基于多频探地雷达瞬时振幅的树木根系定位及影响因素研究

摘要

【目的】针对探地雷达（ground penetrating radar, GPR）在树木根系检测中多因素耦合作用机制不明确、定位精度受限等问题，提出一种基于多频GPR瞬时振幅的根系识别与定位方法，为实现复杂环境下树木根系的精准无损检测提供支持。【方法】以中国北方典型树种三倍体毛白杨为研究对象，设计了多频天线（400,900,1 600MHz）网格化扫描方案，以获取9年生毛白杨根系的三维数据；将希尔伯特变换获取的高瞬时振幅与图像形态学运算相结合，通过高瞬时振幅连通区域加权质心精确定位根系；最后基于整根挖掘评估验证GPR识别定位根系的准确性，并在多频天线下统计分析根系直径、深度以及扫描角度3种影响因素对根系识别与定位的作用机制，揭示根系特征与检测效果的量化关系。【结果】(1)通过希尔伯特变换和图像分割识别地下根系是有效的，400,900,1 600 MHz天线频率时的根系识别准确率分别为53.2%,64.0%,72.7%；(2)通过高瞬时振幅连通区域加权质心定位根系是准确可行的，400,900,1 600 MHz天线在剖面长度方向上定位根系的均方根误差（RMSE）均小于0.12 m，在剖面深度方向上定位根系的RMSE均小于0.04 m；(3)当根系直径小于3 cm或扫描角度小于60°时，GPR识别准确率随根系参数的增大而显著提升，超过该值后检测效果趋于稳定。【结论】基于多频GPR瞬时振幅与形态学结合的根系识别定位方法，为浅层根系的无损探测与周期性监测提供了一种可行的技术途径。

关键词

树木根系检测 / 探地雷达 / 根系定位 / 瞬时振幅 / 多频天线