3D探底雷达资料.docx

简介
探地雷达作为一种方便、非破坏性的获取地下信息的方式,已经成功的应用于工程领域例如探测与定位地下目标(例如地雷,管道和电缆)[1-4];尽管已经有了很多新奇的方法用来探测植被的树根系统[5–9];在最近十年里,GPR已经成为一种广泛应用于探测粗的树根和估计树根数量的方式。尤其,学者Guo et ,并且总结了不同的方法和实验关于从在约束条件下获得的GPR数据中探测和定量分析树根。使用GPR探测树根的主要目的是从GPR的剖面图中提取树根和重构树根系统模型。学者Hruska et 。尽管这个3D图是基于经过信号处理后的不同GPR剖视图手工绘制的,但是它依然证明了用GPR技术探测树根系统的可行性;后来,许多关于使用GPR进行树根系统的3D重构的文章陆续发表[11–13]。然而,通常扫描间隔太稀疏而不满足Nyquist空间采样定理,这将造成三维成像结果的空间混叠。实际上,这些上述方法也说明了在这个领域,只有粗的树根可以检测,而细的树根聚类不具有单个检测性。此外,Hirano et 、树根的水含量和树根间隙。除了使用GPR进行树根系统的结构重构,估计树根数量对于了解在陆地生态系统中碳含量有重要意义。一般来说,使用GPR进行树根数量估计可以分为两种方法[10]:一种是通过GPR反射强度度量直接估计粗的树根数量;另一种首先估计粗的树根直径,然后结合关于树根密度的先验信息间接估计树根的数量。对于第一种方法,由GPR剖面图计算出来的一些度量经过位移和希尔伯特变换被证明和树根数量有关系,其中包括区内的阈值范围(门限范围内的面积),在阈值范围内的像素,像素平均强度和高振幅的地区,等等[15–17].第二类方法主要基于树根的形状为圆柱的假设。Cui et ,并且证明了树根数量估计等同于树根直径估计[18]。一些类似的指标例如高振幅区域、在门限范围内的零相交波形和像素之间的时间间隙也被证实和树根直径有关[14,15,20]。因此,通过这些提取的参数来建立一些线性或多阶衰竭模型来估计树根直径[18,19]。在最近几年,GPR技术越来越受关注,同时被广泛应用树根系统研究中。因此它也成为GPR的一个重要的应用[21-25]。
在该区域中的泥土是一种典型的混杂、有损的复杂媒介,同时它的电导率是随着不同的水含量呈现剧烈变换的。树根是一种具有大长度直径比的拟圆柱结构。通过GPR探测树根的反射率强弱程度依赖于泥土和树根之间的电导率对比、树根的方向、所使用天线的中心频率等等。泥土和树根之间的电导率对比越强,发射率越大和反射剧烈程度越强[6,7],这个性质更加有利于树根探测。对于树根探测,树根的朝向也是一个重要的因素,它引出了关于圆柱目标的去极化影响。当扫描方向垂直于树根朝向,将获得最强的放射剧烈程度;否则,它会减弱[23,33]。通常情况下,GPR的中心频率越高,可以使得重构的分辨率越好,但是它同样会造成严重的回波能量损失。这些因素导致在田野条件下树根研究比在受控制条件(例如沙坑)下更具有挑战性。
在以前的研究中,对于树根探测和数量估计得重要因素都是在最优条件下获得的,所以它证明了用GPR进行树根探测在该领域是有挑战性的。此外,这些作品通常检测和分析树的根基于一个特定的数据分布,探地雷达的扫描线是垂直于根样品。然而,依然没有关于使用GPR去研究树根系统全分辨率三维分布的研究。随着这几年设备技术和信号处理技术的发展,一些新的三维GPR系统被广泛应用于地球物理和考古学中,这种系统是在传统GPR系统上级联了高正确率的定位系统[28-31]。Sato实验室(日本东北大学)使用一种新的三维GPR系统来测量树根和获取三维GPR数据集,该系统把一个便携式旋转激光定位系统集成到商业GPR上[32,33],这个定位系统可以通过天线精确地测量x
轴、y轴和z轴坐标,无论天线是静止的还是运动的,因此,它是一种方便的获得树根全分辨率图像的方式,同时节约了很多测量时间[28]。在过去的两年中,已经提出好多基于该领域的关于测量树根的方法,同时已经获取很多三维数据集。然而,缺少有效的从三维数据集中检测树根和计算树根数量的方法依然是目前的主要问题。
本研究的目的是提出一种有效的从三维GPR中获得的三维数据中勾画出树根结构的检测方法,同时提出一些在田野情况下估计树根数量(包含单树根数量和在特定深度下总的数股数量)的合理指标。为了达到这个目标,提出了一种在泥土条件下的使用三维GPR探测说的方法,和一树的根是挖探地雷达测量后收集的根系生物量的信息。此外,该研究还主要说明