專利名稱：利用gnss-r信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用GPS地面反射信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置與方法，尤其是 能監(jiān)測(cè)識(shí)別裸露地表土壤水分的變化。能夠應(yīng)用在氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和旱情監(jiān)測(cè)等遙感 部門。
背景技術(shù)：
目前，公知的監(jiān)測(cè)土壤水分的方法有兩種[田國(guó)良，土壤水分的遙感監(jiān)測(cè)方法， 環(huán)境遙感，1991，6(2) 89-98 ；鐘若飛，神州四號(hào)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)處理與地表參數(shù)反演研 究，博士論文，中科院遙感所，2005. 6 ；王建明，基于ERS散射計(jì)的青藏高原地表土壤水分 估算方法研究，中科院遙感應(yīng)用研究所，2005. 8. ；Njoku E.G.，and Li L.，Retrieval of land surface parameters using passive microwave measurements at 6-18 GHz. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. ,1999,37(1) :79_93 ；Kebiao Mao, HuaJun Tang, L.X.Zhang, Li M. C. ,Guo Y. ,Zhao D. Z. ,A Method for Retrieving Soil Moisture in Tibet Region By Utilizing Microwave Index from TRMM/TMI Data,International Journal of Remote Sensing, 2008，29 (10) =2905-2925.]一種方法是利用電磁脈沖方法，根據(jù)電磁波在介質(zhì) 中傳播速度來(lái)測(cè)試介質(zhì)的介電常數(shù)從而測(cè)定土壤水分的儀器。通常是在地下埋設(shè)探頭或者 測(cè)試時(shí)用手將探頭扎入地下。這樣方法是單點(diǎn)時(shí)效性非常好，但缺點(diǎn)是不能反映區(qū)域(面) 土壤水分的變化情況；另外一種方法是通過(guò)遙感數(shù)據(jù)反演土壤水分，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能 獲取大面積土壤水分變化的趨勢(shì)，但時(shí)效性比較差，受衛(wèi)星運(yùn)行周期的影響。當(dāng)天空有云或 者降雨時(shí)候，熱紅外和可見(jiàn)光遙感無(wú)法監(jiān)測(cè)地表土壤水分變化。星載主動(dòng)微波受頻率的影 響，而且對(duì)地表粗糙度比較敏感。被動(dòng)微波雖然受云和大氣的影響很小，但分辨率太低(一 般一個(gè)像元30公里*30公里)，而且目前對(duì)于大尺度的土壤水分反演算法驗(yàn)證也存在困 難，主要是地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏代表性。GPS(Global Positioning System)系統(tǒng)是20世紀(jì) 90年代發(fā)展起來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。歐空局(European Space Agency (ESA))提出GPSL波 段信號(hào)可以作為海洋散射計(jì)，Hall and Cordey 1988年在國(guó)際地理與遙感學(xué)會(huì)上第一次強(qiáng) 調(diào)了這一點(diǎn)，后來(lái)人們把基于GPS反射信號(hào)的遙感技術(shù)簡(jiǎn)稱為GNSS-R(global navigation satellite system-reflection)技術(shù)。現(xiàn)在GPS海面反射信號(hào)在海洋上的應(yīng)用研究已經(jīng) 取得了很大的進(jìn)展[劉經(jīng)南，邵連軍，張訓(xùn)械，GNSS-R研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)，武漢大學(xué)學(xué) 報(bào)(信息科學(xué)版)，2007 (11) =955-960. ] 0 GPS衛(wèi)星廣播頻率中民用導(dǎo)航信號(hào)Ll (1. 58GHz) 對(duì)土壤水分非常敏感，因此非常適合用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤水分的變化。但GPS地面反射信號(hào)在陸 面上的應(yīng)用研究還不是很多，Masters等利用機(jī)載GPS接收機(jī)接收地面反射信號(hào)對(duì)土壤水 分變化的敏感性做過(guò)一些初步的研究，研究結(jié)果表明GPS地面反射信號(hào)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤 水分變化[Masters D. , Axelrad P. , Katzberg S. , Initial results of land-reflected GPS bistatic radar measurements in SMEXO2, remote sensing of environment,2004, 92 =507-520.]。由于GPS衛(wèi)星具有全天候的特點(diǎn)，其同一個(gè)地方至少可以收到4顆衛(wèi)星的 信號(hào)。因此，利用GPS地面反射信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化具有很大的潛力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有土壤水分變化監(jiān)測(cè)不能同時(shí)反應(yīng)區(qū)域(面)上平均變化和時(shí)效性的 缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置，該土壤水分變化監(jiān)測(cè)裝置不僅能監(jiān)測(cè)土 壤水分區(qū)域(面)變化，而且能夠保證時(shí)效性。單個(gè)GPS地面反射信號(hào)接收機(jī)接收地面反 射信號(hào)強(qiáng)度缺乏一致性，不能準(zhǔn)確地反映土壤水分變化。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是利用右旋接收天線直接接收GPS信 號(hào)。利用左旋接收天線接收GPS地面反射信號(hào)，通過(guò)GNSS-R微波遙感器處理右旋天線和左 旋天線接收到的信號(hào)，輸出左旋天線和右旋天線接收的信號(hào)比值，這個(gè)比值就可以用來(lái)判 斷土壤水分的變化情況。本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)GPS地面反射信號(hào)和直接信號(hào)的比值以及衛(wèi)星仰角來(lái) 判斷土壤水分的變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。還可以通過(guò)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)裝置的高度，以監(jiān)測(cè)不同的區(qū)域范圍。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的裝置與方法原理流程圖。圖2是土壤水分監(jiān)測(cè)裝置與方法實(shí)施的結(jié)構(gòu)圖(呼倫貝爾草原)。圖3是圖2中接收裝置頂部的放大圖。圖4GNSS-R信號(hào)接收?qǐng)D。圖545度入射角和粗糙度(s = 0. 5cm, 1 = 10cm)條件下土壤水分和前向散射系 數(shù)的關(guān)系。圖6計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集界面。圖7 土壤水分與反射系數(shù)關(guān)系。圖8 土壤水分對(duì)比驗(yàn)證分析。圖1是本發(fā)明的裝置與方法原理流程圖，主要包括三部分，第一部分是GPS直接信 號(hào)與地表反射信號(hào)的接收裝置設(shè)計(jì)；第二部分是地表反射信號(hào)與直接信號(hào)的接收處理；第 三部分是土壤水分估算。圖2中十字架頂部是接收直接信號(hào)的GPS右旋接收機(jī)，十字架斜下方是接收地 表反射信號(hào)的左旋信號(hào)接收機(jī)，地面最右邊是接收信號(hào)轉(zhuǎn)換處理器，中間是計(jì)算機(jī)(筆記 本)。
具體實(shí)施例方式由于GPS信號(hào)接收機(jī)至少可以接收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)，地面不同方向散射的信號(hào) 強(qiáng)度是不一樣的。為了監(jiān)測(cè)方便，GPS接收機(jī)可能需要設(shè)計(jì)成只接收某個(gè)方向的信號(hào)。GPS 衛(wèi)星信號(hào)傳播和地面GPS信號(hào)接收機(jī)的簡(jiǎn)圖如圖4所示。假定Pt為GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)功 率，Gt為發(fā)射天線增益，λ是波長(zhǎng)，Rd為直接信號(hào)達(dá)到GPS信號(hào)接收機(jī)的距離，Gd為接收機(jī) 的天線增益，則達(dá)到接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度Pd為
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假定Rs是信號(hào)達(dá)到地面的距離，艮是反射信號(hào)達(dá)到接收機(jī)的距離，σ ^是反射地面 A單位面積上的散射系數(shù)，Gr是接收機(jī)的天線增益，則經(jīng)過(guò)地面反射后接收到信號(hào)已 對(duì)于光滑表面，假定反射率為Γ，則式2可以簡(jiǎn)化為 [。_ 〃^湖土壤水分的變化直接影響土壤介電常數(shù)的變化，而介電常數(shù)是決定發(fā)射率E變化 的最主要因素。反射率和發(fā)射率之間滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如式4。
(式 4)式2中散射系數(shù)(σ 0)和式3中的反射率Γ主要受土壤水分和地表粗糙度影響， 其它參數(shù)都是常數(shù)。對(duì)于同一個(gè)區(qū)域，如果不是人為或者其它大的自然活動(dòng)，粗糙度變化不 大。以往的研究就是通過(guò)接收GPS反射信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)分析土壤水分，由于GPS信號(hào)的強(qiáng)度 受距離和電離層等影響，在空間上是有微小變化的，因此單靠GPS地面反射信號(hào)強(qiáng)度不能 非常準(zhǔn)確地對(duì)比不同時(shí)間和空間的變化情況。我們通過(guò)地面右旋天線接收直接信號(hào)強(qiáng)度， 通過(guò)左旋天線接收地面反射強(qiáng)度，這樣可以反射率?？梢越朴傻孛娣瓷湫盘?hào)強(qiáng)度與直 接信號(hào)強(qiáng)度比值得到。
(式 5)公式(5)就是我們土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。目前大家公認(rèn)在給定條件下 (入射角和粗糙度)條件下，土壤水分與前向散射系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系。圖5是用地面散射模 型AIEM模擬的結(jié)果。因此，在每個(gè)觀測(cè)區(qū)域，利用地面反射信號(hào)強(qiáng)度與直接信號(hào)強(qiáng)度比值 可以判斷土壤水分的變化情況。本裝置與方法包括三個(gè)步驟，其流程如圖1。具體步驟為第一步、建立GPS直接信號(hào)和地面反射信號(hào)接收裝置(如圖2和圖3)1-1)選擇研究區(qū)或者監(jiān)測(cè)區(qū)(這里我們選擇的是中國(guó)內(nèi)蒙古海拉爾呼倫貝爾草 原)，確定接收裝置的高度(這里我們?cè)O(shè)定高度為1. 5米)；1-2)將接收裝置做成十字架形；1-3)右旋天線安裝在十字架頂部，左旋天線斜固定在十字架的下方；第二步、信號(hào)接收與處理2-1)將右旋天線和左旋天線與信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及筆記本連接，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集界面 如圖6所示。由于2009年呼倫貝爾草原很少下雨，草原地面已經(jīng)裂開(kāi)，為了觀測(cè)土壤水分 的變化和縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，我們對(duì)研究地點(diǎn)不定時(shí)澆水。表1是2009-5-24日我們?cè)谥袊?guó)內(nèi) 蒙古呼倫貝爾草原地區(qū)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)；表IGPS直接信號(hào)和地面反射信號(hào)接收裝置接收到的部分?jǐn)?shù)據(jù) 2-2)將左旋接收器和右旋接收器的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，左旋信號(hào)與右旋信號(hào)相 比，如表1中第4列；第三步、估算土壤水分3-1)利用左旋信號(hào)與右旋信號(hào)的比值計(jì)算土壤水分，由于在地面粗糙度不變和入 射角度變化不大的情況下，反射系數(shù)和土壤水分存正相關(guān)關(guān)系，因此我們將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同 時(shí)測(cè)量了土壤水分變化。取了 32個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集，建立土壤水分(y)地面反射系數(shù)(χ)關(guān) 系(如圖 7 所示):y = 0. 6528x+0. 1317 ；3-2)根據(jù)對(duì)應(yīng)的地表數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，這里我們用了 19對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了驗(yàn) 證與比較，其平均精度大約是0. 015m3/m3 (見(jiàn)圖8)，其趨勢(shì)是能判斷土壤水分變化，且精度 也是能滿足目前應(yīng)用要求。為了提高精度，在不同的區(qū)域，根據(jù)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)校正。
權(quán)利要求
利用GNSS R信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置與方法，其步驟為第一步、建立GPS直接信號(hào)和地面反射信號(hào)接收裝置1 1)選擇研究區(qū)或者監(jiān)測(cè)區(qū)，確定接收裝置的高度；1 2)將接收裝置做成十字架形；1 3)右旋天線安裝在十字架頂部，左旋天線斜固定在十字架的下方；第二步、信號(hào)接收與處理2 1)將右旋天線和左旋天線與信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及筆記本連接；2 2)將左旋接收器和右旋接收器的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，將左旋信號(hào)與右旋信號(hào)相比；第三步、估算土壤水分3 1)利用左旋信號(hào)與右旋信號(hào)的比值(x)計(jì)算土壤水分(y)，y＝0.6528x+0.1317；3 2)根據(jù)對(duì)應(yīng)的地表數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校正。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一步的1-2中，將接收裝置設(shè)計(jì)成十字架形。
3.如權(quán)利要求1的述的方法，其中，第一步中的1-3中，右旋天線固定在十子架頂，左旋 天線斜固定在十字架下方。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二步中的2-2中將左旋接收器和右旋接收器的信 號(hào)進(jìn)行歸一化處理。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第三步的3-1中的利用左旋信號(hào)和右旋信號(hào)的比值 估算得到土壤水分。
全文摘要
利用GNSS-R信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置與方法涉及一種利用GPS地面反射信號(hào)監(jiān)測(cè)土壤水分變化的裝置與方法，尤其是能監(jiān)測(cè)識(shí)別裸露地表土壤水分變化。能夠應(yīng)用在氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和旱情監(jiān)測(cè)等遙感部門。本發(fā)明包含三個(gè)步驟第一步驟是制作GPS直接信號(hào)與地面反射信號(hào)的接收裝置。第二個(gè)步驟是對(duì)接收裝置接收到的直接信號(hào)與地面反射信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。第三步驟是利用地面反射信號(hào)與直接信號(hào)的比值估算土壤水分，并進(jìn)行實(shí)際地表驗(yàn)證和應(yīng)用分析。本發(fā)明監(jiān)測(cè)得到的土壤水分精度高，克服了熱紅外受云和部分降雨的影響，時(shí)效性強(qiáng)，且能反應(yīng)區(qū)域(面)的平均效應(yīng)。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101907583SQ200910085118
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者張孟陽(yáng), 楊東凱, 毛克彪, 王建明, 王炎, 馬柱國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所;航天恒星科技有限公司;北京航空航天大學(xué)