基于探地雷達(dá)的典型土壤物理性質(zhì)探測(cè)研究進(jìn)展

羅古拜 曹銀貴 況欣宇

摘要：探地雷達(dá)（GPR）作為一種新型的無損探測(cè)工具，具有探測(cè)速度快、探測(cè)過程連續(xù)、操作簡(jiǎn)單，探測(cè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)在工程勘探方面應(yīng)用廣泛，但在探測(cè)典型土壤物理性質(zhì)，尤其是在探測(cè)礦區(qū)典型土壤物理性質(zhì)方面的應(yīng)用研究較少。本文在介紹GPR基本工作原理、發(fā)展歷程及其圖像處理研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)基于GPR的典型土壤物理性質(zhì)探測(cè)研究進(jìn)展作詳盡文獻(xiàn)分析，最后闡述基于GPR的礦區(qū)復(fù)墾土壤典型物理性質(zhì)的研究進(jìn)展，并對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)典型土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了展望，指出基于GPR對(duì)典型土壤物理性質(zhì)的研究應(yīng)主要集中于GPR圖像處理技術(shù)、GPR的分辨率及探測(cè)效果評(píng)價(jià)等方面。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);土壤含水量;土壤容重;土層厚度;土壤質(zhì)地;土壤礫石含量;土地復(fù)墾

中圖分類號(hào)：S152 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）14-0040-05

采用無損探測(cè)技術(shù)獲取地下目標(biāo)物的信息是當(dāng)前探測(cè)研究的熱點(diǎn)[1]。探地雷達(dá)（GPR）在水文、工程、環(huán)境等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它可以高效、準(zhǔn)確地探測(cè)地下空洞[2-3]，可用于評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性和探測(cè)地基中的各種潛在危害[4]，同時(shí)可準(zhǔn)確探測(cè)水位埋深和估算地下水表面[5]，對(duì)地下污染物位置、類型等的探測(cè)有較高的精度[6]。國內(nèi)外關(guān)于探地雷達(dá)在土壤探測(cè)方面的應(yīng)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(zhì)地、土層厚度、土壤容重等的探測(cè)方面[12-16]。而在礦區(qū)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)探測(cè)方面的應(yīng)用較少。在礦區(qū)土壤重構(gòu)過程中，由于土石混排及造地復(fù)墾工藝影響，導(dǎo)致復(fù)墾地土壤剖面出現(xiàn)土層厚度差異明顯、土壤質(zhì)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(xiàn)象，這些成為重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)，并且其深層次分異特征成為研究的焦點(diǎn)，對(duì)明晰土壤重構(gòu)原理具有重要的支撐作用[17-19]。通過探地雷達(dá)開展重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)的無損探測(cè)，可以充分降低傳統(tǒng)方法獲取土壤物理性質(zhì)的成本和時(shí)間。因此，基于探地雷達(dá)探測(cè)土壤的物理性質(zhì)具有一定的實(shí)際意義。

各種復(fù)墾土壤的介電常數(shù)與水分含量間存在明顯的函數(shù)相關(guān)性，應(yīng)用探地雷達(dá)測(cè)定復(fù)墾土壤的水分含量在方法上是可行的[8]。采用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)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(cè)效果，為工程建設(shè)、規(guī)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(jìn)行定性分析。礫石含量的檢測(cè)需要考慮雷達(dá)的分辨率。因此，利用探地雷達(dá)探測(cè)礦區(qū)土壤的物理性質(zhì)，進(jìn)而評(píng)估植被生長(zhǎng)情況更加方便快捷。

1 探地雷達(dá)的工作原理和組成

1.1 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)方法是利用電磁波的反射來區(qū)分地下介質(zhì)的一種無損探測(cè)技術(shù)，具有高分辨率、高準(zhǔn)確率、快速、方便、高效等優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到區(qū)分介質(zhì)的目的[21-23]。探地雷達(dá)的探測(cè)系統(tǒng)主要包含發(fā)射天線和接收天線、雷達(dá)主機(jī)[22]，發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，接收天線接收介質(zhì)分界面處的反射波，主機(jī)負(fù)責(zé)控制信號(hào)，且對(duì)反射回來的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[23]。不同介質(zhì)介電常數(shù)存在差異，電磁波在介電常數(shù)改變的界面?zhèn)鞑r(shí)，傳播特性會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)電磁波雙程走時(shí)、振幅與波形產(chǎn)生的改變，可反演目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)[24]，其工作原理如圖1所示。

1.2 探地雷達(dá)技術(shù)的形成與發(fā)展

20世紀(jì)初，Hülsmeyer首先將電磁信號(hào)用于金屬探測(cè)[26]。雷達(dá)技術(shù)從20世紀(jì)20年代發(fā)展到21世紀(jì)初，已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)和民用事業(yè)[27]。1926年，Hülsenbeck第1次提出用脈沖電磁波技術(shù)探測(cè)地下目標(biāo)體結(jié)構(gòu)[28-30]。Lowy首先以專利的形式提出了探地雷達(dá)探測(cè)原理[26]。20世紀(jì)60年代，世界上最早的探地雷達(dá)設(shè)備誕生于美國，被用于公路路基下的溶洞探測(cè)及采礦試驗(yàn)[31]。1983年， 探地雷達(dá)SIR-10H實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下目標(biāo)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(yè)雷達(dá)[31]。20世紀(jì)90年代前期，國內(nèi)雷達(dá)研究基本處于空白狀態(tài)，隨著國外儀器的引入，探地雷達(dá)技術(shù)在我國得到了一定的發(fā)展，如國內(nèi)LT-1、CBS-9000系列探地雷達(dá)的制造[29]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理技術(shù)日益成熟，探地雷達(dá)應(yīng)用范圍涉及各行各業(yè)。探地雷達(dá)在探測(cè)礦井和冰層厚度、黏土物理性質(zhì)、地下水水位埋深、工程地質(zhì)勘察、泥炭調(diào)查、放射性廢棄物處理調(diào)查以及地質(zhì)構(gòu)造填圖、水文地質(zhì)調(diào)查、地基和道路下空洞及裂縫調(diào)查、埋設(shè)物探測(cè)、水壩的缺陷檢測(cè)、隧道及堤岸探測(cè)的等方面得到了一定的應(yīng)用[32-36]。

1.3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

GPR不同于對(duì)空雷達(dá)，由于地下介質(zhì)的多樣性，使得其發(fā)射的電磁波傳播過程很復(fù)雜。振幅減小、波形變異外加噪音和干擾波的影響，嚴(yán)重扭曲了真實(shí)數(shù)據(jù)[31]。而數(shù)據(jù)處理可以在一定程度上剔除干擾波，凸顯目標(biāo)介質(zhì)的反射波。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)大多是從地震處理方法中移植過來的，其研究還處于初級(jí)階段。靜態(tài)模擬分解（EMD）對(duì)低信噪比數(shù)據(jù)除燥有較強(qiáng)的適應(yīng)性[37]。希爾伯特（Hilbert）變換作為一種信號(hào)處理的手段，能消除背景干擾，增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性[32-33]。運(yùn)用偏移的數(shù)據(jù)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(shí)剖面[34]。

數(shù)據(jù)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(jié)果的可靠性與準(zhǔn)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(xì)化分析等特點(diǎn)，以最大分辨率在探地雷達(dá)剖面上顯示目標(biāo)體反射波，便于提取反射波的參數(shù)（振幅、相位、頻率等）來解釋介質(zhì)的特性[14]。偏移主要是為了解決點(diǎn)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(shù)（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(dá)對(duì)土壤物理性質(zhì)的探測(cè)

由于重構(gòu)土壤典型物理性質(zhì)空間分異特征明顯及形成條件復(fù)雜[41-42]，傳統(tǒng)的土壤采樣方法由于復(fù)墾地障礙會(huì)限制采樣深度和采樣質(zhì)量，給科學(xué)合理地揭示重物土壤物理性質(zhì)空間分異特征與形成機(jī)制帶來了一定的困難[43-44]。國內(nèi)外探地雷達(dá)在土壤探測(cè)方面的應(yīng)用逐漸展開。利用探地雷達(dá)可以準(zhǔn)確地測(cè)定土壤含水量，并能反饋出含水量時(shí)空變化的差異[45]。在合理選擇探地雷達(dá)頻率的情況下可以探測(cè)出土壤不同顆粒的大小，確定土壤質(zhì)地[46]。在土壤厚度及分層探測(cè)方面，探地雷達(dá)表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)[38]，可以在土地復(fù)墾工程中對(duì)土層厚度進(jìn)行驗(yàn)收[46]。探地雷達(dá)可以探測(cè)土壤容重，其準(zhǔn)確度可達(dá)70%以上，并且還有很大的提升空間[47-48]。探地雷達(dá)在土壤礫石含量探測(cè)方面應(yīng)用較少，只從試驗(yàn)分析的角度開展過評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，但已經(jīng)證明其應(yīng)用的可能性[49]?？梢?，探地雷達(dá)在相關(guān)土壤物理性質(zhì)探測(cè)方面的研究已經(jīng)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(dá)技術(shù)作為一種無破壞性的探測(cè)含水層異質(zhì)性工具，其應(yīng)用范圍較廣。探地雷達(dá)是目前最有效的大面積測(cè)定土壤含水量的方法之一[49]。有研究成功地將探地雷達(dá)技術(shù)用于路基含水率和復(fù)墾土壤含水率的探測(cè)[50]。探地雷達(dá)具有檢測(cè)高效的特點(diǎn)，能夠獲得連續(xù)的壩體剖面且對(duì)壩體結(jié)構(gòu)無破壞作用，能夠應(yīng)用于水利工程行業(yè)[51]。探地雷達(dá)在遙感反演土壤水模型與精度驗(yàn)證方面比時(shí)域反射技術(shù)（TDR）、烘干法更有優(yōu)勢(shì)，其在遙感產(chǎn)品驗(yàn)證、土壤水分時(shí)間穩(wěn)定性分析等其他水文相關(guān)應(yīng)用中更有潛力[52]。目前，常借助探地雷達(dá)求土壤含水率的方法有發(fā)射波法、反射系數(shù)法、地波法和鉆孔雷達(dá)法，每種方法都有其適用的介質(zhì)和不足[53]。探地雷達(dá)探測(cè)土壤水含量有一定的可行性，但在探測(cè)精度和含水量的確定方面仍需加強(qiáng)研究[54]?？梢?，探地雷達(dá)在探測(cè)土壤水含量方面的應(yīng)用有很多，且技術(shù)日趨成熟，但要準(zhǔn)確定量探測(cè)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(zhǎng)綠色植物的疏松物質(zhì)，不同的土壤類型，分層不同，不同類型土壤及分層厚度對(duì)植被的生長(zhǎng)狀況影響不同。在GPR探測(cè)土壤分層方面有大量研究。范洪利等將探地雷達(dá)技術(shù)用于探測(cè)礦區(qū)土壤地層，且探測(cè)成功率很高[55]。孫堅(jiān)等通過試驗(yàn)證明，用探地雷達(dá)可用于土壤分層的探測(cè)[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(dá)輕易地測(cè)出[57]。雖然探地雷達(dá)在土壤分層探測(cè)方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)比較復(fù)雜，巖層中存在較多介電常數(shù)較大的土壤水、淤泥、黏土等時(shí)，探測(cè)的分辨率會(huì)減小。對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理技術(shù)可以有效探測(cè)土壤中的分層變化[58]。國內(nèi)外各種室內(nèi)試驗(yàn)表明，可用于土壤層次探測(cè)，但在實(shí)際工程中想得到預(yù)期結(jié)果還有許多工作要做[21，37]。對(duì)點(diǎn)壩淺部探地雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，GPR圖像中分層信息清晰，與測(cè)區(qū)地層剖面基本吻合[54]。綜上，探地雷達(dá)技術(shù)可用于土壤分層探測(cè)的實(shí)際工程中，但在遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(duì)土壤肥力有重要的影響，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)狀況，甚至一個(gè)地區(qū)的生態(tài)，可見，對(duì)土壤中礫石含量進(jìn)行探測(cè)有一定的積極意義。基于探地雷達(dá)技術(shù)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(cè)提供了依據(jù)[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(qū)分礫石和細(xì)土仍需進(jìn)一步研究[60]。對(duì)礫石大小的探測(cè)主要取決于探地雷達(dá)的頻率及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，頻率越大，探測(cè)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(dá)探測(cè)河流沉積物，在雷達(dá)剖面層呈現(xiàn)了從細(xì)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(dá)信號(hào)中的低頻成分濾掉，可有效保護(hù)高頻成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄層的識(shí)別[62-63]。通過分形技術(shù)濾掉低頻信號(hào)，不僅能清晰地呈現(xiàn)出墻體及其保護(hù)層分界面處的反射信息，而且可得到混凝土墻體的保護(hù)層厚度[64]?？梢?，特定頻率的探地雷達(dá)能夠探測(cè)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(shí)程度，密實(shí)程度過高會(huì)嚴(yán)重降低作物的生產(chǎn)力，探地雷達(dá)目前被用于測(cè)定土壤、路基和地基等壓實(shí)度，因此利用探地雷達(dá)對(duì)土壤容重的進(jìn)行探測(cè)有一定的實(shí)際意義[51，63]。常通過電磁波波速、土壤介電常數(shù)、GPR探測(cè)信號(hào)圖振幅、土壤物理性質(zhì)孔隙度、含水率等與容重的關(guān)系定量分析土壤容重。另外，可通過孔隙度、密度與實(shí)測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)頻率、振幅的關(guān)系反演土壤容重，但效果相對(duì)較差[39]。土壤壓實(shí)程度可以表現(xiàn)在介電常數(shù)的變化上[36]。借助電磁波波速與土壤容重的關(guān)系可獲取土壤容重，借助介電常數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)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(guān)于其準(zhǔn)確性及誤差修正方法的研究較少。

2.5 土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地指土壤中不同大小礦物顆粒的組合狀況[1]。土壤質(zhì)地與土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易密切相關(guān)，因此土壤質(zhì)地對(duì)植被的生長(zhǎng)具有一定影響。如果能實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)對(duì)質(zhì)地的探測(cè)，將能更方便準(zhǔn)確地確定植被與土壤的耦合關(guān)系。目前，基于探地雷達(dá)對(duì)土壤質(zhì)地的探測(cè)研究較少，且地下介質(zhì)本身的復(fù)雜性，給這項(xiàng)研究帶來了一定的困難。有研究者通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)得出，受試驗(yàn)精度的影響，探地雷達(dá)技術(shù)不能很好地用于土壤礫石相對(duì)容積的探測(cè)[67]。因某些系統(tǒng)誤差不可避免，用探地雷達(dá)探測(cè)礫石含量達(dá)不到預(yù)期效果。

3 GPR礦區(qū)復(fù)墾地探測(cè)特點(diǎn)及進(jìn)展

3.1 GPR礦區(qū)復(fù)墾地探測(cè)的特點(diǎn)

礦區(qū)復(fù)墾土壤是一種典型的新生土壤，其母質(zhì)來源于不同地質(zhì)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(gòu)土壤土層厚度差異明顯、質(zhì)地不均一，復(fù)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(fù)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(dǎo)致礦區(qū)植被恢復(fù)效果欠佳，甚至出現(xiàn)局部退化現(xiàn)象[68-72]。

礦區(qū)重構(gòu)土壤與原地貌相比具有典型的物理性質(zhì)，探地雷達(dá)對(duì)二者的探測(cè)結(jié)果不同[73]。與未擾動(dòng)的土壤相比，復(fù)墾后1年的土壤緊實(shí)度最大，復(fù)墾區(qū)土壤板結(jié)情況嚴(yán)重，不宜耕作;復(fù)墾后10年的土壤緊實(shí)度與未擾動(dòng)的土壤相比差異不大[70]。受造土工藝的影響，重構(gòu)土壤典型土壤物理性質(zhì)沿土壤剖面垂直方向上的分異特征顯著[43，72，74]。通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理可以有效探測(cè)土壤土層分層情況[8]。礦區(qū)復(fù)墾土地邊坡存在水土流失現(xiàn)象，說明重構(gòu)土壤比較密實(shí)，與原地貌相比其儲(chǔ)水能力和入滲能力都較小。胡振琪等通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了土壤介質(zhì)中介電常數(shù)與土壤含水量存在線性關(guān)系，證明采用探地雷達(dá)探測(cè)重構(gòu)土壤含水量的方法可行[8]。

3.2 GPR礦區(qū)復(fù)墾地探測(cè)進(jìn)展

我國露天煤礦在開采過程中，原地貌土地在劇烈的擾動(dòng)下徹底損毀，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活因此受到威脅。目前我國礦區(qū)廢棄地復(fù)墾率不足25%，不到美國、澳大利亞等國家的1/3[75]。土壤重構(gòu)是礦區(qū)土壤復(fù)墾的核心[76]。在土壤重構(gòu)過程中，受復(fù)墾工藝的影響，復(fù)墾土壤剖面會(huì)出現(xiàn)土壤厚度差異明顯、土壤質(zhì)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(xiàn)象，這種差異對(duì)植被生長(zhǎng)狀況有一定的影響。排土場(chǎng)復(fù)墾后出現(xiàn)了局部退化的現(xiàn)象[77]。因此，加強(qiáng)礦區(qū)，排土場(chǎng)等廢棄地復(fù)墾工藝的研究有非常積極的意義。

探地雷達(dá)技術(shù)在水文、工程、環(huán)境等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[29]，其在土壤復(fù)墾方面的研究也在逐漸開展。

只要采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分層，探地雷達(dá)就可以有效地檢測(cè)到復(fù)墾土壤的分層結(jié)構(gòu)狀況。探地雷達(dá)能夠有效探測(cè)土層結(jié)構(gòu)，可以用于土地復(fù)墾工程土層厚度的驗(yàn)收工作[8，78]。杜翠等用層析成像的方法探測(cè)土壤分層，并認(rèn)為該方法用于大范圍土壤分層探測(cè)具有一定的可行性和有效性[79]。頻率為400 MHz的探地雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)氣煤-砂巖界面的探測(cè)，且誤差較小[80]。

復(fù)墾土壤的介電常數(shù)與水分含量間存在明顯的函數(shù)相關(guān)性，應(yīng)用GPR測(cè)定復(fù)墾土壤的含水量，在方法上是可行。陳星彤等通過試驗(yàn)手段得到了基于GPR的復(fù)墾田塊有效灌溉管理關(guān)鍵技術(shù)[81]。探地雷達(dá)可用于探測(cè)開采后礦區(qū)地表土壤水分再分布情況，這為塌陷區(qū)復(fù)墾提供了科學(xué)依據(jù)[82]。

使用探地雷達(dá)檢測(cè)土壤緊實(shí)性的研究具有較高的創(chuàng)新性、可行性和準(zhǔn)確性[83]。土壤介電常數(shù)與土壤壓實(shí)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，可以表征土壤壓實(shí)狀況[78]。探地雷達(dá)探測(cè)土壤容重的準(zhǔn)確度可達(dá)到70%以上，在土壤非飽和水分情況下，探地雷達(dá)電磁波的傳播速度與土壤容重存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.933[84]。

探地雷達(dá)探測(cè)可用于評(píng)價(jià)礫石層的非均質(zhì)性[57]，如卵礫石層具有一定規(guī)模，可將探地雷達(dá)技術(shù)用在卵礫石層地基勘察中[85]。由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性，即使徑商業(yè)軟件處理過的高精度GPR圖像，在細(xì)粒土和礫石區(qū)分上仍有一定的難度[60]。將探地雷達(dá)用于礦區(qū)重構(gòu)土壤礫石含量和質(zhì)地探測(cè)方面的研究甚少。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

探地雷達(dá)是一種基于電磁波反射技術(shù)確定地下介質(zhì)分布的技術(shù)，隨著GPR數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提升，逐漸被廣泛用于工程勘探領(lǐng)域，胡振琪等2005年最早將探地雷達(dá)用于礦區(qū)重構(gòu)土壤物理性質(zhì)的探測(cè)[8]。

因水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于其他介質(zhì)，易區(qū)別于其他介質(zhì)，因此探地雷達(dá)被廣泛用于土壤水含量檢測(cè)、水泥混凝土路面改造和各種水工結(jié)構(gòu)工程中。探地雷達(dá)方法已被證明可用于礦區(qū)重構(gòu)土壤含水率的探測(cè)。探地雷達(dá)對(duì)容重或壓實(shí)度的探測(cè)在公路路基壓實(shí)、隧道襯砌和橋梁密實(shí)方面已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，在復(fù)墾土壤容重方面也取得了一定進(jìn)展，可用電磁波波速和土壤容重的關(guān)系定量確定土壤容重。在確定土壤分層方面當(dāng)頻率適當(dāng)時(shí)，基本能清晰得到土層厚度。由于不同類型土壤的介電常數(shù)相近且土壤顆粒細(xì)小，加上地下介質(zhì)復(fù)雜，因此目前只能從信號(hào)圖中分析出不同類型土壤的分層。在探地雷達(dá)頻率恰當(dāng)?shù)那闆r下，基本能探測(cè)出地下粒徑為10 cm的礫石。

4.2 展望

隨著探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)探測(cè)土壤典型物理性質(zhì)的精度將會(huì)進(jìn)一步提升。探地雷達(dá)技術(shù)準(zhǔn)確探測(cè)典型土壤物理性質(zhì)將成為可能。

（1）土壤水等介電常數(shù)較大的介質(zhì)對(duì)探測(cè)效果影響較大，數(shù)據(jù)處理技術(shù)需在處理高介電常數(shù)對(duì)低介電常數(shù)影響方面有所提升。

（2）探地雷達(dá)技術(shù)可用于土壤含水率的定量探測(cè)，探測(cè)精度主要取決于標(biāo)定的深度，需要進(jìn)一步提高。

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

（4）對(duì)土壤礫石含量和土壤質(zhì)地的探測(cè)目前研究較少，其原因是探地雷達(dá)的分辨率無法辨別礫石及粒徑大小。若要將該技術(shù)用于探測(cè)細(xì)粒土，其分辨率的提高是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。

綜上，因地下介質(zhì)的復(fù)雜性，探地雷達(dá)對(duì)土壤含水率、分層和容重探測(cè)的準(zhǔn)確性取決于數(shù)據(jù)處理技術(shù)。雖然目前關(guān)于探地雷達(dá)對(duì)土壤質(zhì)地和土壤礫石含量探測(cè)方面的研究很少，但只要能提高探地雷達(dá)的分辨率就有可能將其用于區(qū)分細(xì)土與礫石，進(jìn)而用于土壤質(zhì)地的探測(cè)。目前對(duì)GPR探測(cè)效果、準(zhǔn)確度及誤差修正的研究較少，且沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，期望今后在這方面有所突破。

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