基于探地雷达技术的乌鲁木齐河流域土壤水分时空分布研究

By selecting the Urumqi Region for experimental observations, the study will consider the typical arid landscapes and soil characteristics of different types, and use ground-penetrating radar (GPR) to monitor soil water content and its distribution rapidly and successively, also the time domain reflectometry (TDR) and gravimetric sampling method will be used synchronously measure to validate the accuracy of GPR method; introduce some corresponding parameters into the existing GPR soil dielectric permittivity models and establish a arid-characteristic model relating to soil dielectric permittivity and water content by combing control simulations and field measurements, aiming at improving the models' accuracy and applicability and forming a technical system of GPR measuring soil moisture in arid areas for breakthroughing new techniques and methods for integrated monitoring of soil moisture dynamically in large scale; obtain a number of measured soil moisture data of the region from field, study the spatial-temporal distribution of the variation of soil moisture in different sites, and analyze the environmental factors and process which affect the distribution of soil moisture at different scales in arid area; establish the Urumqi regional information management system on soil water content in different sites, to provide a reliable scientific basis for regional water management, desert vegetation protection, precision agriculture, and water-saving irrigation.

本研究选取乌鲁木齐流域为实验观测场，针对干旱区几种典型景观和特征土壤类型，利用探地雷达（GPR）快速连续地监测土壤含水量及其分布状况，并利用时域反射仪(TDR)和重力取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精确性；采用控制模拟实验和野外实地测量相结合方法，引入相应参数对现有探地雷达测量土壤介电常数模型进行改进，并建立具有干旱区特征的土壤介电常数与含水量的关系模型，提高测量精度，增强模型适用性，从而建立适用于干旱区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提供新的技术与方法；通过野外测量获取流域土壤水分的实测数据，研究流域不同景观区的土壤含水量时空分布变化规律，从不同尺度分析干旱区流域影响土壤水分时空分布的环境因素和驱动过程；建立乌鲁木齐河流域的各典型景观区土壤含水量的信息管理系统，为流域水资源管理、荒漠植被保护、精准农业和节水灌溉提供可靠的科学依。

本研究以乌鲁木齐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。主要研究内容与结论如下：.（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。（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）利用探地雷达地面数据，结合地形因子和植被等因素，分析各分区主导当时土壤水分分布的主要因素。（5）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。.综上所述，本研究在野外实测基础上通过模拟控制实验对现有探地雷达的方法和模型进行了改进，并以探地雷达的测量为基础，结合其他测量手段获取了从点、线、面不同空间和时间尺度上的干旱区流域土壤水分数据，从不同尺度上对干旱区流域土壤水分分布及其影响因素进行分析研究，分别为干旱区土壤水分测量方法和尺度分析方面提供了新的技术支持和研究参考。