CN101907583A

CN101907583A - 利用gnss-r信号监测土壤水分变化的装置与方法

Info

Publication number: CN101907583A
Application number: CN2009100851188A
Authority: CN
Inventors: 毛克彪; 王建明; 张孟阳; 杨东凯; 王炎; 马柱国
Original assignee: Beihang University; Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS; Space Star Technology Co Ltd
Current assignee: Beihang University; Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS; Space Star Technology Co Ltd
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: CN101907583B

Abstract

利用GNSS-R信号监测土壤水分变化的装置与方法涉及一种利用GPS地面反射信号监测土壤水分变化的装置与方法，尤其是能监测识别裸露地表土壤水分变化。能够应用在气象、农业、环境监测和旱情监测等遥感部门。本发明包含三个步骤：第一步骤是制作GPS直接信号与地面反射信号的接收装置。第二个步骤是对接收装置接收到的直接信号与地面反射信号进行归一化处理。第三步骤是利用地面反射信号与直接信号的比值估算土壤水分，并进行实际地表验证和应用分析。本发明监测得到的土壤水分精度高，克服了热红外受云和部分降雨的影响，时效性强，且能反应区域(面)的平均效应。

Description

利用GNSS-R信号监测土壤水分变化的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种利用GPS地面反射信号监测土壤水分变化的装置与方法，尤其是能监测识别裸露地表土壤水分的变化。能够应用在气象、农业、环境监测和旱情监测等遥感部门。

背景技术

目前，公知的监测土壤水分的方法有两种[田国良，土壤水分的遥感监测方法，环境遥感，1991，6(2)：89-98；钟若飞，神州四号微波辐射计数据处理与地表参数反演研究，博士论文，中科院遥感所，2005.6；王建明，基于ERS散射计的青藏高原地表土壤水分估算方法研究，中科院遥感应用研究所，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.]：一种方法是利用电磁脉冲方法，根据电磁波在介质中传播速度来测试介质的介电常数从而测定土壤水分的仪器。通常是在地下埋设探头或者测试时用手将探头扎入地下。这样方法是单点时效性非常好，但缺点是不能反映区域(面)土壤水分的变化情况；另外一种方法是通过遥感数据反演土壤水分，这种方法的优点是能获取大面积土壤水分变化的趋势，但时效性比较差，受卫星运行周期的影响。当天空有云或者降雨时候，热红外和可见光遥感无法监测地表土壤水分变化。星载主动微波受频率的影响，而且对地表粗糙度比较敏感。被动微波虽然受云和大气的影响很小，但分辨率太低(一般一个像元30公里*30公里)，而且目前对于大尺度的土壤水分反演算法验证也存在困难，主要是地面实测数据缺乏代表性。GPS(Global Positioning System)系统是20世纪90年代发展起来的卫星导航系统。欧空局(European Space Agency(ESA))提出GPSL波段信号可以作为海洋散射计，Hall and Cordey 1988年在国际地理与遥感学会上第一次强调了这一点，后来人们把基于GPS反射信号的遥感技术简称为GNSS-R(global navigation satellite system-reflection)技术。现在GPS海面反射信号在海洋上的应用研究已经取得了很大的进展[刘经南，邵连军，张训械，GNSS-R研究进展及其关键技术，武汉大学学报(信息科学版)，2007(11)：955-960.]。GPS卫星广播频率中民用导航信号L1(1.58GHz)对土壤水分非常敏感，因此非常适合用来监测土壤水分的变化。但GPS地面反射信号在陆面上的应用研究还不是很多，Masters等利用机载GPS接收机接收地面反射信号对土壤水分变化的敏感性做过一些初步的研究，研究结果表明GPS地面反射信号可以用来监测土壤水分变化[Masters D.，Axelrad P.，Katzberg S.，Initial results of land-reflected GPS bistatic radar measurements in SMEX02，remote sensing of environment，2004，92：507-520.]。由于GPS卫星具有全天候的特点，其同一个地方至少可以收到4颗卫星的信号。因此，利用GPS地面反射信号监测土壤水分变化具有很大的潜力。

发明内容

为了克服现有土壤水分变化监测不能同时反应区域(面)上平均变化和时效性的缺点，本发明提供一种监测土壤水分变化的装置，该土壤水分变化监测装置不仅能监测土壤水分区域(面)变化，而且能够保证时效性。单个GPS地面反射信号接收机接收地面反射信号强度缺乏一致性，不能准确地反映土壤水分变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用右旋接收天线直接接收GPS信号。利用左旋接收天线接收GPS地面反射信号，通过GNSS-R微波遥感器处理右旋天线和左旋天线接收到的信号，输出左旋天线和右旋天线接收的信号比值，这个比值就可以用来判断土壤水分的变化情况。

本发明的有益效果是，通过GPS地面反射信号和直接信号的比值以及卫星仰角来判断土壤水分的变化，结构简单。还可以通过调节监测装置的高度，以监测不同的区域范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的装置与方法原理流程图。

图2是土壤水分监测装置与方法实施的结构图(呼伦贝尔草原)。

图3是图2中接收装置顶部的放大图。

图4GNSS-R信号接收图。

图545度入射角和粗糙度(s＝0.5cm，l＝10cm)条件下土壤水分和前向散射系数的关系。

图6计算机数据采集界面。

图7土壤水分与反射系数关系。

图8土壤水分对比验证分析。

图1是本发明的装置与方法原理流程图，主要包括三部分，第一部分是GPS直接信号与地表反射信号的接收装置设计；第二部分是地表反射信号与直接信号的接收处理；第三部分是土壤水分估算。

图2中十字架顶部是接收直接信号的GPS右旋接收机，十字架斜下方是接收地表反射信号的左旋信号接收机，地面最右边是接收信号转换处理器，中间是计算机(笔记本)。

具体实施方式

由于GPS信号接收机至少可以接收到4颗卫星的信号，地面不同方向散射的信号强度是不一样的。为了监测方便，GPS接收机可能需要设计成只接收某个方向的信号。GPS卫星信号传播和地面GPS信号接收机的简图如图4所示。假定P_t为GPS卫星发射信号功率，G_t为发射天线增益，λ是波长，R_d为直接信号达到GPS信号接收机的距离，G_d为接收机的天线增益，则达到接收机信号强度P_d为：

P_{d} = \frac{P_{t} G_{t}}{{4 πR}_{d}^{2}} \frac{λ^{2} G_{d}}{4 π}

(式1)

假定R_s是信号达到地面的距离，R_r是反射信号达到接收机的距离，σ₀是反射地面A单位面积上的散射系数，G_r是接收机的天线增益，则经过地面反射后接收到信号P_r：

P_{r} = \frac{P_{t} G_{t}}{{4 πR}_{s}^{2}} \frac{σ_{0} A}{{4 πR}_{r}^{2}} \frac{λ^{2} G_{r}}{4 π}

(式2)

对于光滑表面，假定反射率为Γ，则式2可以简化为：

P_{r} = \frac{P_{t} G_{t}}{4 π {(R_{s} + R_{r})}^{2}} \frac{λ^{2} G_{r}}{4 π} Γ

(式3)

土壤水分的变化直接影响土壤介电常数的变化，而介电常数是决定发射率E变化的最主要因素。反射率和发射率之间满足一定的数学关系，如式4。

Γ＝1-E (式4)

式2中散射系数(σ₀)和式3中的反射率Γ主要受土壤水分和地表粗糙度影响，其它参数都是常数。对于同一个区域，如果不是人为或者其它大的自然活动，粗糙度变化不大。以往的研究就是通过接收GPS反射信号的强弱来分析土壤水分，由于GPS信号的强度受距离和电离层等影响，在空间上是有微小变化的，因此单靠GPS地面反射信号强度不能非常准确地对比不同时间和空间的变化情况。我们通过地面右旋天线接收直接信号强度，通过左旋天线接收地面反射强度，这样可以反射率Γ可以近似由地面反射信号强度与直接信号强度比值得到。

Γ = \frac{P_{r}}{P_{d}}

(式5)

公式(5)就是我们土壤水分监测设计的理论基础。目前大家公认在给定条件下(入射角和粗糙度)条件下，土壤水分与前向散射系数成正相关关系。图5是用地面散射模型AIEM模拟的结果。因此，在每个观测区域，利用地面反射信号强度与直接信号强度比值可以判断土壤水分的变化情况。

本装置与方法包括三个步骤，其流程如图1。具体步骤为：

第一步、建立GPS直接信号和地面反射信号接收装置(如图2和图3)：

1-1)选择研究区或者监测区(这里我们选择的是中国内蒙古海拉尔呼伦贝尔草原)，确定接收装置的高度(这里我们设定高度为1.5米)；

1-2)将接收装置做成十字架形；

1-3)右旋天线安装在十字架顶部，左旋天线斜固定在十字架的下方；

第二步、信号接收与处理

2-1)将右旋天线和左旋天线与信号转换器以及笔记本连接，计算机数据采集界面如图6所示。由于2009年呼伦贝尔草原很少下雨，草原地面已经裂开，为了观测土壤水分的变化和缩短实验时间，我们对研究地点不定时浇水。表1是2009-5-24日我们在中国内蒙古呼伦贝尔草原地区采集的部分数据；

表1GPS直接信号和地面反射信号接收装置接收到的部分数据

时间(小时:分钟)	直接信号	地面反射信号	反射系数
				14:49	63770464	1534626	0.02406
14:53	59081607	1785215	0.03021
				14:55	61684275	2054815	0.03331
14:58	70892649	10456807	0.14750
				15:02	63994093	8108400	0.12670
15:06	65953976	13106524	0.19872
				15:09	83841175	11108525	0.13249
15:12	81060981	1383457	0.01706
				15:30	76230390	2065470	0.02709
15:33	77761443	1171079	0.01505
				15:36	69415746	8359946	0.12043
15:40	112746386	35150148	0.31176
				15:45	110975901	16180133	0.14579
15:46	105888562	14032424	0.13252
				…	…	…	…

2-2)将左旋接收器和右旋接收器的信号进行归一化处理，左旋信号与右旋信号相比，如表1中第4列；

第三步、估算土壤水分

3-1)利用左旋信号与右旋信号的比值计算土壤水分，由于在地面粗糙度不变和入射角度变化不大的情况下，反射系数和土壤水分存正相关关系，因此我们将实验过程中，同时测量了土壤水分变化。取了32个对应的数据集，建立土壤水分(y)地面反射系数(x)关系(如图7所示)：y＝0.6528x+0.1317；

3-2)根据对应的地表数据进行验证和分析，这里我们用了19对数据集进行了验证与比较，其平均精度大约是0.015m³/m³(见图8)，其趋势是能判断土壤水分变化，且精度也是能满足目前应用要求。为了提高精度，在不同的区域，根据实地数据进行适当校正。

Claims

1.利用GNSS-R信号监测土壤水分变化的装置与方法，其步骤为：

第一步、建立GPS直接信号和地面反射信号接收装置：

1-1)选择研究区或者监测区，确定接收装置的高度；

1-2)将接收装置做成十字架形；

第二步、信号接收与处理

2-1)将右旋天线和左旋天线与信号转换器以及笔记本连接；

2-2)将左旋接收器和右旋接收器的信号进行归一化处理，将左旋信号与右旋信号相比；

第三步、估算土壤水分

3-1)利用左旋信号与右旋信号的比值(x)计算土壤水分(y)，y＝0.6528x+0.1317；

3-2)根据对应的地表数据进行验证和校正。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一步的1-2中，将接收装置设计成十字架形。

3.如权利要求1的述的方法，其中，第一步中的1-3中，右旋天线固定在十子架顶，左旋天线斜固定在十字架下方。

4.如权利要求1所述的方法，其中，第二步中的2-2中将左旋接收器和右旋接收器的信号进行归一化处理。

5.如权利要求1所述的方法，其中，第三步的3-1中的利用左旋信号和右旋信号的比值估算得到土壤水分。