基于探地雷達的典型土壤物理性質探測研究進展

羅古拜 曹銀貴 況欣宇

摘要：探地雷達（GPR）作為一種新型的無損探測工具，具有探測速度快、探測過程連續、操作簡單，探測費用低等優點。探地雷達在工程勘探方面應用廣泛，但在探測典型土壤物理性質，尤其是在探測礦區典型土壤物理性質方面的應用研究較少。本文在介紹GPR基本工作原理、發展歷程及其圖像處理研究進展的基礎上，對基于GPR的典型土壤物理性質探測研究進展作詳盡文獻分析，最后闡述基于GPR的礦區復墾土壤典型物理性質的研究進展，并對探地雷達探測典型土壤物理性質進行了展望，指出基于GPR對典型土壤物理性質的研究應主要集中于GPR圖像處理技術、GPR的分辨率及探測效果評價等方面。

關鍵詞：探地雷達;土壤含水量;土壤容重;土層厚度;土壤質地;土壤礫石含量;土地復墾

中圖分類號：S152 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0040-05

采用無損探測技術獲取地下目標物的信息是當前探測研究的熱點[1]。探地雷達（GPR）在水文、工程、環境等領域已經得到了廣泛的應用，它可以高效、準確地探測地下空洞[2-3]，可用于評價地基穩定性和探測地基中的各種潛在危害[4]，同時可準確探測水位埋深和估算地下水表面[5]，對地下污染物位置、類型等的探測有較高的精度[6]。國內外關于探地雷達在土壤探測方面的應用研究逐漸展開[7-11]，尤其是在土壤含水量、土壤不同顆粒大小、土壤質地、土層厚度、土壤容重等的探測方面[12-16]。而在礦區重構土壤物理性質探測方面的應用較少。在礦區土壤重構過程中，由于土石混排及造地復墾工藝影響，導致復墾地土壤剖面出現土層厚度差異明顯、土壤質地不均一、土壤礫石含量高、土壤容重增大、土壤含水量差異等現象，這些成為重構土壤典型物理性質，并且其深層次分異特征成為研究的焦點，對明晰土壤重構原理具有重要的支撐作用[17-19]。通過探地雷達開展重構土壤典型物理性質的無損探測，可以充分降低傳統方法獲取土壤物理性質的成本和時間。因此，基于探地雷達探測土壤的物理性質具有一定的實際意義。

各種復墾土壤的介電常數與水分含量間存在明顯的函數相關性，應用探地雷達測定復墾土壤的水分含量在方法上是可行的[8]。采用探地雷達技術進行地層劃分是可行的，在物性條件比較好的情況下可以獲得良好的探測效果，為工程建設、規劃提供可靠的資料[20]。土壤礫石含量和粒徑的變化可通過GPR圖像進行定性分析。礫石含量的檢測需要考慮雷達的分辨率。因此，利用探地雷達探測礦區土壤的物理性質，進而評估植被生長情況更加方便快捷。

1 探地雷達的工作原理和組成

1.1 探地雷達的工作原理

探地雷達方法是利用電磁波的反射來區分地下介質的一種無損探測技術，具有高分辨率、高準確率、快速、方便、高效等優點，能達到區分介質的目的[21-23]。探地雷達的探測系統主要包含發射天線和接收天線、雷達主機[22]，發射天線發射高頻電磁波，接收天線接收介質分界面處的反射波，主機負責控制信號，且對反射回來的信號進行預處理[23]。不同介質介電常數存在差異，電磁波在介電常數改變的界面傳播時，傳播特性會發生變化，根據電磁波雙程走時、振幅與波形產生的改變，可反演目標體的結構[24]，其工作原理如圖1所示。

1.2 探地雷達技術的形成與發展

20世紀初，Hülsmeyer首先將電磁信號用于金屬探測[26]。雷達技術從20世紀20年代發展到21世紀初，已經成功地應用于工業和民用事業[27]。1926年，Hülsenbeck第1次提出用脈沖電磁波技術探測地下目標體結構[28-30]。Lowy首先以專利的形式提出了探地雷達探測原理[26]。20世紀60年代，世界上最早的探地雷達設備誕生于美國，被用于公路路基下的溶洞探測及采礦試驗[31]。1983年， 探地雷達SIR-10H實現了對地下目標體的三維層析成像[30]。國外推出了一系列如美國SIR系列、加拿大EKKO系列和日本GEORADAR系列的商業雷達[31]。20世紀90年代前期，國內雷達研究基本處于空白狀態，隨著國外儀器的引入，探地雷達技術在我國得到了一定的發展，如國內LT-1、CBS-9000系列探地雷達的制造[29]。隨著科學技術的發展，數據處理技術日益成熟，探地雷達應用范圍涉及各行各業。探地雷達在探測礦井和冰層厚度、黏土物理性質、地下水水位埋深、工程地質勘察、泥炭調查、放射性廢棄物處理調查以及地質構造填圖、水文地質調查、地基和道路下空洞及裂縫調查、埋設物探測、水壩的缺陷檢測、隧道及堤岸探測的等方面得到了一定的應用[32-36]。

1.3 探地雷達數據處理

GPR不同于對空雷達，由于地下介質的多樣性，使得其發射的電磁波傳播過程很復雜。振幅減小、波形變異外加噪音和干擾波的影響，嚴重扭曲了真實數據[31]。而數據處理可以在一定程度上剔除干擾波，凸顯目標介質的反射波。探地雷達數據處理技術大多是從地震處理方法中移植過來的，其研究還處于初級階段。靜態模擬分解（EMD）對低信噪比數據除燥有較強的適應性[37]。希爾伯特（Hilbert）變換作為一種信號處理的手段，能消除背景干擾，增強目標識別的準確性[32-33]。運用偏移的數據處理方法可以提高剖面的分辨率，使得處理后的土壤剖面更加接近真實剖面[34]。

數據處理主要包括濾波、高差處理和震蕩處理。濾波的好壞直接影響到結果的可靠性與準確性[38]，目前使用的方式主要包括偏移、反褶積、有限或無線脈沖濾波、振型迭加和小波變換等。小波變換是線性變換，具有易去噪和精細化分析等特點，以最大分辨率在探地雷達剖面上顯示目標體反射波，便于提取反射波的參數（振幅、相位、頻率等）來解釋介質的特性[14]。偏移主要是為了解決點狀體繞射和頻率界面造成的圖像失真問題[38]，目前常用的偏移方法有有限差分偏移、有限元偏移和頻率-波數（F-K）偏移法等[39]。利用反褶積方法可以壓制子波的干擾，提高圖像的分辨率[40]。

2 探地雷達對土壤物理性質的探測

由于重構土壤典型物理性質空間分異特征明顯及形成條件復雜[41-42]，傳統的土壤采樣方法由于復墾地障礙會限制采樣深度和采樣質量，給科學合理地揭示重物土壤物理性質空間分異特征與形成機制帶來了一定的困難[43-44]。國內外探地雷達在土壤探測方面的應用逐漸展開。利用探地雷達可以準確地測定土壤含水量，并能反饋出含水量時空變化的差異[45]。在合理選擇探地雷達頻率的情況下可以探測出土壤不同顆粒的大小，確定土壤質地[46]。在土壤厚度及分層探測方面，探地雷達表現出了一定的優勢[38]，可以在土地復墾工程中對土層厚度進行驗收[46]。探地雷達可以探測土壤容重，其準確度可達70%以上，并且還有很大的提升空間[47-48]。探地雷達在土壤礫石含量探測方面應用較少，只從試驗分析的角度開展過評價預測，但已經證明其應用的可能性[49]。可見，探地雷達在相關土壤物理性質探測方面的研究已經取得了一定成果。

2.1 土壤含水率

土壤含水率是土壤中所含水分量。探地雷達技術作為一種無破壞性的探測含水層異質性工具，其應用范圍較廣。探地雷達是目前最有效的大面積測定土壤含水量的方法之一[49]。有研究成功地將探地雷達技術用于路基含水率和復墾土壤含水率的探測[50]。探地雷達具有檢測高效的特點，能夠獲得連續的壩體剖面且對壩體結構無破壞作用，能夠應用于水利工程行業[51]。探地雷達在遙感反演土壤水模型與精度驗證方面比時域反射技術（TDR）、烘干法更有優勢，其在遙感產品驗證、土壤水分時間穩定性分析等其他水文相關應用中更有潛力[52]。目前，常借助探地雷達求土壤含水率的方法有發射波法、反射系數法、地波法和鉆孔雷達法，每種方法都有其適用的介質和不足[53]。探地雷達探測土壤水含量有一定的可行性，但在探測精度和含水量的確定方面仍需加強研究[54]。可見，探地雷達在探測土壤水含量方面的應用有很多，且技術日趨成熟，但要準確定量探測土壤含水率尚待研究。

2.2 土壤分層

土壤是地球上能夠生長綠色植物的疏松物質，不同的土壤類型，分層不同，不同類型土壤及分層厚度對植被的生長狀況影響不同。在GPR探測土壤分層方面有大量研究。范洪利等將探地雷達技術用于探測礦區土壤地層，且探測成功率很高[55]。孫堅等通過試驗證明，用探地雷達可用于土壤分層的探測[56]。有研究表明，巖石中的層面和斷裂帶以及厚度為0.1 m的土壤層均可通過探地雷達輕易地測出[57]。雖然探地雷達在土壤分層探測方面有一定的優勢，但當地下介質比較復雜，巖層中存在較多介電常數較大的土壤水、淤泥、黏土等時，探測的分辨率會減小。對探地雷達探測數據采用適當的數據處理技術可以有效探測土壤中的分層變化[58]。國內外各種室內試驗表明，可用于土壤層次探測，但在實際工程中想得到預期結果還有許多工作要做[21，37]。對點壩淺部探地雷達的探測數據進行處理之后，GPR圖像中分層信息清晰，與測區地層剖面基本吻合[54]。綜上，探地雷達技術可用于土壤分層探測的實際工程中，但在遇到復雜地質條件時對數據處理技術要求較高。

2.3 土壤礫石含量和粒徑

土壤中礫石的粒徑和含量對土壤肥力有重要的影響，進而影響植被的生長狀況，甚至一個地區的生態，可見，對土壤中礫石含量進行探測有一定的積極意義。基于探地雷達技術可以繪制出植物根徑大于3 cm粗根的粒徑分布圖，這為粒徑大于3 cm礫石含量及大小的探測提供了依據[59]。使用商用軟件可以獲得高精度的GPR掃描圖像，但其精度是否能有效區分礫石和細土仍需進一步研究[60]。對礫石大小的探測主要取決于探地雷達的頻率及數據處理技術，頻率越大，探測深度越淺，分辨率越大，分辨出礫石顆粒大小的可能性就越大。有研究用探地雷達探測河流沉積物，在雷達剖面層呈現了從細沙和淤泥到粗沙和礫石的粒徑垂直變化[61]。通過小波變換法將雷達信號中的低頻成分濾掉，可有效保護高頻成分，從而實現對薄層的識別[62-63]。通過分形技術濾掉低頻信號，不僅能清晰地呈現出墻體及其保護層分界面處的反射信息，而且可得到混凝土墻體的保護層厚度[64]。可見，特定頻率的探地雷達能夠探測分辨出一定大小的礫石。

2.4 土壤容重

土壤容重表征土壤的密實程度，密實程度過高會嚴重降低作物的生產力，探地雷達目前被用于測定土壤、路基和地基等壓實度，因此利用探地雷達對土壤容重的進行探測有一定的實際意義[51，63]。常通過電磁波波速、土壤介電常數、GPR探測信號圖振幅、土壤物理性質孔隙度、含水率等與容重的關系定量分析土壤容重。另外，可通過孔隙度、密度與實測雷達數據頻率、振幅的關系反演土壤容重，但效果相對較差[39]。土壤壓實程度可以表現在介電常數的變化上[36]。借助電磁波波速與土壤容重的關系可獲取土壤容重，借助介電常數與壓實度的關系可以定量分析土壤容重[65-66]。目前基于GPR定量分析土壤容重的方法較多，但關于其準確性及誤差修正方法的研究較少。

2.5 土壤質地

土壤質地指土壤中不同大小礦物顆粒的組合狀況[1]。土壤質地與土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易密切相關，因此土壤質地對植被的生長具有一定影響。如果能實現探地雷達對質地的探測，將能更方便準確地確定植被與土壤的耦合關系。目前，基于探地雷達對土壤質地的探測研究較少，且地下介質本身的復雜性，給這項研究帶來了一定的困難。有研究者通過室內模擬試驗得出，受試驗精度的影響，探地雷達技術不能很好地用于土壤礫石相對容積的探測[67]。因某些系統誤差不可避免，用探地雷達探測礫石含量達不到預期效果。

3 GPR礦區復墾地探測特點及進展

3.1 GPR礦區復墾地探測的特點

礦區復墾土壤是一種典型的新生土壤，其母質來源于不同地質年代形成的巖石，在土體再造過程中有一定的隨意性[68]。與原地貌相比，重構土壤土層厚度差異明顯、質地不均一，復墾地近地表土層黏粒含量一般高于未損毀地[69]、礫石含量高，且一般復墾地0～10 cm土壤中礫石含量相比未損毀地變化不大，但10～20 cm土壤中礫石含量減少，土壤容重隨土壤深度的增大而增大，含水量的差異導致礦區植被恢復效果欠佳，甚至出現局部退化現象[68-72]。

礦區重構土壤與原地貌相比具有典型的物理性質，探地雷達對二者的探測結果不同[73]。與未擾動的土壤相比，復墾后1年的土壤緊實度最大，復墾區土壤板結情況嚴重，不宜耕作;復墾后10年的土壤緊實度與未擾動的土壤相比差異不大[70]。受造土工藝的影響，重構土壤典型土壤物理性質沿土壤剖面垂直方向上的分異特征顯著[43，72，74]。通過適當的數據處理可以有效探測土壤土層分層情況[8]。礦區復墾土地邊坡存在水土流失現象，說明重構土壤比較密實，與原地貌相比其儲水能力和入滲能力都較小。胡振琪等通過室內試驗驗證了土壤介質中介電常數與土壤含水量存在線性關系，證明采用探地雷達探測重構土壤含水量的方法可行[8]。

3.2 GPR礦區復墾地探測進展

我國露天煤礦在開采過程中，原地貌土地在劇烈的擾動下徹底損毀，生態環境遭到嚴重破壞，當地居民生產生活因此受到威脅。目前我國礦區廢棄地復墾率不足25%，不到美國、澳大利亞等國家的1/3[75]。土壤重構是礦區土壤復墾的核心[76]。在土壤重構過程中，受復墾工藝的影響，復墾土壤剖面會出現土壤厚度差異明顯、土壤質地不均、土壤礫石含量高、土壤容重增大、土壤含水率差異大等現象，這種差異對植被生長狀況有一定的影響。排土場復墾后出現了局部退化的現象[77]。因此，加強礦區，排土場等廢棄地復墾工藝的研究有非常積極的意義。

探地雷達技術在水文、工程、環境等領域已得到廣泛的應用[29]，其在土壤復墾方面的研究也在逐漸開展。

只要采用適當的數據處理方法進行分層，探地雷達就可以有效地檢測到復墾土壤的分層結構狀況。探地雷達能夠有效探測土層結構，可以用于土地復墾工程土層厚度的驗收工作[8，78]。杜翠等用層析成像的方法探測土壤分層，并認為該方法用于大范圍土壤分層探測具有一定的可行性和有效性[79]。頻率為400 MHz的探地雷達可實現氣煤-砂巖界面的探測，且誤差較小[80]。

復墾土壤的介電常數與水分含量間存在明顯的函數相關性，應用GPR測定復墾土壤的含水量，在方法上是可行。陳星彤等通過試驗手段得到了基于GPR的復墾田塊有效灌溉管理關鍵技術[81]。探地雷達可用于探測開采后礦區地表土壤水分再分布情況，這為塌陷區復墾提供了科學依據[82]。

使用探地雷達檢測土壤緊實性的研究具有較高的創新性、可行性和準確性[83]。土壤介電常數與土壤壓實指標具有較好的相關性，可以表征土壤壓實狀況[78]。探地雷達探測土壤容重的準確度可達到70%以上，在土壤非飽和水分情況下，探地雷達電磁波的傳播速度與土壤容重存在明顯的正相關關系，偏相關系數達到0.933[84]。

探地雷達探測可用于評價礫石層的非均質性[57]，如卵礫石層具有一定規模，可將探地雷達技術用在卵礫石層地基勘察中[85]。由于地下介質的復雜性，即使徑商業軟件處理過的高精度GPR圖像，在細粒土和礫石區分上仍有一定的難度[60]。將探地雷達用于礦區重構土壤礫石含量和質地探測方面的研究甚少。

4 結論與展望

4.1 結論

探地雷達是一種基于電磁波反射技術確定地下介質分布的技術，隨著GPR數據處理技術的提升，逐漸被廣泛用于工程勘探領域，胡振琪等2005年最早將探地雷達用于礦區重構土壤物理性質的探測[8]。

因水的介電常數遠大于其他介質，易區別于其他介質，因此探地雷達被廣泛用于土壤水含量檢測、水泥混凝土路面改造和各種水工結構工程中。探地雷達方法已被證明可用于礦區重構土壤含水率的探測。探地雷達對容重或壓實度的探測在公路路基壓實、隧道襯砌和橋梁密實方面已經被廣泛應用，在復墾土壤容重方面也取得了一定進展，可用電磁波波速和土壤容重的關系定量確定土壤容重。在確定土壤分層方面當頻率適當時，基本能清晰得到土層厚度。由于不同類型土壤的介電常數相近且土壤顆粒細小，加上地下介質復雜，因此目前只能從信號圖中分析出不同類型土壤的分層。在探地雷達頻率恰當的情況下，基本能探測出地下粒徑為10 cm的礫石。

4.2 展望

隨著探地雷達數據處理技術的發展，探地雷達探測土壤典型物理性質的精度將會進一步提升。探地雷達技術準確探測典型土壤物理性質將成為可能。

（1）土壤水等介電常數較大的介質對探測效果影響較大，數據處理技術需在處理高介電常數對低介電常數影響方面有所提升。

（2）探地雷達技術可用于土壤含水率的定量探測，探測精度主要取決于標定的深度，需要進一步提高。

（3）通過文獻分析可得，探地雷達雖然可用于土壤容重的探測，但其定量分析誤差大小及修正方法的相關研究較少。

（4）對土壤礫石含量和土壤質地的探測目前研究較少，其原因是探地雷達的分辨率無法辨別礫石及粒徑大小。若要將該技術用于探測細粒土，其分辨率的提高是一個大的挑戰。

綜上，因地下介質的復雜性，探地雷達對土壤含水率、分層和容重探測的準確性取決于數據處理技術。雖然目前關于探地雷達對土壤質地和土壤礫石含量探測方面的研究很少，但只要能提高探地雷達的分辨率就有可能將其用于區分細土與礫石，進而用于土壤質地的探測。目前對GPR探測效果、準確度及誤差修正的研究較少，且沒有一個統一的規范，期望今后在這方面有所突破。

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