应用电阻率层析成像和探地雷达技术探测树木根系分布

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根作为重要的树木器官,支撑并传输养分供树木地上部分健康生长,对于提高树木生产力和维持生态系统的正常运转意义重大。传统树木根系的研究方法大多以开挖为主,步骤繁琐、耗时费力、破坏周边环境。为了更省时高效地研究树木根系,引入无损的地球物理探测方法。根据树木根系在不同生命时期的形态特征,分别模拟了幼年期、青年期、壮年期、老年期、消亡期的树根。通过自适应非结构电阻率2.5维有限元方法,取得树根模型Ⅰ不同生命时期的偶极—偶极视电阻率理论合成数据。然后利用高斯—牛顿反演方法获得树木根部区域的电阻率成像结果。对比不同时期树木根系反演图像可以发现,电阻率成像方法可以跟踪监测树木各时期根系的发育状况,特别是外部轮廓形状和根区的相对位置。同时,由于树木根系生物量的增减对树木生产力起决定性作用,电阻率成像结果的动态变化为树木根系不同时期生物量变化的定性解释提供了新的途径。树根模型Ⅱ主要通过配置存储树根电磁参数的剖面矩阵来构建,探地雷达将归一化的Blackman-Harris窗口函数的一阶导数作为源脉冲。应用二维时域有限差分方法计算电磁脉冲抵达根区并反射回接收天线的双程走时,从输出的多偏移数据块中提取共偏移反射数据,合成包含有根系信息的雷达灰度图。结果表明,源脉冲主频率较低时,探地雷达图像能够较精细地反映树木根系的分布,除中间部分被树根阻挡遮蔽,根系下覆的粘土层与基岩层间的浸渍边界也十分清晰。随着雷达频率的增大,电磁脉冲随探测深度的增加剧烈衰减,雷达图像纹理减弱。电阻率层析成像和探地雷达技术针对树木根系的探测均取得良好效果,但两种探测方法具有不同的特点。电阻率层析成像可重构根系的主要结构特征,而探地雷达技术有可能获得根系的细节,将在进一步的研究中结合两者的优势获得更好的探测结果。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6-7页
第一章 绪论第10-24页
    1.1 土壤第10-19页
        1.1.1 土壤相关概念第10-12页
        1.1.2 土壤电阻率第12-13页
        1.1.3 土壤电阻率影响因素第13-16页
        1.1.4 土壤介电常数第16-18页
        1.1.5 土壤介电常数影响因素第18-19页
    1.2 树根第19-24页
        1.2.1 树根的生长发育第20-21页
        1.2.2 树根的生命周期第21-22页
        1.2.3 树根的研究现状第22-24页
第二章 树木根系的探测第24-28页
    2.1 传统的探测方法第24页
    2.2 地球物理探测方法第24-26页
        2.2.1 电阻率层析成像第25-26页
        2.2.2 探地雷达技术第26页
    2.3 根系探测的实际意义第26-28页
第三章 应用电阻率层析成像树木根系分布第28-44页
    3.1 电阻率层析成像第28页
    3.2 技术原理第28-29页
    3.3 测量装置第29-30页
    3.4 控制方程第30-33页
        3.4.1 2.5维波数域控制方程第31页
        3.4.2 2.5维有限元解第31-32页
        3.4.3 反演算法第32-33页
    3.5 树木根系合成模型第33-37页
    3.6 树木根系反演结果第37-44页
        3.6.1 树木根系不同时期形态反演第37-40页
        3.6.2 树木根系不同时期生物量变化第40-44页
第四章 应用探地雷达探测树木根系分布第44-58页
    4.1 探地雷达第44页
    4.2 技术原理第44-46页
    4.3 理论基础第46-52页
        4.3.1 控制方程第46-48页
        4.3.2 有限差分近似第48-51页
        4.3.3 数值稳定性与离散标准第51页
        4.3.4 PML吸收边界第51-52页
    4.4 数值模型第52-56页
    4.5 计算结果第56-58页
第五章 总结与展望第58-62页
    5.1 讨论第58-59页
    5.2 结论第59-60页
    5.3 展望第60-62页
参考文献第62-70页
附录 符号缩略词对照表第70-72页
致谢第72-74页
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果第74页
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