基于探地雷达的土壤压实度应用研究

刘子上 周小猛 静国斌 邹宇 刘颖

摘 要：土地整治和复垦施工中大型机械作业会造成土壤的过度压实，影响整理后土地的生产力。论文研究使用400MHz和750MHz探地雷达探测非饱和水分条件下土壤的压实度，选取表征电磁波传递信息的介电常数，对介电常数有较大影响的土壤含水率、土壤压实度作为考虑因子，分析在多个因子共同作用下介质介电常数的变化规律。利用探地雷达检测土壤压实度信息的研究具有较高的创新性、准确性可行性，对无损获得土壤压实度信息有一定的理论价值和借鉴意义。

关键词：土地整理；探地雷达；压实度；穿透阻力；介电常数

1 利用探地雷达检测土壤压实度的意义

土壤压实度是指土壤抵抗外部压力的压实和破碎的能力，是土壤的主要物理性质之一。压实后的土壤透气性、保水、保肥性均比较差，易造成土壤退化，严重影响复垦复耕等土地工作的成效，因此土壤压实度是检验土地质量的关键指标。目前常用的压实度检测方法均为破坏性检测方法，存在各种缺点，通常都需要对土体结构进行破获取样获得土壤压实度。破坏性试验需要对土壤进行开挖，精度较高，但操作繁琐，不利于大范围利用。本研究尝试利用以探地雷达探测响应复垦土壤，获取不同压实度土壤的电磁响应信号，进而寻找利用探地雷达获取土壤压实度信息的数学模型以及反演思路。探地雷达反演土壤压实度等土壤理化性质既是探地雷达的发展方向，又是无损探测土壤压实度的新的方向，具有重要的研究和现实意义。

2 探地雷达基本原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种探测方法。探地雷达探测时采用的频率范围为1MHz～10GHz之间，可以应用于各种介质内部构造及理化性质的探测。伴随着近年来信息技术的迅速发展，GPR同SAR（合成孔径雷达）进行融合，发展为SAR-GPR技术，其应用领域早已超越“探地”领域，是一种跨多领域的探测技术。

GPR探测系统由发射天线、接受天线、控制收发和存储数据的控制装置三部分组成。GPR向地下发射高频电磁脉冲，频率越高分辨率越高，获得的信息也越为精确，但探测的深度会随之降低。反之，电磁波频率越低，衰减就越小，探测深度越大，分辨率却相对降低。由于GPR利用电磁波对地下介质进行探测，因此也必须遵循电磁波传播中惠更斯原理、费马原理和斯涅耳定律，发生折射、反射现象。处理的原理和路线和地震勘测类似，这也是探地雷达广泛采用地震數据采集、处理和解译方法的主要原因。

3 GPR探测土壤压实度试验设计

3.1试验设备

GR-Ⅲ系列探地雷达，主要技术指标如下：测量时窗：5-2000ns；信号分辨率：<50?V；天线尺寸：33cm*46cm；通道数量：2通道（独立采集）；横控噪声放大器：+20--60Db；扫描速度：400KHz脉冲频率；系统动态范围：156dB；最小采样间隔：2ps；探测方式：手推方式；扫描速度：512样点781线/s；A/D转化：16位。60cm*60cm*70cm有机玻璃箱9个、50cm*50cm铁板16张、10kg重锤2个。环刀、木锤、剖面刀、铝盒。自封袋若干、台秤、洒水壶、铁锹3把、土筛1个、木板若干、手套、记号笔、照相机、编织袋等。

3.2 介电常数获取方法

介电常数是土体电性特征的重要指标，介电常数直接影响着电磁波在土体中的传播速度。若在雷达图像中处理解析出了电磁波在土体中的传播速度，由电磁波传播速度即可计算出土体的介电常数。相对介电常数的计算公式如下：

式中，εr为介质的介电常数，c=300mm/ns，为空气中的电磁波速度，v为介质中电磁波的传播速度。根据公式可以看出已知电磁波在土体中的传播速度便可计算出土体的介电常数，而探地雷达工作中记录下的时间数据正好可以求取速度，因此可见获得电磁波在土体中的传播时间成为求取介电常数的关键。

3.2 试验场地选取与平整

由于雷达发射和接受的电磁波易受到干扰，因此对场地要求较高，场地周围无高压线、高大建筑等。本次试验选取中国矿业大学（北京）民族楼前空旷地进行，场地周边无强烈干扰源，场地土质均匀。在进行试验之前必须对场地进行平整工作，此次整平采用索佳S3水准仪进行，抄平结果达到模型两端的高差不超过3mm，以保证雷达拖动的平稳，尽量减少干扰信号对雷达波形的影响。

3.3 土样及模型的选择

本次试验采用中国矿业大学（北京）校园内黄土，在中国北方较为普遍。试验土质较为均匀，含有砖石块以及其他杂质较少。在建立模型前对备用土进行破碎过筛处理，以去除土样中含有的各种杂质。土壤质地作为研究土壤物理性质的重要指标之一，一直被广泛应用。土壤质地按照土壤中粘粒（clay）、砂粒（sand）、粉粒（silt）三种粒子占有的比率来进行划分。当土壤颗粒直径小于2mm而大于0.02mm时被称为“砂粒”，小于0.02而大于0.002mm时称为“粉粒”，颗粒直径小于0.002时称为“黏粒”。土壤质地是一种较为稳定的自然属性，同种土壤质地大致相同。本实验中对试验用黄土进行分级过筛，同时利用激光粒度仪进行分析，获得本实验用土的粒度分级，如下：

试验模型选用长宽高分别为60*60*35cm的有机玻璃箱9个，其中1～8为实验模型，设置8个不同的压实梯度，并在底部铺有金属板，0为对照模型，底部未铺设金属板。有机玻璃箱侧壁带有刻度，可以直观的读取容器内土壤的高度。土壤厚度为35cm，设定土壤含水率为15%，压实度梯度从1～8逐渐增大。通过设定不同含水率的两期试验，探求在不同含水率条件下，探地雷达对压实度改变的信号响应。

3.4 建立模型

本实验于2013年8月实施。此时天气干燥，几乎无降雨，有利于试验的展开。试验用土已经过筛，土质均匀，颗粒较小，并且在试验进行之前已经充分搅拌，因此待用土壤的盐分含量、有机质含量趋于一致。根据土的塑限预估最优含水率在17%左右，设置含水率在最优含水率附近为15%。预先对试验土壤晾晒一周，尽量降低土壤含水率，以便于设定土壤含水率的调配。调制含水率时加水量计算按如下公式实施：

实验采用重锤对试验土进行不同次数的碾压来获取不同的压实度，在箱1中填装土壤至35cm高，不对土壤做压实处理，在填装之前对填装土壤进行称重。在箱8中同样填装土壤，并且分层做最大压实，使箱8中土壤高度也达到35cm，称量箱8中土壤质量。将箱8和箱1中土壤质量差平均分为7份，使箱2-箱7每个箱中土的质量均比上个箱中多出1份，以此分别设置箱2-7的压实程度，这样便巧妙的设置出不同的压实梯度，为随后的雷达探测，每个试验箱中填装土壤的质量按如下公式进行：

式中，mj为箱2～7中填装的土的质量；mi为上一箱中填装土的质量；m8为箱8中填装土的质量；m1为箱1中填装土的质量。

4 GPR信号反演土壤压实度

4.1 土体数据预处理

本文研究的对象是土壤，并尝试利用GPR对土体进行探测，获得土体的理化性质。能否精确预先设定土体的含水率、容重、压实度等性质对试验的成败起着关键作用。本研究中设计控制土壤含水率一致，并利用相同体积改变土壤质量的方法设定压实梯度，获得良好的效果，利用GPR对土体的压实度进行探测获得良好的响应，为后文深入分析利用GPR反演压实度提供先决条件。

4.1.1 土体含水率数据预处理

GPR对土壤中含水率响应十分明显，因此本文进行试验时对含水率进行严格控制，确保土壤含水率一致或相近，排除含水率剧烈变化对介电常数的影响，此时GPR信号的改变极为对土壤压实度改变作出的响应。含水率在15%左右，最大误差小于1%。曲线较为平滑含水率保持相近，符合设计需求。如表2

4.1.2 土体容重数据预处理

容重是表征土体压实程度的重要指标之一，设立不同的容重梯度即可大体上代表土壤压实程度的大小。本实验采用环刀法获取土壤容重，每期试验分别用环刀获得土壤表层0～10cm、10～20cm土壤容重，目的是研究GPR对土体表层以及内部容重改变做出的响应信号，进而探索利用GPR获得土体深层压实程度的可能性，以替代传统破坏开挖压实度检测方法，更加简便。土壤容重数据如表3、图1.

实验中容重变化均匀，梯度明显基本呈现线性变化，这样有利于GPR信号的响应。0～10cm、10～20cm容重差分别为0.81g/cm3、0.66 g/cm3，容重差异均较大，可以引起GPR信号的变化。

4.2 GPR信号的提取与分析

探地雷达探测土壤理化性质的精度很大程度上取决于土壤理化性质的改变引起的电磁波传播速度改变，进而影响到雷达获得的介电常数。土壤压实度的改变会造成土壤中自由水和结合水的变化，通过雷达捕捉这种变化在电磁信号上的响应，即可建立相关数学模型，利用探地雷达探测土壤压实程度的改变。

4.2.1确定电磁波传播双程走时

GPR对地下介质的探测原理是发射高频电磁波，通过接受反射波来确定地下介质的深度尺寸的。地下介质的改变引起电磁波在介质中传播时双程走时的变化，精确获得双程走时是利用GPR探测的基础。在箱底安置金属板，寻找到金属板相位翻转点的时间，即可获得电磁波在介质中传播的双程走时。利用GR-Ⅲ一体屏蔽式雷达400MHz天线进行探测，获得的图像及数据采用GR-Ⅲ配套的专用雷达处理软件进行处理。对获得的剖面图进行零线标定、背景去噪、增益处理使分层更为明显，进而利用层位解析获得层位信息，获得电磁波在不同压实度土壤中的双程走时。0号箱作为对照箱底部未铺设铁板，以1号箱与0号箱进行对比，对单道波形“相位翻转”现象进行解译，2-8号箱与1号箱原理类似，不再一一赘述。雷达获得的1号箱剖面图以及单道信息图如图2，与0号箱剖面图3进行对比，对比单道信息找到同向时间轴相位反转点即为金属板位置。进而获得双程走时。如表4所示

4.2.2 土体介电常数的测定

本次试验人为设定土体厚度35cm，我们可以根据探地雷达接受单元里的波形影像读取准确的层次信息，GR-Ⅲ探地雷达软件能够自动获得电磁波在土体中传播的双程走时，土体厚度已知能求得电磁波在土体中传播速度，进而求得不同年压实度条件下土壤的介电常数，即有“双程走时—电磁波速度—介电常数”。依据公式即可计算出介电常数。不同压实度土壤介电常数如表5所示。

式中：为介电常数；c为电磁波在真空中传播速度（30cm/ns）；h为土体厚度。

4.3 GPR信号反演土壤压实度

土壤压实度的差异就是引起探地雷达电磁波波形差异的主要原因。通过人工控制实验条件，并利用探地雷达图像提取探地雷达的介电常数，并将这一系列介电常数与传统检测方法获得的土壤压实度、体积含水率利用SPSS统计分析软件，进行线性回归和偏相关分析，并建立对应的数学模型，進而说明利用探地雷达检测土壤压实度的精度。

分0～10cm、10～20cm建立回归模型后，分析回归方程可见，相关系数R2最高为0.989最低为0.674。这说明利用土壤介电常数和体积含水率反演土壤压实度是可行的，并具有可观的精度。介电常数与土壤压实度成正比，这在回归方程中也得到了验证。

5.结论

本文探讨了“介电常数—体积含水率—压实度”之间的关系，土壤因子选取含水率、容重、压实度等因子，探地雷达选取介电常数一个指标，首先对模型进行取样获得模型的质量含水率，容重数据，并在室内进行标准土工击实试验，获得试验用土的最大干密度和最优含水率，通过计算得到土壤压实度。用探地雷达对模型进行探测，提取雷达剖面图上的分层信息，获得电磁波在土体中传播双程走时，进而计算出土壤的介电常数。利用探地雷达反演土壤表层0～10cm、10～20cm压实度，利用SPSS专业统计软件建立相关回归方程，估算精度在70%以上。探地雷达反演0～10cm压实度的最优回归方程出现在压实度与介电常数的拟合，总体精度高达95.90%，10～20cm回归中最优方程出现在介电常数与土壤体积含水率共同反演压实度，总体精度为95.79%。0～10cm、10～20cm拟合方程同时表明“压实度—容重—体积含水率”与“电磁波传播速度—介电常数”之间有紧密相关性。压实度和介电常数及体积含水率总体上呈正比关系，和电磁波速度呈反比。因此压实度、土壤体积含水率越高，介电常数越大，电磁波传播速越小。