ对点坝浅部探地雷达的探测数据进行处理之后ꎬGPR图像中分层信息清晰ꎬ与测区地层剖面基本吻合[54]ꎮ综上ꎬ探地雷达技术可用于土壤分层探测的实际工程中ꎬ但在遇到复杂地质条件时对数据处理技术要求较高ꎮ2.3㊀土壤砾石含量和粒径土壤中砾石的粒径和含量对土壤肥力有重要的影响ꎬ进而影响植被的生长状况ꎬ甚至一个地区的生态ꎬ可见ꎬ对土壤中砾石含量进行探测有一定的积极意义ꎮ基于探地雷达技术可以绘制出植物根径大于3cm粗根的粒径分布图ꎬ这为粒径大于3cm砾石含量及大小的探测提供了依据[59]ꎮ使用商用软件可以获得高精度的GPR扫描图像ꎬ但其精度是否能有效区分砾石和细土仍需进一步研究[60]ꎮ对砾石大小的探测主要取决于探地雷达的频率及数据处理技术ꎬ频率越大ꎬ探测深度越浅ꎬ分辨率越大ꎬ分辨出砾石颗粒大小的可能性就越大ꎮ有研究用探地雷达探测河流沉积物ꎬ在雷达剖面层呈现了从细沙和淤泥到粗沙和砾石的粒径垂直变化[61]ꎮ通过小波变换法将雷达信号中的低频成分滤掉ꎬ可有效保护高频成分ꎬ从而实现对薄层的识别[62-63]ꎮ通过分形技术滤掉低频信号ꎬ不仅能清晰地呈现出墙体及其保护层分界面处的反射信息ꎬ而且可得到混凝土墙体的保护层厚度[64]ꎮ可见ꎬ特定频率的探地雷达能够探测分辨出一定大小的砾石ꎮ2.4㊀土壤容重土壤容重表征土壤的密实程度ꎬ密实程度过高会严重降低作物的生产力ꎬ探地雷达目前被用于测定土壤㊁路基和地基14江苏农业科学㊀2019年第47卷第14期等压实度ꎬ因此利用探地雷达对土壤容重的进行探测有一定的实际意义[51ꎬ63]ꎮ常通过电磁波波速㊁土壤介电常数㊁GPR探测信号图振幅㊁土壤物理性质孔隙度㊁含水率等与容重的关系定量分析土壤容重ꎮ另外ꎬ可通过孔隙度㊁密度与实测雷达数据频率㊁振幅的关系反演土壤容重ꎬ但效果相对较差[39]ꎮ土壤压实程度可以表现在介电常数的变化上[36]ꎮ借助电磁波波速与土壤容重的关系可获取土壤容重ꎬ借助介电常数与压实度的关系可以定量分析土壤容重[65-66]ꎮ目前基于GPR定量分析土壤容重的方法较多ꎬ但关于其准确性及误差修正方法的研究较少ꎮ2.5㊀土壤质地土壤质地指土壤中不同大小矿物颗粒的组合状况[1]ꎮ土壤质地与土壤通气㊁保肥㊁保水状况及耕作的难易密切相关ꎬ因此土壤质地对植被的生长具有一定影响ꎮ如果能实现探地雷达对质地的探测ꎬ将能更方便准确地确定植被与土壤的耦合关系ꎮ目前ꎬ基于探地雷达对土壤质地的探测研究较少ꎬ且地下介质本身的复杂性ꎬ给这项研究带来了一定的困难ꎮ有研究者通过室内模拟试验得出ꎬ受试验精度的影响ꎬ探地雷达技术不能很好地用于土壤砾石相对容积的探测[67]ꎮ因某些系统误差不可避免ꎬ用探地雷达探测砾石含量达不到预期效果ꎮ3㊀GPR矿区复垦地探测特点及进展3.1㊀GPR矿区复垦地探测的特点矿区复垦土壤是一种典型的新生土壤ꎬ其母质来源于不同地质年代形成的岩石ꎬ在土体再造过程中有一定的随意性[68]ꎮ与原地貌相比ꎬ重构土壤土层厚度差异明显㊁质地不均一ꎬ复垦地近地表土层黏粒含量一般高于未损毁地[69]㊁砾石含量高ꎬ且一般复垦地0~10cm土壤中砾石含量相比未损毁地变化不大ꎬ但10~20cm土壤中砾石含量减少ꎬ土壤容重随土壤深度的增大而增大ꎬ含水量的差异导致矿区植被恢复效果欠佳ꎬ甚至出现局部退化现象[68-72]ꎮ矿区重构土壤与原地貌相比具有典型的物理性质ꎬ探地雷达对二者的探测结果不同[73]ꎮ与未扰动的土壤相比ꎬ复垦后1年的土壤紧实度最大ꎬ复垦区土壤板结情况严重ꎬ不宜耕作ꎻ复垦后10年的土壤紧实度与未扰动的土壤相比差异不大[70]ꎮ受造土工艺的影响ꎬ重构土壤典型土壤物理性质沿土壤剖面垂直方向上的分异特征显著[43ꎬ72ꎬ74]ꎮ通过适当的数据处理可以有效探测土壤土层分层情况[8]ꎮ矿区复垦土地边坡存在水土流失现象ꎬ说明重构土壤比较密实ꎬ与原地貌相比其储水能力和入渗能力都较小ꎮ胡振琪等通过室内试验验证了土壤介质中介电常数与土壤含水量存在线性关系ꎬ证明采用探地雷达探测重构土壤含水量的方法可行[8]ꎮ3.2㊀GPR矿区复垦地探测进展我国露天煤矿在开采过程中ꎬ原地貌土地在剧烈的扰动下彻底损毁ꎬ生态环境遭到严重破坏ꎬ当地居民生产生活因此受到威胁ꎮ目前我国矿区废弃地复垦率不足25%ꎬ不到美国㊁澳大利亚等国家的1/3[75]ꎮ土壤重构是矿区土壤复垦的核心[76]ꎮ在土壤重构过程中ꎬ受复垦工艺的影响ꎬ复垦土壤剖面会出现土壤厚度差异明显㊁土壤质地不均㊁土壤砾石含量高㊁土壤容重增大㊁土壤含水率差异大等现象ꎬ这种差异对植被生长状况有一定的影响ꎮ排土场复垦后出现了局部退化的现象[77]ꎮ因此ꎬ加强矿区ꎬ排土场等废弃地复垦工艺的研究有非常积极的意义ꎮ探地雷达技术在水文㊁工程㊁环境等领域已得到广泛的应用[29]ꎬ其在土壤复垦方面的研究也在逐渐开展ꎮ只要采用适当的数据处理方法进行分层ꎬ探地雷达就可以有效地检测到复垦土壤的分层结构状况ꎮ探地雷达能够有效探测土层结构ꎬ可以用于土地复垦工程土层厚度的验收工作[8ꎬ78]ꎮ杜翠等用层析成像的方法探测土壤分层ꎬ并认为该方法用于大范围土壤分层探测具有一定的可行性和有效性[79]ꎮ频率为400MHz的探地雷达可实现气煤-砂岩界面的探测ꎬ且误差较小[80]ꎮ复垦土壤的介电常数与水分含量间存在明显的函数相关性ꎬ应用GPR测定复垦土壤的含水量ꎬ在方法上是可行ꎮ陈星彤等通过试验手段得到了基于GPR的复垦田块有效灌溉管理关键技术[81]ꎮ探地雷达可用于探测开采后矿区地表土壤水分再分布情况ꎬ这为塌陷区复垦提供了科学依据[82]ꎮ使用探地雷达检测土壤紧实性的研究具有较高的创新性㊁可行性和准确性[83]ꎮ土壤介电常数与土壤压实指标具有较好的相关性ꎬ可以表征土壤压实状况[78]ꎮ探地雷达探测土壤容重的准确度可达到70%以上ꎬ在土壤非饱和水分情况下ꎬ探地雷达电磁波的传播速度与土壤容重存在明显的正相关关系ꎬ偏相关系数达到0.933[84]ꎮ探地雷达探测可用于评价砾石层的非均质性[57]ꎬ如卵砾石层具有一定规模ꎬ可将探地雷达技术用在卵砾石层地基勘察中[85]ꎮ由于地下介质的复杂性ꎬ即使径商业软件处理过的高精度GPR图像ꎬ在细粒土和砾石区分上仍有一定的难度[60]ꎮ将探地雷达用于矿区重构土壤砾石含量和质地探测方面的研究甚少ꎮ4㊀结论与展望4.1㊀结论探地雷达是一种基于电磁波反射技术确定地下介质分布的技术ꎬ随着GPR数据处理技术的提升ꎬ逐渐被广泛用于工程勘探领域ꎬ胡振琪等2005年最早将探地雷达用于矿区重构土壤物理性质的探测[8]ꎮ因水的介电常数远大于其他介质ꎬ易区别于其他介质ꎬ因此探地雷达被广泛用于土壤水含量检测㊁水泥混凝土路面改造和各种水工结构工程中ꎮ探地雷达方法已被证明可用于矿区重构土壤含水率的探测ꎮ探地雷达对容重或压实度的探测在公路路基压实㊁隧道衬砌和桥梁密实方面已经被广泛应用ꎬ在复垦土壤容重方面也取得了一定进展ꎬ可用电磁波波速和土壤容重的关系定量确定土壤容重ꎮ在确定土壤分层方面当频率适当时ꎬ基本能清晰得到土层厚度ꎮ由于不同类型土壤的介电常数相近且土壤颗粒细小ꎬ加上地下介质复杂ꎬ因此目前只能从信号图中分析出不同类型土壤的分层ꎮ在探地雷达频率恰当的情况下ꎬ基本能探测出地下粒径为10cm的砾石ꎮ4.2㊀展望随着探地雷达数据处理技术的发展ꎬ探地雷达探测土壤典型物理性质的精度将会进一步提升ꎮ探地雷达技术准确探测典型土壤物理性质将成为可能ꎮ24 江苏农业科学㊀2019年第47卷第14期(1)土壤水等介电常数较大的介质对探测效果影响较大ꎬ数据处理技术需在处理高介电常数对低介电常数影响方面有所提升ꎮ(2)探地雷达技术可用于土壤含水率的定量探测ꎬ探测精度主要取决于标定的深度ꎬ需要进一步提高ꎮ(3)通过文献分析可得ꎬ探地雷达虽然可用于土壤容重的探测ꎬ但其定量分析误差大小及修正方法的相关研究较少ꎮ(4)对土壤砾石含量和土壤质地的探测目前研究较少ꎬ其原因是探地雷达的分辨率无法辨别砾石及粒径大小ꎮ若要将该技术用于探测细粒土ꎬ其分辨率的提高是一个大的挑战ꎮ综上ꎬ因地下介质的复杂性ꎬ探地雷达对土壤含水率㊁分层和容重探测的准确性取决于数据处理技术ꎮ虽然目前关于探地雷达对土壤质地和土壤砾石含量探测方面的研究很少ꎬ但只要能提高探地雷达的分辨率就有可能将其用于区分细土与砾石ꎬ进而用于土壤质地的探测ꎮ目前对GPR探测效果㊁准确度及误差修正的研究较少ꎬ且没有一个统一的规范ꎬ期望今后在这方面有所突破ꎮ参考文献:[1]许献磊ꎬ赵艳玲ꎬ王㊀方ꎬ等.GPR探测地埋管径研究综述[J].地球物理学进展ꎬ2012ꎬ27(5):2206-2215.[2]刘传孝.探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析[J].岩石力学与工程学报ꎬ2000ꎬ19(2):238-241.[3]程久龙ꎬ胡克峰ꎬ王玉和ꎬ等.探地雷达探测地下采空区的研究[J].岩土力学ꎬ2004ꎬ25(增刊1):79-82.[4]杨天春ꎬ吕绍林ꎬ王齐仁.探地雷达检测道路厚度结构的应用现状及进展[J].物探与化探ꎬ2003ꎬ27(1):79-82. 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