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应用探地雷达探测根系并估计其生物量
John R. Butnor, Craig Barton, Frank P. Day, Kurt H. Johnsen,Anthony N. Mucciardi, Rachel Schroeder, and Daniel B. Stover;Management Science,2012,35(3):285-303
南京信息工程大学遥感与测绘工程学院 江苏 南京 210044 李正浩 译
摘要：探地雷达（GPR）是一种利用电磁波探测被掩埋物体的非破坏性方法。 它已被用于检测粗木质根系、估计根系生物量、根直径和根系的空间分布等方面的研究。本文主要讨论GPR根系探测技术的发展、基本方法和使用GPR进行植物根系研究的现场应用实例几个方面。
Abstract Ground-penetrating radar (GPR) is a nondestructive means of detecting buried objects with electromagnetic waves. It has been applied to detect coarse woody roots, estimate biomass, root diameter, and spatial distribution of roots. This chapter discusses the development of root assessment techniques, basic methodology,and examples of field applications where GPR was successful.
1.引言
许多根径量化方法是破坏性的（例如，土样法，矿坑法，植物挖掘法），并且不能够长期重复观测。这种破坏性的采样方法虽然可以产生高质量的数据，但是较为昂贵且需要耗费大量的劳动。同时使用这些方法通常会导致样本量较少，可能无法充分捕获根系空间变异性，缺乏统计性，无法表明根系间微妙的差异。对于那些研究地下生产力，根系动力学或根系结构的人来说，非破坏性测量根系参数的方法非常诱人，但又似乎遥不可及。非破坏性根系量化方法的例子包括：放射性示踪剂，电阻/电导层解析成像技术和探地雷达探测（GPR）（Kroon 和 Visser 2003； Johnston等2004； Pierret等2005； Butnor等2008）。 GPR具有特别的特性，它采用便携性高的现成设备，探测速度较快，每天可以扫描数公里的土壤横断面。 GPR已被证明是在适宜的土壤和表层条件下检测根系和估算根系生物量的可靠手段（Hruska等1999； Cermak等2000； Butnor等2001； 2003； Barton和Montagu 2004； Dannoura等，2008； Hirano等，2009）。到目前为止，GPR已被用于调查木本植物生态系统的地下生产力，并用于评估物种、植物遗传杂交（Johnsen Kh Major和Maier 2003）、大气二氧化碳浓度升高（Stover等2007）、森林治理实践（Butnor等, 2003,2005； Samuelson等，2008）和树间距（Samuelson等，2010）对地下碳分配的影响。虽然与本文讨论有关，但有关GPR原理的细节超出了本文的讨论范围，且在其他地方有很好的说明（例., Jol 2009； Daniels 2004）。因此，本文的目的是讨论探地雷达如何用于探测根系，量化包括生物量在内的根系参数，在根系动力学研究中探测方法的问题。
2.探地雷达天线根部分析基础
探地雷达天线是超宽带（UWB）设备，可将短距离的电磁能量脉冲传播到地面并在土壤表面接收反射信号。每个脉冲的中心频率为频谱的平均值。根据经验，在低频（lt;200 MHz）处有很强的穿透能力，但只能反映较大的物体或特征。尽管中频（200-1,000 MHz）和高频（gt; 1,000 MHz）频率天线无法深入穿透，但它们能够分辨较小的物体。在分辨率和穿透力之间折衷，选择合适的频率，这样由超宽带天线的特性就可以检测到一系列物体的大小和深度。每当脉冲信号接触到不同导电层的界面时，能量的一部分被反射回地面上的接收器。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数（Ɛ），它是与受到电场作用时与材料特性有关的无量纲量。两种不同材料的介电常数之间的差异越大，雷达波反射越强，反之亦然。例如，水的介电常数为81，平均土壤的介电常数为13，这产生6:1的“介电常数对比度”，两者相差很大，使得大部分雷达波能量被反射回地表面的天线。
在相应的根系条件下，拥有良好水合性的根系与干燥的土壤形成鲜明对比。每个返回的脉冲信号被记录为在正相位和负相位之间振荡的波形，记录相位变化的时间和振幅。然后根据波形数据对掩埋根系的属性进行建模。死亡或患病根的水分含量较低，可能为弱或不反射的目标，通常无法检测。这种特征可以用于检查城市植物根系，确定其健康状况。位于高水位土壤中的根也可以被检测到（Gormally等，2010）。虽然活的根系是可检测的，但只能估计根系结构的整体性质，例如根系密度。值得一提的是，有时候探测时活的根系不能和死亡的根系区分出来，如烧毁的伐木残渣和切断的棕榈根茎，经过5年的翻动变化后仍都能检测到（Butnor 等，2005）。
对于大多数根系的探测，将天线连接到探测轮，根据行进距离测量脉冲，通常每米进行100-200次扫描。为了更好地收集数据，天线沿着与土壤保持紧密接触的线性横断面来进行
图1. 能够容纳400,900和1.500MHz天线的GPR单元和测量车的照片（a），安装在滑轨系统（c）上的1,500MHz天线（b）的特写图（c），其设计用于收集2 米times;2米网格。箭头指向天线的位置
移动（图1）。 通常超过几厘米的间隙就会引起信号传播削弱，尤其是使用高频天线的时候。数据通常以线性线性横断面或一系列平行线性横断面和网格样式收集（图1，b，c），以获得更好的空间分辨率。
建立根系图像来显示表现根密度和根重叠水平、分叉、合并（根嫁接）等，需要相当多的努力和专业的离线信号分析软件。探地雷达波的性质被用来“解析”根系质量并提供数据来创建详细的根系分布图。探地雷达波这种特性的关键在于天线产生的雷达波（lambda;）、雷达波（lambda;）的参数以及介质的介电常数之间的相互作用：
lambda;c =Vair/fc*(Ɛ)1/2 (1)
Vair是空气中的雷达波的传播速度（30cm/ns），fc为雷达天线的中心频率（900 MHz的雷达波在大多数土壤中可以穿透1m深的地层，1500 MHz的雷达波在大多数土壤中可以穿透0.3–0.6m深的地层），Ɛ为介电常数（无量纲），lambda;c为天线中心频率处的波长。波长取决于所使用的天线和土壤的电磁性质，并且在中心频率或中等介电常数增加时减小。GPR传感器在中心频率fc约为50％的宽广频率范围内具有可观的能量：
fc－0.5fc le; UWB雷达天线的频率范围le; fc 0.5fc (2)
这意味着900 MHz天线的频率范围为从450到1350 MHz。由 (1)表明在此范围内有与每个频率相对应的波长，所以土壤中的雷达波也都是在一个波长范围内，其中最小波长由最大的频率决定(2)：
lambda;min= Vair/1.5fc*(Ɛ)1/2=0.667lambda; (3)
这使得能够探测比通过天线中心频率（通常是实际情况）计算得到的直径更小的地下目标，可以使用探地雷达天线的分辨率（R）来确定根探测概率：
Rasymp;lambda;/3=0.333lambda;. (4)
分辨率取决于：(1)尺寸——可以探测到的最小目标直径。(2)空间——可以识别的两个目标之间的最小距离。当lambda;减小时，探测到小目标的概率和分离单个目标的概率随着R的减小而增加。因此，从(1)和(3)，很明显当R达到最低，对于一个给定的fc，有：
Rminasymp;lambda;min/3=0.222lambda;c (5)
因此，使用中心频率尽可能高的、与想要探测到的深度相一致的天线是根系检测和成图的关键（因为可探测到的深度随着频率的增加而减小）。对于900 MHz（0.9 GHz）的天线，分辨率在1-1.5 cm范围内，这意味着如果只考虑中心频率（及其相关波长），那么应该可以检测到该尺寸或更大尺寸的根，以及该尺寸或更大尺寸根的间距。当然，由(2)和(5)所示的天线传感器的UWB性质，分辨率得到了改善，所以也可以检测到较小尺寸的根（lt;1cm）。相同的R值应用于根间距检测（空间分布）。
3.植物根茎分析技术发展的历史
许多早期的根系检测报告都是无意中得到的（Bevan，1984； Truman等，1988； Farrish等，1990）； 在地球物理调查中，根系曾被认为是复杂的雷达解释中的“噪音”。（Doolittle 和 Miller 1991； Barker 和 Doolittle 1992）。在佛罗里达州埃格林空军基地，军方将量化的树根引入为干扰目标的不需要检测项目（Niltawach等。2004）。第一项致力于树根检测的研究在绘制捷克共和国橡树根（Quercus petraea）的三维分布图像（Hruska等。1999）。使用中心频率为450MHz的天线能够探测大于3cm深度的约2m的根。并以网格模式收集横断面数据。经过相当多的收集、数据处理之后，手动绘制反射能量（雷达图）的二维表示以创建地平面图或根系图。一项相关的研究使用相同的方法来研究城市环境中的根系生长状况（Cermak等.2000）。这些研究启发并使研究人员感到还有很多疑问，他们急于将GPR调查方法应用到自己的根系动态研究中。关于这项新技术在地下研究中的应用，还有许多方法上的问题。
过去10年开发的根系探测方法主要集中在改进信号处理和解译在土壤表面上获得商业可用的双静态（集成发射器和接收器）GPR天线反射数据。信信号处理的目标是减少杂波，更好地代表目标的几何形状，在本例中是根系（Daniels 2004）。GPR数据通常由它们表示的空间坐标来表示和处理，称为A，B或C扫描（Daniels 2004）。A扫描是一个单时域小波，其特征是相位变化( /－)对应于土壤的电学性质或土壤的反射表面（图2.a）。B扫描是沿横断面收集的一系列A扫描。B扫描处理集成相邻波形中的数据，以创建XZ平面的表示，创建一个切片或“虚拟海沟”（图2.b）。B扫描处理的重点在于准确定位对象的位置并尝试重建目标的形状或相对大小。C扫描(图2.c)集成B扫描，以生成被掩埋物体的三维或体积表示(XYZ)。另一种处理方法是图像分析；B扫描或C扫描处理已发生，软件或算法用于总结高振幅反射、地图边缘或计算区域。（Daniels 2004）。所有方法分析根数据使用扫描和B扫描处理,但他们可能是广义图像分析(2001，Butnor 等 . 2001年),主要使用相对高振幅信号区域处理B扫描,或以波形为主,关注几何参数的波形振幅本身以外的参数(Barton和Montagu,2004)。基于图像分析的方法在评估和量化根系生物量分布方面很有优势，而基于波形的方法利用B扫描来检测根，并在扫描中利用单个波形的零交叉时间来估计其直径。选择哪种方法最合适取决于具体的研究问题。详细的方法和关于两者的相对优势和弱点的讨论都在4和5小节中。基基于地面的天线不足以评估大的垂直根； 对于包含直接位于树下的主根或根球的根尤其如此。表面的GPR天线擅长在土壤基质中定位“悬浮”的反射物体，而不是从地上的圆筒(树干)到地面垂直根部的过渡根系。第8小节描述了利用钻孔雷达和行程时间层析成像来量化垂直根的方法
图2. A描，B扫描，C扫描的示例。 箭头指向B扫描上A扫描的位置
3.1 基于图像分析的发展
以南部松林为研究区域（Butnor等，2001）来确定合适的土壤特征参数，并引入了使用图像分析软件从B扫描数据估计根生物量的概念，而不是简单地在其他的“无根”土壤中定位根。使用1,500 MHz天线在30 cm深的土壤中检测到直径小于0.5 cm的根。利用图像分析软件测量高振幅反射所占据的区域，在90°交叉试验时，可以在试验床上预测根密度。该方法的一个关键特征是，利用土样采集的一个小的破坏性样本对相对根系密度进行测量。后期的工作集中于改进方法，特别是后期数据处理。在B扫描中，滤波算法被用来去除反射和特征，而B扫描不是由根系引起的。（Butnor等，2003）。因此，图像分析量化和破坏性样本之间的相关性显着提高。由于土壤湿度和数据采集参数(计算机设置)的变化可能会影响校准方程，因此有必要对每一场采集活动进行校正，以获得可信的结果。在清除桃（桃树）果园后，这些想法可以被用来检测潜在的致病根碎片（直径2.5-8.2厘米），为了桃树的重新种植（Cox等2005）。使用Butnor等（2003年）描述的方法，在林业实验（Butnor等，2005； Samuelson等，2008； 2010）和
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