專利名稱：一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量植物地下根的直徑的方法，尤其是一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法。

背景技術：
根系在植物生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它既可以幫助植物在生長發(fā)育過程中獲取基本的土壤資源(如水和營養(yǎng)物質)，也是支撐、固定植物體的重要器官。此外，根系對于生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的貢獻也是不可或缺的，大約占據(jù)森林總碳量的20％～40％，同時根系還是根圍環(huán)境中土壤呼吸的主要推動力。近來，對植物根系在全球氣候變化中的作用研究，表明了粗根的生物量(Biomass，某一時刻單位面積內實存生活的有機物質(干重)總量，通常用kg/m2表示)會隨著CO2濃度的升高而增加，也證明了粗根可以長期的吸收和存儲根圍環(huán)境中過量的CO2。隨著人們對植物根系在生態(tài)系統(tǒng)以及全球氣候變化中重要作用的認識，為了更好的理解根系作用、地球生物化學循環(huán)過程及全球變化的多方面問題，迫切需要了解與根系相關的參數(shù)，例如根系大小、生物量、分布范圍、結構和三維構造等。但是由于在根系研究的過程中，對植物根的觀察和取樣較為困難，導致對根系參數(shù)的定量估算存在方法上的不足與限制。因此，尋求新的、能夠準確地估測根系參數(shù)的方法和技術在生態(tài)學研究中顯得尤為重要。
探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)也稱地質雷達，是用來探測地下目標分布特征的一種地球物理技術。探地雷達的基本構成如圖1所示，其原理主要是利用電磁波在遇到具有不同介電常數(shù)的兩種物質界面時會發(fā)生不同反射這一特點，通過對反射信號的分析處理來實現(xiàn)對目標的探測。不同介質介電常數(shù)不同，形成電性界面，這是電磁波在地下傳播過程中發(fā)生反射的條件。探測時，雷達發(fā)射機1產生的高頻電磁波以寬頻短脈沖的形式由地面通過發(fā)射天線11送入地下，經(jīng)地層2或地下目標體3反射后返回地面，被接收天線12接收，然后在接收機中進行數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理。電磁波在地下介質中傳播時，其傳播的路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性、幾何形態(tài)等因素的變化而產生不同程度的變化。因此可以根據(jù)回波信號的時延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，解釋出目標深度、介質結構、性質及空間分布特征。
然而，目前利用探地雷達來研究根系分布形態(tài)在很大程度上還局限于定性制圖，定量的研究還沒有達到完全成功。而且，該類研究目前還只局限于繪制根徑大于20mm的側根，對于根徑小于20mm的細根則無法識別。


發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，以減少或避免前面所提到的問題。
具體來說，本發(fā)明提供了一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，其可以通過探地雷達對植物地下根的直徑進行精確的定量測量，其獲得的測量結果與植物地下根的實際直徑具有很強的相關性。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，所述方法包括如下步驟 A、通過所述探地雷達掃描獲得待測量的植物地下根的具體位置，并產生相應的反射波形掃描數(shù)據(jù)； B、選擇經(jīng)過該待測量的植物地下根的中心位置正上方的一個反射波的波形圖； C、根據(jù)所述波形圖，從中提取一個時間參數(shù)ΔT，該時間參數(shù)ΔT表示從雷達發(fā)射的電磁波在到達根頂面時的反射波初至時間點開始到根底面反射波的延時點結束； D、通過公式D＝K×ΔT獲得所述待測量的植物地下根的直徑，其中，D為所述待測量的植物地下根的直徑，K為探地雷達所測量的地下根在該區(qū)域范圍內所對應的一個特性常數(shù)。
優(yōu)選地，所述特性常數(shù)K的測量方法為 將實際測量的植物地下根挖出，測量所述實際測量的植物地下根的直徑D1，所述實際測量的植物地下根與上述待測量的植物地下根位于相同區(qū)域； 通過上述步驟A-C獲得所述實際測量的植物地下根的時間參數(shù)ΔT1； 通過公式K＝D1/ΔT1，獲得所述特性常數(shù)K。
優(yōu)選地，所述探地雷達運用2GHz的頻率天線來測量所述植物地下根的直徑。
本發(fā)明的特點及優(yōu)點是其可以通過探地雷達對植物地下根的直徑進行精確的定量測量，其獲得的測量結果與植物地下根的實際直徑具有很強的相關性。



以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中， 圖1顯示的是探地雷達的測量原理圖； 圖2顯示的是不同頻率下的雷達反射波的波形對照示意圖； 圖3顯示的是一種典型的地下目標物的單脈沖探地雷達掃描波形示意圖； 圖4顯示的是一個經(jīng)過所測量的植物地下根的中心位置正上方的反射波的波形圖； 圖5顯示的是探測不同深度處的地下根得到的時間參數(shù)ΔT與實際根徑之間的相關關系圖； 圖6顯示的是利用對另一組根徑探測得到的時間參數(shù)ΔT和圖5得到的特性常數(shù)K估測出的根徑值與其實際根徑之間的關系圖。

具體實施例方式 為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照

本發(fā)明的具體實施方式
。其中，相同的部件采用相同的標號。
實施例1 測量方法 從理論上來說，探地雷達能夠識別的根徑大小的能力與探地雷達的分辨率有關。分辨率是衡量探地雷達探測效果的一個很重要的參數(shù)，定義為分辯最小異常體的能力。探地雷達的分辨率與雷達天線的發(fā)射頻率密切相關，頻率越高，波長就越短，分辨率就越強。
如圖2所示，對于地下具有一定厚度的介質層來說，圖中A-D-G分別代表高、中、低頻率下(對應的頻率分別為2GHz、900MHz、500MHz)在介質頂板中的波形記錄；B-E-H分別代表2GHz、900MHz、500MHz頻率下在介質底板中的波形記錄；C-F-I分別代表2GHz、900MHz、500MHz頻率下在頂板、底板中的合成記錄。從圖中可以看出，對于2GHz的高頻天線來說，可以很好的分辨出頂?shù)装宀ㄐ?，從而識別出介質層的厚度。隨著天線頻率的降低和波長的增加，介質層頂?shù)装宓牟ㄐ螘l(fā)生相長性或相消性的干擾，則無法分辨出介質層的厚度。因此，對于所選擇的2GHz、900MHz和500MHz三種天線頻率來說，2GHz頻率天線識別小目標物的能力最強，因此，在本發(fā)明中，我們認為2GHz頻率天線最有可能分辨出根徑的大小。
另外，在本發(fā)明中，為準確測量植物地下根的生物量，采用的是一維形式的探地雷達數(shù)據(jù)測量方式，即，對植物地下根的一個給定的測點位置(xi，yi)，通過探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)記錄一個單脈沖反射波的波形A(xi，yi，t)，如圖3所示，其中顯示的是一種典型的地下目標的單脈沖探地雷達掃描波形示意圖。波形中唯一的變量是時間。在本發(fā)明的后續(xù)描述中，將這種掃描所獲得的數(shù)據(jù)稱作反射波形掃描數(shù)據(jù)。
從圖3獲得的這種反射波形掃描數(shù)據(jù)是一種未經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，從圖中可見，目標的反射振幅遠小于空氣-地面的反射振幅(即地面直達波)，為獲得真實的目標物的掃描數(shù)據(jù)，圖3中的空氣-地面的反射波可以認為是一種背景雜波，其通常會掩蓋目標的反射特征，在數(shù)據(jù)處理中必須去除，以便于突出目標的特征，有利于數(shù)據(jù)解釋。通常去除背景雜波之后的反射波的波形圖類似圖4所示。
在本發(fā)明的一個具體實施例中，利用探地雷達對植物地下根的直徑進行測量之前，首先可以通過探地雷達掃描獲得需要測量的植物地下根的具體位置，之后，選擇經(jīng)過一個待測量的植物地下根中心位置正上方的一道如圖4所示的一個反射波的波形圖，圖中的波形已經(jīng)做過雜波去除的處理，地面反射波受到抑制，突出了根目標的反射特征。關于通過探地雷達定位地下物體的方法可以參見《淺地層探地雷達自動目標檢測與定位研究》，作者張春城、周正歐，電子與信息學報2005年7月第27卷第7期，第1065-1068頁，本專利對其全文引用作為參考。
根據(jù)圖4所示波形圖，可以從中提取一個時間參數(shù)ΔT，用于分析其與各根的直徑之間的關系，ΔT表示的是從雷達發(fā)射的電磁波在到達根頂面時的反射波初至時間點開始到根底面反射波的延時點結束，研究表明，該時間參數(shù)與根的直徑大小有關，并且時間參數(shù)ΔT與根所處的深度無關。
雖然上述時間參數(shù)ΔT的定義是參照做過雜波去除處理的波形圖(圖4)來描述的，但是，本領域技術人員應當理解，利用類似圖3所示的未經(jīng)數(shù)據(jù)處理的波形數(shù)據(jù)也是可以提取上述的時間參數(shù)ΔT的，只是如上所述的那樣，由于背景雜波的存在，有可能會掩蓋地下根的反射特征，從而使得參數(shù)的提取存在困難，因此，通常情況下對原始數(shù)據(jù)進行一些處理以獲得所需的參數(shù)數(shù)值是可取的，并不會影響數(shù)據(jù)的準確性。
最后，根據(jù)如下公式獲得所測量的植物地下根的直徑D D＝K×ΔT 其中，K為探地雷達所測量的地下根在該區(qū)域范圍內所對應的一個常數(shù)，在此稱為特性常數(shù)。相同區(qū)域內、同一種植物的地下根所對應的特性常數(shù)K是相同的；而即便是同一種植物，在不同區(qū)域內，由于氣候和土質的原因，其地下根所對應的特性常數(shù)K也很可能是不同的；當然，如果是不同區(qū)域、不同種類的植物，其地下根所對應的特性常數(shù)K基本上就很難相同了，但是，對于大范圍的地球物理而言，某一區(qū)域，例如蒙古草原地區(qū)，雖然生長有各種不同的植物，但是，其植物種類相對單一，氣候、土質也基本上相同，因此，在測量大范圍植物地下根直徑的過程中，也可以認定該區(qū)域范圍內的植物的地下根所對應的特性常數(shù)K是基本上相同的。
應當說明的是，本發(fā)明所公開的利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，最根本之處在于提出了一個時間參數(shù)ΔT，利用時間參數(shù)ΔT可以有效的估測單根的直徑。本實施例中所引用的現(xiàn)有技術文件用于說明構建上述時間參數(shù)ΔT之前的地下根位置的確定并非本發(fā)明的發(fā)明點，因此本專利將其全文引用作為參考，以使敘述簡潔明了，有利于本領域技術人員的理解，并由所引用現(xiàn)有技術的出處充分公開了相關技術的內容，本領域技術人員基于上述引用無需花費任何創(chuàng)造性勞動即可獲知這些技術內容。
實施例2 測量特性常數(shù)K 由實施例1可知，根據(jù)本發(fā)明的測量地下根的直徑的方法中，植物地下根的直徑D是與時間參數(shù)ΔT成正比的，因此，可以通過如下方法獲得某地區(qū)某種植物地下根所對應的特性常數(shù)K，進而獲得該地區(qū)該種植物的地下根的直徑。具體方法如下 將實施例1中測量之后的該地下根挖出，測量挖出的該地下根的直徑D1，根據(jù)實施例1中的方法計算所得的該實際測量的植物地下根的具體的時間參數(shù)ΔT1，即可獲得該地下根所對應的特性常數(shù)K＝D1/ΔT1。
也就是說，在本發(fā)明中，構建了一個探地雷達探測植物地下根的直徑的一個時間參數(shù)ΔT，該時間參數(shù)與植物地下根的直徑成正比關系，因此，可以通過實際測量植物地下根的直徑獲得該區(qū)域植物地下根所對應的特性常數(shù)K。
由于對于同一區(qū)域而言，可以認定該區(qū)域范圍內的植物的地下根所對應的特性常數(shù)K是基本上相同的，因此，如果對該區(qū)域的植物地下根逐點利用探地雷達進行測量，就可以獲得該地下根沿其生長方向的直徑變化情況。
實施例3 驗證試驗 參見圖5，本實施例中顯示的是探測不同深度處的地下根得到的時間參數(shù)ΔT與實際根徑之間的相關關系圖，其中對應的雷達波的頻率為2GHz。
如圖5所示，時間參數(shù)ΔT與實際根徑大小的相關性分析結果表明，ΔT與實際根徑之間存在著極為顯著的相關性，決定系數(shù)R2的值為0.868，均方根誤差(RMSE)為3.816mm。
圖6顯示的是利用對另一組根徑探測得到的時間參數(shù)ΔT和圖5得到的特性常數(shù)K估測出的根徑值與其實際根徑之間的關系圖，如圖6所示，從2GHz頻率的雷達天線測量數(shù)據(jù)所估測得到的根徑值與與實測根徑值之間的相似性決定系數(shù)R2值為0.857，均方根誤差(RMSE)為3.527mm。
可以看出，利用探地雷達2GHz頻率的天線系統(tǒng)測量根徑較為有效，對單根直徑的估測精度是相當高的。
在本發(fā)明所提供的利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法中，提出了一個時間參數(shù)ΔT。利用時間參數(shù)ΔT可以有效的估測單根的直徑，利用高頻天線所具備的高分辨率的性質，充分發(fā)揮2GHz頻率天線的優(yōu)勢，從所探測的記錄信息中提取出與根徑大小直接相關的時間參數(shù)ΔT；其次利用時間參數(shù)ΔT作為獨立變量構建出GPR根徑估算模型，并且對模型的檢驗結果達到了較高的精度；驗證了新方法的合理性和有效性。
總之，從上述描述中可得到以下結論 (1)雷達天線頻率越高，對淺層小目標反射體的識別能力越強，因此三種頻率天線中，2GHz頻率的雷達天線識別根徑大小信息的效果最好； (2)從2GHz頻率天線的探測數(shù)據(jù)中提取出的時間參數(shù)ΔT與根的深度無關，可直接用于估測根徑大小。
但是必須說明的是，根徑估測模型對雷達天線的頻率要求較高，同時高頻天線信號的高衰減性使雷達探測的深度受到限制，如本文中2GHz頻率天線的雷達系統(tǒng)可用于探測深度不是很深(例如60cm或60cm以下)的樹木根系。
本領域技術人員應當理解，雖然本發(fā)明是按照多個實施例的方式進行描述的，但是并非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案。說明書中如此敘述僅僅是為了清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體加以理解，并將各實施例中所涉及的技術方案看作是可以相互組合成不同實施例的方式來理解本發(fā)明的保護范圍。
以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
1.一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟
A、通過所述探地雷達掃描獲得待測量的植物地下根的具體位置，并產生相應的反射波形掃描數(shù)據(jù)；
B、選擇經(jīng)過該待測量的植物地下根的中心位置正上方的一個反射波的波形C、根據(jù)所述波形圖，從中提取一個時間參數(shù)ΔT，該時間參數(shù)ΔT表示從雷達發(fā)射的電磁波在到達根頂面時的反射波初至時間點開始到根底面反射波的延時點結束；
D、通過公式D＝K×ΔT獲得所述待測量的植物地下根的直徑，其中，D為所述待測量的植物地下根的直徑，K為探地雷達所測量的地下根在該區(qū)域范圍內所對應的一個特性常數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，其特征在于，所述特性常數(shù)K的測量方法為
將實際測量的植物地下根挖出，測量所述實際測量的植物地下根的直徑D1，所述實際測量的植物地下根與上述待測量的植物地下根位于相同區(qū)域；
通過上述步驟A-C獲得所述實際測量的植物地下根的時間參數(shù)ΔT1；
通過公式K＝D1/ΔT1，獲得所述特性常數(shù)K。
3.根據(jù)權利要求2所述的利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，其特征在于，所述探地雷達運用2GHz的頻率天線來測量所述植物地下根的直徑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用探地雷達測量植物地下根的直徑的方法，包括如下步驟通過所述探地雷達掃描獲得待測量的植物地下根的具體位置，并產生相應的反射波形掃描數(shù)據(jù)；選擇經(jīng)過該待測量的植物地下根的中心位置正上方的一個反射波的波形圖；根據(jù)所述波形圖，從中提取一個時間參數(shù)ΔT，進而獲得所述待測量的植物地下根的直徑，該時間參數(shù)ΔT表示從雷達發(fā)射的電磁波在到達根頂面時的反射波初至時間點開始到根底面反射波的延時點結束。本發(fā)明的特點及優(yōu)點是其可以通過探地雷達對植物地下根的直徑進行精確的定量測量，其獲得的測量結果與植物地下根的實際直徑具有很強的相關性。
文檔編號G01S13/89GK101813774SQ20101015121
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者崔喜紅, 陳晉, 沈金松 申請人:北京師范大學