一種復墾土壤剖面的精細表達方法
【專利摘要】本發明公開了一種復墾土壤剖面的精細表達方法，以探地雷達無損探測技術為主要手段，準確完整的表達土地復墾中重構土壤的剖面信息。該方法包括：布設等間距的探地雷達測線網，利用高頻探地雷達系統獲取復墾土壤的雷達圖像；建立基于形態學的濾波處理方法，弱化雜波對分層信息的干擾；通過雷達圖像處理與采樣道能量梯度變化，提取復墾土壤的分層屬性；在此基礎上，開挖典型剖面，以此作為經驗數據，與對應的雷達圖像的分層情況進行對比分析，并結合各分層土壤的特征，實現全工區土壤剖面的精細表達，可為土地復墾工程質量的驗收提供一種快速方法。
【專利說明】
一種復墾土壤剖面的精細表達方法
技術領域
[0001] 本發明涉及工程環境的監測技術領域，特別涉及土地開發整理工程中的復墾土壤 剖面的精細表達方法。
【背景技術】
[0002] 中國統計年鑒近五年的數據表明，我國煤炭行業的年產量業已突破35億噸（2014 年），煤炭開采方式也發生了較大改變，井工開采比重減小，由過去的96%下降至70%;露天 開采比重明顯提供，由過去的4%上升至30%。煤炭開采造成了地面塌陷、土地壓占以及土 地的挖損。據有關專家測算，由采煤造成的土地破壞的總面積超過了 500萬hm2,歷史遺留的 受損土地的復墾工作任務繁重。
[0003] 我國《土地法》以及《土地復墾條例》等有關法律規定，煤炭開采必須實行"誰開采、 誰復墾"的原則，必須對破損的土地進行復墾修復工作，通過一系列的工程技術手段，對受 損的、即將受損的土地，結合工作面接續工作，對這些土地進行或者超前進行挖、鏟、墊、平 整等工作，使其恢復重新利用的功能，其本質就是土壤重構，重構后的土壤應該具備良好的 分層以及結構，保證重構土壤的肥力。
[0004] 土壤重構一般采用分層剝離、交錯回填的方式，將0-20Cm、20-50cm的表土層分別 剝離，在節約表土的情況下，重構土壤的底層以煤矸石、粉煤灰進行充填，待充填至復墾標 高后，再分層回填剝離的表土層。然而，以往的有關規定側重于如何增加土地的面積，而對 于重構土壤的質量卻關注甚少，新出臺的《土地復墾質量控制標準》中對其做出了要求，以 典型驗收的點位來表征全局，雖然規定了點位密度、布設的原則和土壤測試分析方法，仍難 以對工程質量進行全面把控。農作物生長的剖面應包含表土層、心土層，其厚度是保證農作 物生產力的重要指標。因此，土壤剖面可作為表征重構土壤質量的重要指標，如何全面獲取 與表達是問題的關鍵所在。
[0005] 以往多采樣鉆孔、開挖剖面的形式，具有較大的隨機性和不確定性，部分點位特征 無法全面表達工程的整體屬性。近些年，探地雷達技術逐漸開始應用于精準農業，該技術在 土壤含水量、道路勘察、管線探測等領域成功應用。對于土壤領域，以室內模擬試驗為主，野 外大田的應用比較少，特別是對于復墾土壤，基于探地雷達的剖面的精細表達方法鮮有報 道，需要解決如下難題： (1) 復墾工程中，土壤重構過程采用分層回填、分層壓實的工藝，相比于自然狀態的土 壤，土層中雜質、分層不均勻都對分層結構的識別造成了很大影響，如何去除雜波對分層信 號的影響，而且，人工識別難以滿足大批量采樣數據的處理； (2) 雷達數據針對于測線而言，是反映該測線下土壤的一些信息，如何將這些數據進行 融合，基于有限的數據，采用何種方法去反映田塊的整體分層信息，實現全工區土壤剖面的 精細表達也需要解決。

【發明內容】

[0006] 有鑒于此，本發明提出了 一種復墾土壤剖面的精細表達方法，利用探地雷達獲取 復墾土壤的雷達圖像，建立基于形態學的濾波處理方法，弱化雜波對分層信息的干擾;在有 限處理窗口中獲取采樣道能量梯度變化，提取復墾土壤的分層屬性;在此基礎上，利用典型 剖面的統計信息，與對應的雷達圖像的分層情況進行對比分析，并結合各分層土壤的特征， 實現全工區土壤剖面的精細表達。
[0007] 為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案： 一種復墾土壤剖面的精細表達方法，所述方法包括以下步驟： (1) 雷達數據采集:在數據采集之前，布設全面覆蓋工程的平面分布范圍的探地雷達測 線網，并在布設后測定各測線端點及其交叉點的空間坐標;高頻雷達天線沿測線方向勻速 前行，實現數據采集； (2) 建立基于形態學的濾波處理方法:在預處理的基礎上，對雷達圖像進行形態學的濾 波處理，抑制雜波對分層信息的干擾； (3) 雷達圖像的縱向分割:將雷達圖像視為多條獨立采樣道的回波信號的組合，將各采 樣道回波信號作為彼此獨立的信號，以各采樣點的能量幅值表示;在此基礎上，計算所有采 樣道中相同采樣點號的能量幅值的均值，并計算時間域上各采樣點的能量方差，得到能量 幅值的離散程度及分布圖；在此基礎上以分布圖的凸顯程度選取閾值，將低于閾值的區域 作為背景區域進行刪除，實現雷達圖像的縱向分割； (4) 復墾土壤剖面的雷達圖像分層識別:在每個分割的區段中，以區域內能量方差的峰 值對應的采樣點作為中心，計算該點外擴r像素的八方向上能量梯度變化，以最大能量梯度 為方向進行重采樣，并重復步驟(4)的計算過程，實現復墾土壤在雷達圖形的分層識別； (5) 復墾土壤剖面的表達:對解譯的雷達圖像對應測線的土體進行開挖，獲取復墾土壤 的現實剖面，并記錄分層的層數、土體性質以及層厚；以此為參照，將雷達圖像分層信息與 之進行對比分析，從而實現所有測線上的土壤剖面的精細表達;在此基礎上，通過空間內插 的方法，實現全工區土壤剖面的完整表達。
[0008] 優選地，所述步驟(1)中，利用測繪儀器測定各測線端點及其交叉點的空間坐標。
[0009] 優選地，所述步驟(1)中，測線網呈網狀形式。
[0010] 優選地，所述步驟(2)中，所述濾波處理方法基于目標體的水平分層特性，根據幾 何特性的相似原理，選擇結構元素，進行開運算、閉運算以及膨脹運算三個過程，實現圖像 形態修飾和形態細化。
[0011] 優選地，所述結構元素為3X3的矩陣，凸顯層位的分層特性。
[0012] 優選地，形態濾波通過開運算、閉運算以及膨脹運算相互結合，經過多次運算完 成。
[0013] 優選地，所述步驟(2)中，在進行形態濾波計算時，雷達圖像應以如下集合形式表 示:A= {(x，y，z) |〇<x<m，0<y<n，zxy}，（x，y)表示采樣點坐標，z表示離散的灰度值，經過 濾波處理后的雷達圖像用二值圖像表示。
[0014] 優選地，所述步驟(3)中，雷達圖像上水平方向的平均能量b如下式（1)表示，其中， i為以采樣點號表示的雙層走時的微分單位;j表示采樣道次；
[0015] 優選地，所述步驟(3)中，選取的閾值為能量方差最大值的1/10。
[0016] 優選地，所述步驟(5)中，復墾土壤的剖面重構采用分層剝離、交錯回填的方式，現 場開挖3至5個土壤剖面，進行層數、層厚、土體特性數據統計，以此作為經驗數據，分別與所 對應的雷達圖像的分層信息進行對比分析。
[0017] 本發明與現有技術相比，具有以下明顯優點： 本發明提出的復墾土壤剖面的精細表達方法，以探地雷達無損探測技術為主要手段， 準確完整的表達土地復墾中重構土壤的剖面信息。該方法包括:布設等間距的探地雷達測 線網，利用高頻探地雷達系統獲取復墾土壤的雷達圖像;建立基于形態學的濾波處理方法， 弱化雜波對分層信息的干擾;通過雷達圖像處理與采樣道能量梯度變化，提取復墾土壤的 分層屬性;在此基礎上，開挖典型剖面，以此作為經驗數據，與對應的雷達圖像的分層情況 進行對比分析，并結合各分層土壤的特征，實現全工區土壤剖面的精細表達，可為土地復墾 工程質量的驗收提供一種快速方法。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明中探地雷達測線網及坐標系示意圖； 圖2為本發明中某測線圖像層位線圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發明所述復墾土壤剖面的精細表達方法，包括以下步驟： 第一步:雷達數據采集。
[0020] 在數據采集之前，布設探地雷達測線網，所述測線網由若干條平行的測線組成，呈 網狀形式，測線網應滿覆蓋工程的平面分布范圍，并在布設后利用測繪儀器測定各測線端 點及其交叉點的空間坐標，便于復測、驗證;高頻雷達天線沿測線方向勻速前行，實現數據 米集。
[0021] 如圖1所示，1為復墾工區的邊界線，2為探地雷達測線，探地雷達測線由兩組呈一 定角度的測線組成網狀結構，每組測線包括若干條平行的測線，3為自定義的坐標系的軸 線。以工區最西、最南兩條相互垂直的測線，視為坐標系的x、y軸，定義交點的坐標為（1000， 1000)，x軸坐標方位角α為1〇°(/〇〇 〃測線間距在l〇-40m之間。
[0022]第二步:建立基于形態學的濾波處理方法。
[0023]在預處理的基礎上，對雷達圖像進行形態學的濾波處理，抑制雜波對分層信息的 干擾。該方法基于目標體的水平分層特性，根據幾何特性的相似原理，選擇結構元素，進行 開運算、閉運算以及膨脹運算。
[0024]在本例中，雷達圖像應以如下集合形式表示： A= {(x，y，z) | 0<x<m，0<y<n，zXy}， 前兩個變量表示采樣點坐標，第三個向量表示離散的灰度值，雷達圖像的形態濾波應 基于開運算、閉運算以及膨脹運算3個過程，實現圖像形態修飾，形態細化的效果。
[0025]其中，結構元素 SE應能夠凸顯層位的分層特性，為3?3的矩陣，實例中選用SE如下：
由于開閉運算次數不會改變處理結果，本例開閉運算的運算均為一次，膨脹運算8次。 [0026]第三步:雷達圖像的縱向分割。
[0027] 將各采樣道回波信號作為彼此獨立的信號，以各采樣點的能量幅值表示。在此基 礎上，計算所有采樣道中相同采樣點號的能量幅值的均值，并計算時間域上的能量方差，得 到能量幅值的離散程度及分布圖。需要說明的是，時間間隔為采樣間隔，為縱軸雙城走時與 采樣點數(一般為512/1024)的比值。在此基礎上，以分布圖的凸顯程度，選取閾值，實現雷 達圖像的縱向分割。
[0028] 雷達圖像上水平方向的平均能量b由下式（1)計算求得，其中，i表示雙層走時的微 分單位，在此可以采樣點號表示;j表示采樣道次；
實例中，共計求得512個時間層的平均能量，采樣道次628個。
[0029]第四步:復墾土壤剖面的雷達圖像分層識別。
[0030]在每個分割的區段中，一定像點范圍內，計算雷達圖像能量方差峰值對應的采樣 點八方向上的能量梯度變化，基于最大梯度原則進行重采樣，實現復墾土壤在雷達圖像的 分層識別。
[0031 ]實例中，像點范圍為10 X 10的，當提取出最大梯度的采樣點時，中心點移至該點， 重復以上的步驟。
[0032]處理效果如圖2所示，4為表土層的層位線，5為心土層與充填層（煤矸石）的層位 線。
[0033]第五步:復墾土壤剖面的表達 對解譯的雷達圖像對應測線的土體進行開挖，獲取5個以上復墾土壤的現實剖面，并記 錄分層的層數、土體性質以及層厚。以此為參照，將雷達圖像分層信息與之進行對比分析， 從而實現所有測線上的土壤剖面的精細表達。在此基礎上，通過空間內插的方法，實現全工 區土壤剖面的完整表達。
[0034] 實例中，在進行空間內插時，各測線的土壤剖面采取如下表達方式： U = lx，y，h}，前兩個參數表示平面坐標，第三個參數表示各層位的深度，根據等高線 內插原理，將h替代高程z，生成各層位的TIN，生成等深線，在ARCGIS空間分析軟件中，生成 數字深度模型，達到三維顯示的目的。
[0035] 上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以 根據本發明的發明創造的目的作出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下 做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只 要不背離本發明的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述方法包括W下步驟： (1) 雷達數據采集:在數據采集之前，布設全面覆蓋工程的平面分布范圍的探地雷達測 線網，并在布設后測定各測線端點及其交叉點的空間坐標;高頻雷達天線沿測線方向勻速 前行，實現數據采集； (2) 建立基于形態學的濾波處理方法:在預處理的基礎上，對雷達圖像進行形態學的濾 波處理，抑制雜波對分層信息的干擾； (3) 雷達圖像的縱向分割:將雷達圖像視為多條獨立采樣道的回波信號的組合，將各采 樣道回波信號作為彼此獨立的信號，W各采樣點的能量幅值表示;在此基礎上，計算所有采 樣道中相同采樣點號的能量幅值的均值，并計算在時間域上各采樣點的能量方差，得到能 量幅值的離散程度及分布圖；在此基礎上W分布圖的凸顯程度選取闊值，將低于闊值的區 域作為背景區域進行刪除，實現雷達圖像的縱向分割； (4) 復星±壤剖面的雷達圖像分層識別:在每個分割的區段中，W區域內能量方差的峰 值對應的采樣點作為中屯、，計算該點外擴r像素的八方向上能量梯度變化，W最大能量梯度 為方向進行重采樣，并重復步驟(4)的計算過程，實現復星±壤在雷達圖形的分層識別； (5) 復星±壤剖面的表達:對解譯的雷達圖像對應測線的±體進行開挖，獲取復星±壤 的現實剖面，并記錄分層的層數、±體性質W及層厚；W此為參照，將雷達圖像分層信息與 之進行對比分析，從而實現所有測線上的±壤剖面的精細表達;在此基礎上，通過空間內插 的方法，實現全工區±壤剖面的完整表達。2. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟（1)中，利 用測繪儀器測定各測線端點及其交叉點的空間坐標。3. 如權利要求2所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟（1)中，測 線網呈網狀形式。4. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟(2)中，所 述濾波處理方法基于目標體的水平分層特性，根據幾何特性的相似原理，選擇結構元素，進 行開運算、閉運算W及膨脹運算Ξ個過程，實現圖像形態修飾和形態細化。5. 如權利要求4所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于：所述結構元素為 3X3的矩陣，凸顯層位的分層特性。6. 如權利要求4所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:形態濾波通過開運 算、閉運算W及膨脹運算相互結合，經過多次運算完成。7. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟(2)中，在 進行形態濾波計算時，雷達圖像應W如下集合形式表示:A= {(x，y，z) I 0<x<m，0<y<n， zxy}，（x，y)表示采樣點坐標，z表示離散的灰度值，經過濾波處理后的雷達圖像用二值圖像 表不。8. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟(3)中，雷 達圖像上水平方向的平均能量b如下式（1)表示，其中，i為W采樣點號表示的雙層走時的微 分單位;j表示采樣道次；9. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟(3)中，選 取的闊值為能量方差最大值的1/10。10. 如權利要求1所述的復星±壤剖面的精細表達方法，其特征在于:所述步驟(5)中， 復星±壤的剖面重構采用分層剝離、交錯回填的方式，現場開挖3至5個±壤剖面，進行層 數、層厚、±體特性數據統計，W此作為經驗數據，分別與所對應的雷達圖像的分層信息進 行對比分析。
【文檔編號】G06K9/34GK105975990SQ201610327751
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】王新靜, 閆晶晶, 胡青峰, 李慧, 何培培, 馬開鋒
【申請人】華北水利水電大學