基于探地雷达(GPR)技术的露天煤矿复垦区土壤容重(SBD)无损检测方法研究

为解决传统土壤容重(SBD)检测方法破坏性强、效率低下的问题，研究人员采用探地雷达(GPR)技术，结合随机Hough变换算法和反距离加权插值法，建立了复垦土壤SBD与土壤介电常数(SDC)的数值模型，实现了露天煤矿复垦区SBD的高精度无损检测。该研究为矿区土壤质量评估提供了创新方法，对土地复垦管理具有重要指导意义。

　　

露天煤矿开采对土壤结构造成严重破坏，而土壤容重(SBD)作为评估复垦效果的关键指标，传统检测方法需钻孔取样，不仅破坏土壤且难以反映空间异质性。如何实现高效、无损的SBD检测，成为矿区生态修复的瓶颈问题。中国地质大学(北京)土地科学技术学院的Tiantian Ye、Jingpeng Wang等研究人员在《Soil and Tillage Research》发表研究，创新性地将探地雷达(GPR)技术应用于山西安太堡露天煤矿南排土场复垦区，通过分析雷达图像中的双曲线反射特征，建立了SBD与土壤介电常数(SDC)的定量关系模型。

研究采用900 MHz中心频率的GPR系统采集数据，结合随机Hough变换算法自动识别雷达图像中的双曲线反射特征，计算电磁波平均速度；利用反距离加权插值法构建三维SDC数据集，最终通过Topp公式将SDC转换为SBD。实验在非雨季进行，选取两个采样点(S1、S2)的175个土壤样本进行验证。

研究结果显示：

1. 1.

   SBD空间分布特征：S1采样点浅层(0-0.2 m)和深层(0.4-0.6 m)SBD较高(1.369 g·cm^-3)，中层(0.2-0.4 m)较低(0.960 g·cm^-3)，空间异质性显著(STD=0.157)。

2. 2.

   SDC检测精度：随机Hough变换算法提取的SDC与实测值高度吻合，S1采样点Pearson相关系数(r)最高达0.935，均方根误差(RMSE)最低为0.272%。

3. 3.

   SBD-SDC模型：建立线性关系y=0.137x+0.500(R²=0.9266)，证明SDC可有效表征SBD。二维分布图显示预测与实测SBD的相对均方根误差(RRMSE)仅3.67-4.88%。

讨论指出，该方法利用土壤中广泛分布的砾石和植物根系作为天然反射体，克服了传统方法在压实土壤中取样的困难。通过电磁波速度反演SDC，再转换为SBD的技术路径，为矿区土壤物理性质评估提供了新思路。研究不仅拓展了GPR在土壤科学中的应用场景，其建立的数值模型还可用于预测复垦土壤的水肥需求，对优化土地管理方案具有重要实践价值。

结论强调，该研究首次实现了露天煤矿复垦区SBD的无损、自动化检测，为生态脆弱区土壤修复提供了理论依据和技术支撑。未来需进一步验证方法在不同地质条件下的适用性，并探索多频段GPR联合检测以提升精度。