探地雷達(dá)在監(jiān)測(cè)地表土壤水分中的研究進(jìn)展

高勝國(guó)+翁海騰+朱忠禮

摘要：探地雷達(dá)（ground penetrating radar，GPR）作為監(jiān)測(cè)中小尺度或田塊尺度地表土壤含水量的一種極有潛力的技術(shù)，在近幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展。在介紹探地雷達(dá)測(cè)量地表土壤含水量基本原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)探地雷達(dá)在地表土壤含水量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展，主要包括反射波法、地面波法和地表反射系數(shù)法。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的研究成果，分析每種方法的特點(diǎn)，討論每種方法的測(cè)量精度以及測(cè)量的代表深度。最后，對(duì)探地雷達(dá)在地表土壤含水量監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；土壤水分；反射波法；地面波法；地表反射系數(shù)法；測(cè)量深度；衛(wèi)星遙感；地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）12-0001-05

土壤水作為水資源的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)尤其是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最重要的因素之一。掌握農(nóng)田尺度土壤水分在空間上的分布，對(duì)于農(nóng)田灌溉管理等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)意義重大。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)農(nóng)田地表土壤含水量測(cè)定方法的研究一直被業(yè)內(nèi)人士所重視。目前為止，國(guó)內(nèi)外科研人員提出的土壤含水量測(cè)定方法多達(dá)幾十種，比較傳統(tǒng)的方法主要包括土鉆取土稱質(zhì)量法、中子儀法、電容法、時(shí)域反射法（TDR）、頻域反射儀（FDR）法等[1-3]。雖然以上方法在探測(cè)精度上基本可以滿足應(yīng)用的需求，但它們只能探測(cè)小尺度的土壤含水量，準(zhǔn)確地講均屬于單點(diǎn)測(cè)量。由于土壤含水量空間變異性很大，這幾種方法難以直接得到土壤含水量在面上的分布數(shù)據(jù)，也不能反映土壤含水量在空間上的連續(xù)變化。如果要實(shí)施大面積土壤含水量的監(jiān)測(cè)，這些技術(shù)需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)以滿足一定的采樣密度，而后空間插值，均耗時(shí)耗力。另外，這些方法均屬于有損測(cè)量，測(cè)量的同時(shí)破壞了土層結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)重復(fù)測(cè)量[4]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用遙感手段觀測(cè)地表土壤含水量已廣泛開(kāi)展，并且已經(jīng)取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[5]，這使得區(qū)域尺度或大尺度土壤含水量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能。作為傳統(tǒng)野外土壤含水量觀測(cè)（點(diǎn)觀測(cè)）和大尺度遙感觀測(cè)的一種補(bǔ)充，探地雷達(dá)（GPR）是一種快速、無(wú)損測(cè)量技術(shù)，可以用來(lái)填補(bǔ)在中小尺度或是田塊尺度上測(cè)量土壤含水量技術(shù)上的空白[2]。大量的研究應(yīng)用工作證明，探地雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)田塊尺度上土壤含水量的觀測(cè)，并且在保證原位測(cè)定精度的同時(shí)，快速、便捷地獲取較大區(qū)域的土壤含水量信息，大大提高傳統(tǒng)區(qū)域范圍土壤含水量觀測(cè)的工作效率，也為衛(wèi)星遙感土壤監(jiān)測(cè)提供地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤水分理論基礎(chǔ)

探地雷達(dá)是一種地球物理無(wú)損探測(cè)技術(shù)，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐漸被應(yīng)用到水文和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中。從原理上來(lái)講，探地雷達(dá)技術(shù)和地震波法、聲納法相似，由主機(jī)產(chǎn)生一定頻率（1 MHz～1 GHz）的電磁波，由發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射脈沖信號(hào)，然后由接收天線接收和處理回波信號(hào)，這樣回波信號(hào)的雙程傳播時(shí)間、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形等特征會(huì)反映脈沖信號(hào)所通過(guò)介質(zhì)的電磁特性以及幾何形態(tài)變化等特征[6-7]。在探地雷達(dá)的回波信號(hào)中可以識(shí)別及利用的回波類型主要有空氣直達(dá)波、地面直達(dá)波和反射回波3種（圖1）?？諝庵边_(dá)波為發(fā)射天線發(fā)出的脈沖信號(hào)通過(guò)空氣直接被接收天線所接收，由于電磁波在空氣中衰減較小，因此該回波強(qiáng)度較大，在應(yīng)用中可以用其代表發(fā)射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度。地面直達(dá)波為在接觸地表測(cè)量過(guò)程中，由發(fā)射天線端沿地表直線傳播到接收天線端的脈沖信號(hào)，反射回波是接收到的介質(zhì)中反射界面的反射波，利用這些回波可以分析傳播介質(zhì)的電磁特性。

利用探地雷達(dá)測(cè)量地表土壤含水量的主要理論基礎(chǔ)可以概括為：（1）探地雷達(dá)信號(hào)傳播速度或反射率可以反映土壤介電常數(shù)特征。（2）常溫下，干土壤的相對(duì)介電常數(shù)是4，空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1，淡水的相對(duì)介電常數(shù)是81，淡水的相對(duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣和干土壤的相對(duì)介電常數(shù)，則土壤含水量可以對(duì)土壤的相對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生很大的影響，那么可以通過(guò)測(cè)定介電常數(shù)來(lái)反映土壤含水量[9-11]。（3）在土壤含水量研究及應(yīng)用領(lǐng)域最經(jīng)典的土壤體積含水量（θ）和介電常數(shù)（ε）的關(guān)系是Topp等提出的Topp公式[12]：

θ=-0.053+0.029 3ε-0.000 55ε2+0.000 004 3ε3。（1）

2探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤含水量應(yīng)用進(jìn)展

按照天線端接收回波類型，將現(xiàn)階段常用的探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤含水量的方法分為反射波法、地面波法和地表反射系數(shù)法3種。

2.1反射波法

反射波法是依據(jù)土壤介質(zhì)中反射波的傳播距離和雙程走時(shí)來(lái)計(jì)算電磁波在土壤中的傳播速度，進(jìn)而確定土壤的相對(duì)介電常數(shù)，最后根據(jù)Topp公式確定土壤含水量[13]。根據(jù)測(cè)量過(guò)程中發(fā)射天線和接收天線相對(duì)位置的差異，可以將這種方法分為固定天線距模式和變天線距模式。

2.1.1固定天線距模式固定天線距模式測(cè)量土壤含水量一般適用于土壤中有明顯的反射界面，而且可以知道或估計(jì)反射界面的深度。測(cè)量過(guò)程中收發(fā)天線在一定的天線距下同時(shí)向同一方向移動(dòng)，每次移動(dòng)間隔進(jìn)行1次測(cè)量，保證連續(xù)測(cè)量。

如圖2所示，假設(shè)土壤中存在明顯的反射面，反射層深度為h，以天線間距為x進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的雷達(dá)回波的雙程走時(shí)為t，這樣可以計(jì)算得到雷達(dá)信號(hào)波在土壤中的平均傳播速度v：

v=h2+（x/2）2/t。（2）

則土壤的相對(duì)介電常數(shù)εr可表達(dá)為：

εr=c2v2=4c2t24h2+x2。（3）

Stoffregen等基于此方法利用1 GHz天線測(cè)定蒸滲儀箱體中沙質(zhì)土壤的含水量，經(jīng)過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此方法測(cè)定的土壤體積含水量和蒸滲儀測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.01 m3/m3[14]。Lunt等利用此測(cè)量方法，并且利用試驗(yàn)站定標(biāo)后的介電常數(shù)

和土壤體積含水量的關(guān)系計(jì)算得到GPR土壤體積含水量，同時(shí)和中子儀的測(cè)量結(jié)果相比較得到的均方根誤差為 0.018 m3/m3[15]。Shengguo等比較了一定采樣體積下，GPR測(cè)量土壤含水量數(shù)據(jù)和稱質(zhì)量法的測(cè)量結(jié)果，得到均方根誤差為0.05 m3/m3[16]。endprint

固定天線距模式操作方便、計(jì)算簡(jiǎn)單，它得到的土壤相對(duì)介電常數(shù)為地面到反射面路徑上的相對(duì)介電常數(shù)的平均值，因此該方法得到的土壤含水量可以代表測(cè)點(diǎn)周圍的局部區(qū)域情況，這種方法的使用前提是反射層面存在且已知深度，如可以利用農(nóng)田的犁底層作為反射面。

2.1.2變天線距模式在土壤層中存在連續(xù)反射面的情況下，可通過(guò)變天線距模式來(lái)估計(jì)土壤體積含水量，變天線距離模式又可以分為共中心點(diǎn)模式（common-midpoint，CMP）和廣角模式（wide angle reflection and refraction，WARR）。共中心點(diǎn)模式即雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)天線分離，測(cè)量時(shí)，收發(fā)天線分別向兩邊等距移動(dòng)，在每次移動(dòng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，探測(cè)示意圖如圖3-a所示。廣角測(cè)量模式也采用收發(fā)天線分離，測(cè)量時(shí)與共中心點(diǎn)測(cè)量相類似，只是其中的一個(gè)天線固定，另一個(gè)天線向一邊等間距移動(dòng)，其測(cè)量示意圖如圖3-b。

假設(shè)2次測(cè)量中發(fā)射、接收天線的水平間距分別為x1和x2（x1≠x2），測(cè)量相應(yīng)的雙程進(jìn)行時(shí)間，分別為t1和t2。土壤中電磁波速可表示為：v=x22-x21t21-t20。（4）

那么可以得到土壤媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為：

εr=c2v2=c2（t21-t20）x22-x21。（5）

Grote等比較了稱質(zhì)量法和CMP法土壤含水量測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 900 MHz 天線的數(shù)據(jù)結(jié)果和稱質(zhì)量法相關(guān)性（0.98）比450 MHz天線結(jié)果的線性相關(guān)性（0.92）強(qiáng)，并且它們都有很小的均方根誤差（分別為0.017、0.011 m3/m3）[17]。此外，Huisman等利用地面回波的斜率估計(jì)土壤體積含水量，225 MHz 天線的精度為±0.024 m3/m3，450 MHz天線為±0.025 m3/m3[18]。

利用變天線距模式測(cè)量土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)是它不須要知道地下反射層的深度信息，只須接收到雷達(dá)的反射數(shù)據(jù)即可，但是這種方法也存在一些局限，即它和固定天線距模式一樣，必須是在地下反射層存在的條件下才可以進(jìn)行；變天線距模式在每一個(gè)位置需要多次測(cè)量才可以估算土壤含水量；在非均勻土壤介質(zhì)中，共中心點(diǎn)模式所得測(cè)量結(jié)果只能反映靠近共中心點(diǎn)的區(qū)域土壤含水量，廣角測(cè)量模式的測(cè)量結(jié)果反映靠近固定的天線附近區(qū)域土壤含水量[19]。

2.2地面波法

在雷達(dá)天線接觸地面測(cè)量模式下，地面波什發(fā)射脈沖在地面散射后剩余的一部分能量沿著土壤表層由發(fā)射天線傳播到接收天線，它可以反映表層土壤的電磁特性。這種方法在土壤下沒(méi)有明顯反射層的情況下，仍然可以使用，地面波的傳播如圖1所示。由于地面波具有能量容易耗散的特點(diǎn)，為了使測(cè)量精度更高，測(cè)量過(guò)程中須將接收天線和發(fā)射天線盡量緊挨土壤表層。在利用地面波估計(jì)土壤體積含水量時(shí)，可以利用廣角模式、共中心點(diǎn)模式和固定天線距模式3種測(cè)量模式，其中廣角模式（WARR）和共中心點(diǎn)模式（CMP）測(cè)量數(shù)據(jù)空間分辨率低而且在每個(gè)位置上測(cè)量所需時(shí)間較長(zhǎng)，固定天線距模式（FO）具有更高空間分辨率且節(jié)省測(cè)量時(shí)間，更適合大區(qū)域土壤含水量快速監(jiān)測(cè)。

Du等提出了利用地面波法測(cè)量土壤體積含水量的程序：（1）利用變天線距法估計(jì)不同的天線間距下地面波的傳播時(shí)間；（2）選擇一個(gè)能夠使地面波清晰的區(qū)別于空氣波和反射波的天線間距；（3）在這種天線距離下利用固定天線距法建立地面波傳播時(shí)間和介電常數(shù)之間的關(guān)系[8，20]。

在利用地面波測(cè)量地表土壤含水量過(guò)程中，須要估算電磁脈沖在地表的傳播時(shí)間，因此地面波傳播時(shí)間的精度對(duì)于準(zhǔn)確估計(jì)土壤含水量非常重要。在地面波傳播時(shí)間的估計(jì)中一般會(huì)有1～2 ns的誤差，其主要來(lái)源有：（1）波的前緣難以被識(shí)別；（2）零時(shí)刻的定標(biāo)不一定準(zhǔn)確；（3）地面波傳播距離的不確定。Galagedara等中關(guān)于零時(shí)刻的定標(biāo)如下：假設(shè)在一定天線距離x（m）下，計(jì)算得到的空氣波傳播時(shí)間為tair，觀測(cè)得到的空氣波傳播時(shí)間為taw[21]，這樣零時(shí)刻校準(zhǔn)量t0為：

t0=tair-taw。（6）

假設(shè)觀測(cè)得到地波的傳播時(shí)間為tgw，則校準(zhǔn)后的地波傳播時(shí)間tab為：

tab=tgw-t0。（7）

地面波在地表土壤中傳播的速度v可以表示為：

v=xtab。（8）

土壤相對(duì)介電常數(shù)可以表達(dá)為：

εr=t2abc2x2。（9）

另外，Sperl等通過(guò)公式推導(dǎo)直接給出了比較簡(jiǎn)單的介電常數(shù)和空氣波、地面波傳播時(shí)間之間的關(guān)系[8]：

ε=cv2=c（tgw-taw）+xx2。（10）

Huisman等利用225 MHz的天線以及固定天線距法中的地面波估計(jì)地表土壤含水量，并且和TDR數(shù)據(jù)作對(duì)比，指出GPR的誤差為±0.036 m3/m3[17]。Grote等通過(guò)試驗(yàn)比較固定天線距法地面波估計(jì)的土壤含水量和稱質(zhì)量法估計(jì)的土壤含水量，對(duì)于900 MHz的天線均方根誤差為0.11 m3/m3[16]，對(duì)于450 MHz天線均方根誤差為0.17 m3/m3，并且最大的誤差出現(xiàn)在土壤非常干燥的情況下。Galagedara等通過(guò)和TDR測(cè)量土壤含水量數(shù)據(jù)相比較，指出100 MHz天線的地面波所估計(jì)的土壤含水量應(yīng)該主要是地表10 cm以內(nèi)的平均含水量，并且用空氣波進(jìn)行零時(shí)刻定標(biāo)比較精確，這樣得到土壤含水量誤差在0.01 m3/m3以內(nèi)[21]。另外，探地雷達(dá)的天線頻率和探測(cè)深度始終是1對(duì)矛盾關(guān)系，天線頻率越高，探測(cè)深度越淺。但采用地面波法測(cè)定土壤含水量時(shí)，由于測(cè)定的是土壤表層含水量，不需要很深的探測(cè)深度，所以應(yīng)該優(yōu)先采用較高的天線頻率，天線頻率越高，土壤含水量的測(cè)定精度相對(duì)越高。目前，利用地面波法估計(jì)土壤含水量也存在如下缺陷：（1）將地面波區(qū)別于回波中的反射波和折射波比較困難，尤其是固定天線距法；（2）難以確定合適的天線間距；（3）由于地面波的衰減比較快，這樣就限制了天線分離距離的可變化范圍[22-23]。endprint

2.3地表反射系數(shù)法

地表反射系數(shù)法是將天線置于空氣-土壤分界面上方（圖4），每次測(cè)量可以估計(jì)雷達(dá)足跡范圍內(nèi)的土壤含水量。為了測(cè)量方便，可以將天線架設(shè)在可移動(dòng)裝置或是低空飛行平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的快速覆蓋。

這種方法利用了空氣-土壤分界面的振幅反射系數(shù)R（R可以表示為反射回波信號(hào)的振幅與理想完全反射面的反射回波信號(hào)振幅的比值），這里的理想界面可以用比雷達(dá)足跡面積大的鐵板來(lái)代替，也可以利用空氣直達(dá)波振幅代替鐵板的回波信號(hào)振幅使用，而振幅反射系數(shù)和土壤介電常數(shù)εsoil之間的關(guān)系可表示為[24-25]：

R=1-εsoil1+εsoil。（11）

如果應(yīng)用空氣直達(dá)波作為理想完全回波，土壤介電常數(shù)可以利用反射波振幅和空氣直達(dá)波振幅表示為[25-26]：

εsoil=1+Ar/Am1-Ar/Am2。（12）

式中：Ar為反射波振幅；Am為空氣直達(dá)波振幅。由于回波信號(hào)受直流偏移的或雜波的影響而難以消除，在一些研究中認(rèn)為將回波中最大波峰值和最小波谷值之間的差定義為振幅A更為合理（圖5）[8，27]。

利用此方法估計(jì)得到土壤相對(duì)介電常數(shù)后，同理可以根據(jù)Topp公式計(jì)算得到土壤體積含水量。Huisman等指出，利用這種方法得到的地表土壤含水量和0.20 m長(zhǎng)度探針的TDR數(shù)據(jù)非常相似，但土壤含水量測(cè)量結(jié)果在短距離上的差異非常大；同時(shí)分析了可能導(dǎo)致這種差異的3種解釋：（1）土壤含水量隨土層深度的變化會(huì)影響反射系數(shù)；（2）地表粗糙度會(huì)對(duì)反射系數(shù)產(chǎn)生影響；（3）振幅測(cè)量過(guò)程中存在誤差[26]。Redman等又指出，現(xiàn)在的GPR設(shè)備對(duì)振幅的測(cè)量完全可以達(dá)到要求的精度，所以振幅的測(cè)量誤差不是導(dǎo)致土壤含水量觀測(cè)誤差的主要原因，而地表粗糙度和土壤含水量廓線（也可以認(rèn)為是探測(cè)深度問(wèn)題）對(duì)反射系數(shù)的影響成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[27]。Weihermüller等指出，面反射法所反映的地表土壤含水量空間上的差異要比實(shí)際小，最可能的原因是面反射法對(duì)表面的土壤更加敏感，而表層干燥土壤的相對(duì)均一分布會(huì)導(dǎo)致土壤含水量測(cè)量結(jié)果空間差異變小[28]。Redman等數(shù)字模擬土壤含水量的層狀分布（上層干燥下層濕潤(rùn)、上層濕潤(rùn)下層干燥）對(duì)GPR測(cè)量的影響，結(jié)果表明，土壤含水量層狀結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)到的含水量的大小，并且表層的濕度會(huì)影響探測(cè)的深度[25]。要應(yīng)用面反射法檢測(cè)區(qū)域土壤含水量，則須要嚴(yán)格考慮地表粗糙度、表層干燥土壤的影響。在植被覆蓋區(qū)域，還須要考慮植被覆蓋的影響。目前這種方法還沒(méi)有被大量地實(shí)踐應(yīng)用。

3探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)土壤含水量的代表深度

探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)地表土壤含水量所代表的深度一直是此應(yīng)用研究的一個(gè)瓶頸，也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在常用的幾種方法中，反射波法所代表的深度由反射層的深度決定，目前大部分的研究是針對(duì)地面波法和地表反射系數(shù)法。探地雷達(dá)測(cè)量土壤含水量所代表的深度受土壤基質(zhì)、土壤含水量廓線以及所使用的天線頻率的影響，由于土壤基質(zhì)及土壤含水量的空間異質(zhì)性，探地雷達(dá)測(cè)量土壤含水量的深度仍處于數(shù)字模擬以及條件試驗(yàn)的探究階段[29-30]。Redman等通過(guò)數(shù)字模擬的方法探究地表反射系數(shù)法探測(cè)的深度，指出土壤含水量的層狀分布會(huì)嚴(yán)重影響反射系數(shù)法所測(cè)得的土壤含水量，須要進(jìn)一步改進(jìn)模型反映地表散射和采樣體積內(nèi)土壤含水量空間分布差異的影響[25]。Galagedara等通過(guò)試驗(yàn)的方法將灌溉過(guò)程中GPR地面波法得到的土壤含水量數(shù)據(jù)和TDR數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于100 MHZ的天線，GPR所得到的土壤含水量數(shù)據(jù)和探針長(zhǎng)為0.1 m的TDR土壤含水量數(shù)據(jù)最接近，并且回歸分析后沒(méi)有明顯的差異；對(duì)于450 MHz的天線而言，GPR所測(cè)量的土壤含水量大于試驗(yàn)所使用幾種長(zhǎng)度TDR探針測(cè)量值，但是和最淺層（20 cm）的TDR測(cè)量值最接近[21]。Galagedara等通過(guò)GPRMAX2D軟件模擬了在只有2個(gè)不同含水量土壤層的土壤剖面條件下地面波測(cè)量土壤含水量的試驗(yàn)，通過(guò)改變上層土壤層的厚度來(lái)測(cè)試GPR地面波的探測(cè)深度，結(jié)果表明GPR地面波在上層土壤干燥下層土壤濕潤(rùn)的模式下的探測(cè)深度比上層土壤濕潤(rùn)下層土壤干燥模式的探測(cè)深度大；GPR地面波的探測(cè)深度和所使用頻率呈負(fù)相關(guān)，并且給出了通過(guò)試驗(yàn)擬合的上層干燥下層濕潤(rùn)和上層濕潤(rùn)下層干燥2種模式下GPR探測(cè)深度和頻率的線性方程，且具有很高的相關(guān)性；同時(shí)發(fā)現(xiàn)在450 MHz天線條件下，不同的電導(dǎo)率并沒(méi)有對(duì)GPR地面波的探測(cè)深度產(chǎn)生明顯的影響[31]。Galagedara等通過(guò)GPR數(shù)據(jù)和一系列探針長(zhǎng)度的TDR數(shù)據(jù)作比較，指出在灌溉過(guò)程中，地面直達(dá)波的采樣深度在距離地表0.1～0.5 m之間；在同一試驗(yàn)中還利用土壤濕潤(rùn)峰移動(dòng)的理論來(lái)研究GPR在灌溉過(guò)程中的探測(cè)深度，并指出450 MHz天線在灌溉條件下的探測(cè)深度小于0.56 m[32]。Grote等也通過(guò)試驗(yàn)的方法探究250、500、1 000 MHz的天線在沙土中的探測(cè)深度，試驗(yàn)結(jié)果表明，地面波的探測(cè)深度和使用的頻率成正比，在濕潤(rùn)土壤中的探測(cè)深度要比干燥土壤小一些，但是探測(cè)深度對(duì)土壤濕度的依賴程度遠(yuǎn)比通過(guò)數(shù)字模擬預(yù)期的小；在該試驗(yàn)中探測(cè)的最小深度出現(xiàn)在利用1 000 MHz天線在濕潤(rùn)土壤中測(cè)量的情況下，深度為12 cm，探測(cè)的最大深度出現(xiàn)在利用250 MHz在干燥土壤測(cè)量的情況下，深度為30 cm[33]。通過(guò)控制條件試驗(yàn)以及大量的農(nóng)田試驗(yàn)給出探地雷達(dá)測(cè)量地表土壤含水量參考深度的可行途徑。

4總結(jié)與展望

理論研究和大量的應(yīng)用實(shí)踐表明，探地雷達(dá)（GPR）是測(cè)量區(qū)域土壤含水量的潛有力工具?，F(xiàn)階段基于探地雷達(dá)測(cè)量地表土壤含水量的方法中，反射波法是一種發(fā)展相對(duì)成熟且應(yīng)用較多的方法。而在農(nóng)業(yè)和水文領(lǐng)域地面波法的研究和應(yīng)用更多，尤其在農(nóng)田尺度上開(kāi)展土壤含水量監(jiān)測(cè)，因?yàn)榈孛娌ǚú恍枰叵掠忻黠@的反射層作為輔助條件，地面波法比反射波法更容易推廣使用。地表反射系數(shù)法測(cè)量地表土壤含水量的研究和應(yīng)用還相對(duì)較少，但是這種方法具有更加獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@種方法是和地表非接觸測(cè)量，可以憑借地面移動(dòng)裝置或飛行平臺(tái)更加容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤含水量監(jiān)測(cè)，并且可以應(yīng)用到地表有低矮植被覆蓋的環(huán)境條件下，適合于混合下墊面的測(cè)量。同時(shí)，鑒于探地雷達(dá)地表反射系數(shù)法可以更加快速獲取中小尺度區(qū)域土壤含水量空間數(shù)據(jù)，且地表反射系數(shù)法的機(jī)理和星（機(jī)）載主動(dòng)微波遙感有相似之處，這種方法可以發(fā)展成為目前遙感反演土壤含水量的理想地面驗(yàn)證手段[14，34]。endprint

近幾年來(lái)，探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)地表土壤含水量的研究應(yīng)用工作取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但在農(nóng)業(yè)、水文等領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用推廣仍有較大的改進(jìn)空間，有多個(gè)技術(shù)瓶頸問(wèn)題須要解決如地表粗糙度的影響，非均勻土壤介質(zhì)條件下獲取的土壤含水量所代表的深度、空間分辨率以及植被覆蓋的影響等。另外，為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，還須要在包括Topp公式在內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的ε-θ關(guān)系基礎(chǔ)上，針對(duì)不同探地雷達(dá)天線頻率、不同土壤基質(zhì)等建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)或物理ε-θ關(guān)系模型[35]。傳統(tǒng)的小尺度（點(diǎn)測(cè)量）測(cè)量數(shù)據(jù)和探地雷達(dá)測(cè)量的土壤含水量數(shù)據(jù)之間，由于觀測(cè)尺度的差異會(huì)導(dǎo)致明顯的驗(yàn)證誤差，因此也有必要設(shè)計(jì)更多的控制條件試驗(yàn)為GPR技術(shù)提供更加可信的驗(yàn)證途徑。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、試驗(yàn)條件的改善以及國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，探地雷達(dá)可以成為中小尺度測(cè)量地表土壤含水量的一種更加有效的手段。

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