利用探地雷达测量干旱区土壤水分的关键技术研究

土壤水分是干旱区植物和作物赖以生存的主要源泉，决定着植物或作物根系的发育。相对于传统的点测方法和大面积的遥感反演，探地雷达为土壤水分快速连续监测提供了一种中间尺度的有效手段，这对于研究干旱区土壤水分过程、保护荒漠植被、大尺度精准农业的水分调节及节水灌溉具有重要意义。.本研究拟以天山北坡三工河流域为研究区，构建多通道探地雷达（GPR）测量土壤介电常数和含水量的关系模型，同时利用时域反射仪（TDR）和重力采样法进行同步样点测量，来校验探地雷达测量方法的有效性和测量精度；利用模拟控制实验和野外实地测量相结合的手段，对探地雷达测量过程中出现的一系列技术问题进行探讨，并对探地雷达在干旱区不同景观和土壤类型下工作的适用性进行评价，进一步研究探地雷达推广应用中的技术难题，最终形成一套行之有效的探地雷达测量土壤水分的技术体系，为突破大范围动态土壤水分综合监测技术提供创新的技术与方法。

干旱区属于生态脆弱区，由于水资源匮乏，土壤中的水分是干旱区植物和作物赖以生存的主要源泉，决定着植物或作物根系的发育。相对于传统的点测方法和大面积的遥感反演，探地雷达为土壤水分快速连续监测提供了一种中间尺度的有效手段，这对于研究干旱区土壤水分过程、保护荒漠植被、大尺度精准农业的水分调节及节水灌溉具有重要意义。.本项目以乌鲁木齐河-三工河流域的土壤水分为研究对象，针对该流域内不同景观和土壤类型，选取多个实验样区，分别利用探地雷达、时域反射仪和烘干称重法进行地面同步测量，校验探地雷达方法在干旱区内陆河流域的有效精度和适宜性，并对现有模型进行改进；同时利用同期遥感影像反演土壤干旱指数来获取流域尺度上的土壤水分分布数据，通过地面各类数据和遥感干旱指数之间的相互对比验证，分析研究干旱区流域土壤水分在空间及时间尺度上的异质性，并探讨干旱区内陆河流域在不同空间和时间尺度上影响土壤水分布的主要环境因素和过程。.主要研究成果如下：.（1）通过对内陆河流域典型景观和土壤类型进行分析，在流域内选取了9个实验分区进行野外测量。研究发现，除系统本身存在的天线间距、频率、采样精度外，在实测过程中地形起伏、植被地上部分及根系、土壤盐分和电导率、土壤湿度、土壤结构等环境因素均会对探地雷达的测量结果产生影响，并根据地形、植被、土壤类型、土壤盐渍化程度等因素进行叠加分析，绘制了流域探地雷达适宜性分级图。.（2）针对四通道探地雷达系统的两个外部通道的测量结果进行差异分析，发现短通道则因天线间距的不同的产生明显结果位移，并与天线间距之间以分段幂函数形式明显相关。因此引入天线间距作为模型参数，改进了现有地面直达波的模型公式，对短通道数据分别进行重新标定。.（3）在各实验分区利用探地雷达获取土壤水分的连续分布数据，与同步时域反射仪、土样烘干称重法测量的数据进行对比，评价其测量精度，认为探地雷达地面直达波数据与TDR 10 cm的结果最为一致，而反射波数据与TDR反射层之上的平均土壤水分相差远小于0.01。.（4）对比分析遥感反演的MPDI数据和GPR地面实测数据，发现MPDI数据在较大范围内可以反映地表土壤水分的分布及变化趋势，但由于遥感影像在获取时对地表状况进行了像元内平均化处理，因而对应到地面真实情况时，与更高分辨的地面测量数据之间存在一定的偏差。