探地雷達測量土壤水方法及其尺度特征

盧奕竹　宋文龍　路京選　蘇志誠　劉宏　譚亞男　韓婧怡

摘要：土壤水的多尺度觀測與模擬是當前國內外研究的熱點問題。探地雷達作為一種測量土壤含水量的現代先進技術，填補了傳統測量方法與遙感方法之間的尺度缺口，國內外大量研究表明：應用探地雷達測量土壤含水量的精度較高，測量速度快，無需破壞土壤結構，作為一種田間尺度的測量方法在測量中、小尺度土壤水空間分布特征等方面具有獨特優勢，通過不同頻率的選定能夠測量深度為0.05～50 m的土壤含水量。對探地雷達測量土壤水的主要方法、原理、精度及優缺點等進行詳盡介紹，并討論探地雷達的測量深度和尺度特征等問題。探地雷達在遙感反演土壤水模型率定與精度驗證方面比TDR、烘干法更有優勢，有潛力應用于遙感產品驗證、土壤水模式時間穩定性分析等其他水文相關應用中，為相關研究和探地雷達測量土壤水方法的推廣提供理論參考。

關鍵詞：探地雷達；土壤水；測量深度；尺度特征；遙感

中圖分類號：P641.7；S152 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0037-08

土壤水，分布在地面以下、地下水面以上的土壤層中，也被稱作土壤中的非飽和帶水分，是一種重要的水資源（在農田水利中也被稱作土壤墑情或土壤濕度）。土壤水的時空分布與變化對土壤一植被一大氣間水分、能量平衡具有顯著影響，準確測量土壤含水量，對研究區域水循環、觀測干旱的發生及發展過程、指導當地農業生產實踐、合理進行水資源調控等工作均具有重要意義。

隨著科學技術的發展，出現了多種土壤含水量測量技術，按測量的空間尺度可大體劃分為三種：一是點尺度，主要包括烘干稱重法、中子法、時域反射儀法（TDR）、頻域反射儀法（FDR）等，這些方法測定的數據能較準確地反映觀測點的土壤含水量，但都存在耗時費力并對土壤具有一定破壞性等問題；二是區域尺度，主要包括探地雷達（GPR）技術和近地面環境宇宙射線中子法等，是無危害，非接觸，不破壞土壤，不受土壤質地、密度、鹽分等影響的土壤含水量測量方法，適合幾十公頃等較大面積的土壤墑情觀測，這些技術在快速發展；三是衛星像元尺度，衛星遙感反演土壤含水量是通過測量土壤表面反射或發射的電磁能量，建立遙感信息與土壤含水量之間的關系，從而反演出地表土壤含水量的過程，按遙感波段劃分主要有可見光-近紅外法（反射率法、植被指數法），熱紅外法（熱慣量法、作物缺水指數法、溫度狀態指數法）和微波遙感法（主動微波法、被動微波法）等，具有快速、覆蓋范圍大和定期重復觀測等優勢，但遙感方法只能對表層土壤進行觀測（一般小于20cm），尤其是反演結果的地面同尺度驗證一直是該方法推廣應用的瓶頸。

探地雷達（ground penetration radar，簡稱GPR）是一種快捷高效測量中、小尺度土壤水的方法，具有探測深度大、便捷快速、測量精度高、分辨率高、無損測量等優點，可以彌補傳統方法和遙感方法在土壤含水量監測中的不足。對探地雷達測量土壤含水量的主要測量方法、測量原理、測量精度及各種方法的優缺點等進行介紹，對探地雷達地面直達波和反射波的測量深度，及探地雷達在多尺度土壤墑情協同觀測與遙感反演、田間尺度土壤水運動模擬驗證等研究中的應用進行探討，將對豐富土壤含水量的監測手段及水資源監測評估和田間尺度的灌溉管理等具有積極意義。

1探地雷達技術及其測量土壤水的原理、方法

1.1探地雷達技術及發展

探地雷達是采用中心頻率10 MHz～3 GHz范圍的高頻電磁波探測地下或建筑物內部結構與特征的電磁探測技術，主要由發射天線、接收天線和控制單元構成，它的原理與反射地震學和聲吶技術相似，發射天線向地下發射高頻短脈沖的電磁波，當電磁波遇到電性差異大的分界面或目標體時反射回地面被接收天線接收，根據接收天線記錄的電磁波雙程走時、振幅、波形等信息可以確定地層結構或目標體的埋深、位置等。接收天線接收的電磁波根據傳播路徑主要分為空氣波、地面直達波、反射波和折射波，根據研究需要選取不同雷達波進行分析計算，圖1為雷達波在雙層土壤中的傳播路徑。GPR常以脈沖反射波波形的形式記錄接收到的雷達波，一條測線上不同測點的記錄道構成完整的雷達記錄剖面圖。波形的正負峰分別以灰階或不同顏色顯示，等灰線或等色線即表示反射層或目標體。

自20世紀70年代中期商用探地雷達投入市場以來，探地雷達技術逐漸完善，應用領域不斷擴展，涉及冰川、考古、地質、水文、勘探、土壤等研究方向。20世紀90年代，探地雷達技術的提高實現了波速的精確測量，探地雷達在土壤含水量測量方面的應用成為了研究熱點。Basson等發表了探地雷達在以色列測量土壤含水量的比較結果；Du和Rum-mel提出用GPR的地面直達波測量土壤含水量，并且不需要已知土壤的深度和反射層；Chanzy等、Weiler等、Dannowski等和Lunt等采用反射波測量得到反射層至土壤表面間的平均含水量，但該方法需要已知反射層的深度；Huisman等研究了單偏移距法的測量精度，為GPR快速測量大面積的土壤含水量奠定了理論基礎；Huis-man等通過在3 600 m²區域的GPR與TDR對比實驗，表明GPR單偏移距法比TDR測量空間土壤含水量變化的效果更好；Lambot提出基于離地探地雷達的全波形反演法。近十年間，國內外學者對探地雷達測量土壤含水量的研究日趨深入，在與TDR、蒸滲儀、中子探測器、稱重法等方法的對比分析、不同GPR測量方法的比較、不同土壤質地的應用等方面都有相關研究，Deiana等、Steelman等、M angel等在滲透實驗觀測、非飽和帶土壤水流動模型驗證等方面推廣了GPR的應用。

1.2探地雷達測量土壤水的原理

因為干地質材料、水和空氣的介電常數值存在明顯差異，使得土壤孔隙中含水量的變化極大地改變了土壤介電常數。雷達波在非飽和帶土壤中的傳播速度取決于土壤介電常數，利用GPR提取出地面直達波或反射波的速度，計算土壤介電常數，再根據土壤介電常數與土壤含水量關系即可求得土壤含水量。在低損介質中，電磁波波速v與介電常數ε的關系為

（1）式中：c為電磁波在真空中的傳播速度即0.3×10⁹m/s。

土壤介電常數與土壤含水量θ關系可以用經驗公式、半理論公式描述，見表1。

Topp公式由TDR技術得到，用于將介電常數轉化成體積含水量，是目前應用最廣泛的經驗公式。它只有一個參數，計算簡單、效果較好，尤其適用于粗質地土壤，但過高地估計了干土和濕土的土壤含水量，對濕土尤其明顯。經過校正的Herkerlrah公式比Topp公式有更高的精度，但是Herkelrath公式需要確定參數a、b，工作量大。當土壤含水量很低時，GPR所測介電常數較TDR明顯偏低使土壤含水量誤差大，此時需要對介電常數一土壤含水量關系式進行校正。

GPR可以用不同頻率對土壤含水量進行監測，高頻天線能夠獲取更高的空間分辨率但由于電磁波衰減快使得探測深度較小，低頻天線由于電磁波衰減較慢使得探測深度比高頻天線大，但空間分辨率比高頻天線低。

1.3探地雷達測量土壤水的方法

探地雷達通過提取雷達波信息獲得土壤介電常數，進而反演土壤含水量。根據GPR的不同測量方式，有以下5種方法測量土壤含水量，即多偏移距法、單偏移距法、透射零偏移距法和透射多偏移距法、地表反射法和全波形反演法。

1.3.1多偏移距法（Multi Offset Reffection Method）

多偏移距法是通過等距地改變收發天線間的距離進行監測的一種方法，多偏移距法劃分為兩種，分別為共中心點法和寬角法。共中心點法（CMP）是天線間的中心點固定，收發天線同時向相反方向等距移動的測量方法（圖2（a））。寬角法（WARR）是發射天線保持不動，接收天線移動使天線間距離等距增大的測量方法（圖2（b））。這兩種測量方式可以直接獲取雷達波在土壤中的傳播速度，利用地面直達波或反射波的波速推求介電常數從而得到土壤含水量。

盡管多偏移距法應用廣泛，該理論仍存在一些不足。它無法控制測量深度，單次測量對非均質土壤的土壤含水量的反映不充分，操作費時耗力，空間分辨率低，不適用于大范圍土壤含水量的監測和土壤含水量空間變化的繪制。

1.3.2

單偏移距法（contoon/single offsetreflection method）

單偏移距法是收發天線間距保持不變，以相同間隔水平移動的測量方法。用這種方法提取地面波信息可以獲取土壤含水量空間變化，繪制空間土壤含水量分布圖。通過單偏移距法地面波估計土壤含水量的精確度受零時刻（tGw）校正和地面直達波傳播時間（taw）提取精度的影響。為準確提取tGW、taw，在測量前需要用CMP或WARR法確定合適的天線間距使tGW、tAW能明顯區分開。

Galagedara等用WARR研究發現當天線間距為1.5～2 m時測量效果更好。Huisman等給出225 MHz GPR單偏移距法地面波測量土壤含水量，相對于TDR結果的均方根誤差為Q 018 m³/m³。Grote等人與烘干法含水量對比研究得出450MHz GPR的均方根誤差為0.017 m³/m³，900 MHzGPR測量結果的均方根誤差為0.011 m³/m³。Weihermller等將450 MHz GPR和TDR土壤含水量測量結果對比得到GPR的均方根誤差為0.076 m³/m³。

單偏移距法具有高分辨率和快速、實時監測功能，適用于大范圍的土壤水分時空分布監測，但用反射波求含水量時需要確定反射面深度。CMP和WARR法可直接確定反射點（面）的深度，但耗時長，不適合較大范圍的動態監測?？上扔肅MP法或WARR法確定最佳天線間距與反射界面深度，再采用FO法進行大范圍的土壤剖面含水量測定。

1.3.3透射零偏移距法（Trans ZOG）和透射多偏移距法（Trans MOP）

透射零偏移距法和透射多偏移距法是由鉆孔雷達探測地下介質的雷達波波速發展而來的測量方法。鉆孔雷達是將發射天線和接收天線分別放入平行鉆孔中測量的一種探地雷達，可以探測比地表探地雷達更深的目標。透射零偏移距法（Trans ZOG）是收發天線保持同一水平面對不同深度進行測量的方法（見圖4），可以得到土壤含水量的垂向變化。透射多偏移距法（Trans MOP）是發射天線和接收天線分別在不同深度進行測量的方法（圖4），能得出兩鉆空間剖面土壤含水量變化圖。Alumbaugh等用鉆孔雷達所得含水量的均方根誤差為2.0%～3.0%，但用鉆孔雷達測量時鉆孔間距不能超過10cm，因此只能用于小尺度監測，而且鉆孔破壞土壤結構在農田實施較為困難。

透射零偏移距法（Ttans MOG）和透射多偏移距法（Trans ZOP）不僅適用于鉆孔雷達，而且能應用在地表探地雷達中，并繪制土壤含水量變化的二維圖。Wiiew ardana和Galagedara基于該理論用200 MH zGPR通過地面直達波測量土壤水，研究顯示測量值與烘干法結果相關系數達0.87，均方根誤差為0.0184m³/m³。

透射多偏移距法較耗時，但能提供二維土壤水信息。透射零偏移距法空間分辨率高，采樣體積大，操作簡單，測量速度快，更重要的是在鉆孔中它可以根據研究目的直接控制測量深度。

1.3.4地表反射法（surface reflection methodl

地表反射法是用離地探地雷達系統（off-grunnd GPR/air-launched GPR）測定空氣與地面界面反射系數從而推求土壤含水量的測量方式。離地探地雷達系統是用輪子或低空飛行平臺將探地雷達架離地面測量的探地雷達系統，測量速度快，運移方便，在區域土壤水監測方面占有明顯優勢。

（3）式中：R為反射系數；A_r為測量的振幅；A_m為測量振幅相應的理想振幅。

地表反射法測定土壤水需要準確測量振幅，振幅1%的測量誤差就會導致土壤含水量0.30 m³/m³的誤差達0.02 m³/m³。在含水量低的條件下，反射系數較含水量高時更敏感。地表粗糙度大和剖面上土壤含水量隨深度的變化造成反射系數衰減是影響地表反射法精度的主要因素，與有源遙感相似，此方法可能受益于遙感技術的發展。

1.3.5全波形反演法（Full_wave inversion method）

全波形反演法是由Lambot提出的一種用GPR確定水文特性的新方法。相對于其他GPR測量方法，全波反演法考慮了主要天線效應和雷達波傳播中的球面發散，而且反演過程中利用了雷達信號包含的所有信息。與地表反射法相比，全波形反演法有更多優勢，它過濾掉了天線距地高度對結果的影響，不需要校正天線距地高度，不需要理想電導體作為參考測量。該方法需要將超寬帶階梯頻率連續波雷達（SFCW）與離地單站橫向電磁波喇叭天線結合，用矢量網絡分析儀（VNA）將雷達系統連接到一個線性極化雙脊寬帶橫向電磁波喇叭組成的天線系統上f圖4）。全波反演法的原理如下：

（4）

Weihermller等在0.8～1.6 GHz頻率范圍用全波反演法繪制土壤含水量空間變化，與TDR對比的均方根誤差為0.053 m³/m³。Minet等用地表真實土壤采樣測量評估了全波反演法測量田間尺度土壤含水量空間變化的能力，其均方根誤差為0.0233 m³/m³，土壤含水率的整體重復性誤差為0.0169 m³/m³。該方法的測量缺陷有待進一步研究。

2探地雷達的測量深度

作為非直接測定土壤水技術，探地雷達測量土壤深度的確定對其結果驗證和應用至關重要。

2.1地面直達波的測量深度

探地雷達地面直達波測量的土壤深度，通過直達波的采樣深度確定，通常在5～50 cm范圍，但直達波的采樣深度尚不明確。常用的估算直達波采樣深度的方法有如下三種。

Du等提出地面直達波的采樣深度可近似用雷達波波長的一半確定：

（5）式中：f是天線頻率；λ為雷達波的波長；Z為地面直達波的采樣深度。

Van Overmeeren等用地震波近似雷達波估計地面直達波的采樣深度，表述為

（6）式中：v是土壤中雷達波波；S是天線間距。

探地雷達采樣深度在干土中較濕土大，低頻探地雷達比高頻的地面直達波采樣深度大。Grote等研究發現該方法預測的采樣深度比實際測量的采樣深度小，但仍在合理范圍內。Sperl建立了采樣深度與雷達波波長的函數：

（7）

Huisman實驗結果與Spedl的結論較符合。Pallavi等的研究結果表明Van Overmeeren模型的計算結果比Sperl大。Galagedara等利用數字模擬技術模擬探地雷達CMP數據，分析得到地面直達波的采樣深度D與頻率負相關，即

D=0.6015λ+0.0468 （8）

該式表明電導率變化對深度無明顯影響。當土壤含水量增大時，地面直達波的采樣深度變小，與Van Overmeeren方法一致。該理論比Du和Sperl的方法確定的采樣深度大。

2.2地面反射波的測量深度

若土壤存在明顯連續反射層時，提取反射波的波速能獲取不同深度的土壤含水量。所測量土壤深度通過反射波的采樣深度確定，可視為對應反射層的深度。反射層的選擇和深度測定影響GPR的測量精度，當用反射波提取波速計算土壤含水量時，反射層要選取連續、水平、清晰的界面（如潛水面），反射層的深度通過鉆孔獲得，或根據研究需要在已知深度處埋設目標物作為反射層進行測量。GPR反射波測量的土壤深度可達到潛水面，能夠測量不同深度的土壤含水量。

3探地雷達測量土壤水的尺度特征分析

探地雷達具有探測深度大、便捷快速、測量精度高、分辨率高、無損測量等優點，作為田間尺度的測量方法已成為觀測中小尺度上土壤含水量信息的重要途徑，在美國、荷蘭、德國、加拿大等國家以其尺度優勢應用廣泛，近二十年間有2萬多篇的相關文章發表，其中SCI檢索數量達2 000篇。在國內，探地雷達測量土壤水的文章約30篇，主要集中在荒漠、沙漠、室內模擬實驗方面，缺少GPR在不同下墊面條件下測量土壤含水量實際應用情況。

與點尺度測量方法相比，如烘干稱重法、TDR等應用廣泛的點尺度方法測定的數據能較準確地反映觀測點多層的土壤含水量，但應用它推求更大范圍區域土壤含水量時，存在尺度不匹配，且耗時費力、對土壤具有一定破壞性、難于移動等問題。而探地雷達測量精度與TDR、烘干稱重法等相當，既能測量單點土壤含水量，又能通過便攜移動，加密測量點實現對較大范圍區域尺度土壤含水量的測量與計算，更適合測量較大范圍的土壤含水量信息，且可以準確測量垂向土壤含水量自然分布，更好地描述干旱/濕潤、凍結/溶解過程，且屬無損測量。Sain-tenoy等比較了滲透過程的水力模型與模擬雷達測量，證明了GPR能夠追蹤濕潤鋒和飽和球狀帶。Steelman等用包氣帶垂向土壤水流動模型（HYDRUS-1D）進一步檢驗GPR觀測數據中瞬時滲透脈沖、蒸散發階段、深層排水模式的性質，模型未經校正的結果就能與GPR達到很高的一致性。

與區域尺度的測量方法相比，探地雷達方法測量的空間范圍可控。如宇宙射線中子法（CRS），能夠實現區域尺度平均土壤含水量的長期連續監測，測量范圍為350 m半徑的區域，測量深度最深達到70cm。但CRS的測量范圍是固定的，移動不便，且需要采集大量土樣校正參數。而GPR能夠根據研究目的，通過測點設置，可調整測量范圍，不需要破壞土壤層狀結構，并能夠繪制出區域尺度的土壤含水量空間分布情況，但缺點在于不能進行連續觀測。因此，探底雷達技術與其他區域尺度土壤水測量方法相配合，能夠在數據校正和驗證方面發揮積極作用，實現空間尺度和時間尺度的優勢互補。

與遙感像元尺度反演方法相比，遙感反演法通過植被指數、地表溫度、微波后向散射系數等遙感參數建立統計模型反演土壤含水量，遙感反演結果存在空間分辨率低、探測深度淺等瓶頸問題，并需要大量實測土壤水數據校正反演模型、驗證反演結果精度。由于遙感影像覆蓋范圍廣、下墊面變化多樣等因素，驗證數據采用烘干法、TDR測量法等得到土壤水數據，存在尺度不匹配、投入大、費時費力等問題。蔣金豹等基于MIMICS模型聯合光學和微波數據反演麥田的地表土壤含水量，在研究區內選取49個試驗點用于驗證，并在10 m×10 m的區域內均勻選擇10個點利用TDR測量土壤含水量，取10個點的平均值作為該試驗點的土壤含水量。陳長紅等用分辨率為25 m的RADARSAT-2數據反演風沙灘地區地表土壤水，根據野外35個采樣點烘干法的實測數據進行精度驗證。虞文丹等聯合TVDI和氣象因子構建表層土壤相對含水量估算模型，并用研究區內均勻分布的28個土壤濕度測站數據對模型結果進行了驗證。上述遙感反演模型的驗證方法均是在實驗區內均勻選取適量試驗點，用該點土壤含水量作為所在像元的實測土壤含水量，模擬數據與實測數據尺度不同，可能導致驗證結果不準確，這種驗證方法存在一定問題。而探地雷達比遙感反演法測量精度更高、機動靈活、空間分辨率更高且可控、測量深度更大、測量結果具有空間分布特征等優勢，可在遙感反演結果驗證等方面發揮積極作用，有益于模擬結果與野外實測數據的尺度匹配問題。

除此之外，對于粗粒土，探地雷達能提供連續、高分辨率的地下水位記錄，該應用減少了用于測量潛水面和確定地下水流動的觀測井數量，降低觀測成本。用上述方法GPR可以繪制潛水面深度時空分布，推斷地下水運移的時空變化情況，確定地下水補給和排泄區域、井的位置，估計水力梯度，在此基礎上進一步幫助提高、調整和驗證水文土壤模型。

4展望

探地雷達測量土壤水具有不破壞土壤層、精度較高、速度快、適合中、小尺度監測等優點，隨著探地雷達技術的發展和測量方法的完善，它在測定土壤含水量方面的應用值得關注。

（1）探地雷達將作為觀測中小尺度土壤含水量信息的重要途經。單偏移距法能提供更高的空間分辨率和更少的測量時間，對不同灌溉結構的識別效果好，更適于中尺度觀測；利用透射多偏移距法在地表GPR的應用雖能提供小尺度二維土壤水空間變化，該方法地面直達波的土壤水測量不確定性和采樣深度有待進一步研究；特別是GPR的全波反演法近年來成為GPR測量土壤水的研究熱點。

（2）因便于空間尺度匹配，探地雷達在遙感反演土壤水模型率定與精度驗證方面比TDR、烘干法更有優勢，有潛力應用于遙感產品驗證、土壤水模式時間穩定性分析等其他水文相關應用中。

（3）將探地雷達測量的一定深度和空間范圍的土壤水數據，應用于分布式水文模型的參數率定與驗證，將有益于提高模型模擬精度。