CN106125106A - 基于地基北斗/gps双模测站测量土壤湿度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地基北斗/GPS双模测站土壤湿度测量方法，包括：在单天线模式下利用地基测站右旋圆极化天线采集原始观测数据；将采集的原始观测数据格式转换为标准的RINEX格式文件；根据RINEX文件获得信噪比(Signal‑to‑Noise,SNR)数据，生成SNR文件；以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位；对初始SNR干涉测量相位再处理，得到精确相位值；对精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合，确定估算土壤湿度的SNR最适宜频段，建立基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型；采集预定时段的观测数据，并引入所述裸土土壤湿度经验模型，得到预定时段的土壤湿度。本发明提供的土壤湿度的测量方法具有普适性。

Description

基于地基北斗/GPS双模测站测量土壤湿度的方法

技术领域

本发明涉及一种土壤湿度的测量方法，尤其涉及一种单天线模式下基于地基北斗/GPS双模测站的土壤湿度测量方法。

背景技术

全国范围内存在大量用于气象探测、形变监测、地震监测、CORS基准站等地基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)测站，包括北斗、GPS、北斗/GPS双模等多种类型。这些测站目前主要用于定位、变形监测、大气水汽探测、地震电离层探测等。

全球四大导航系统，即美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo，不仅能够为空间信息用户提供全球共享的导航定位信息，还可提供全球覆盖、高时间分辨率的L波段(1～2GHz)微波信号用于遥感探测。继GNSS折射信号用于大气探测以来，利用GNSS反射信号进行海表、陆表参数(海面高度/风场、土壤水分、雪深等)估算，即将定位领域的“多路径误差”变废为宝，近年来成为被广泛关注的国际前沿热点。目前各类地基、机载甚至星载观测试验已在蓬勃开展，各国均在大力推动其应用。作为导航领域的后起之秀，北斗系统近年来发展迅速，截至2016年6月正式系统已发射23颗卫星，至2020年底，将实现35颗卫星组网的全球无源定位，北斗微波信号源无疑会对GNSS遥感领域产生巨大的影响。

GNSS陆面遥感可基于两种观测模式开展：即双天线模式和单天线模式。对于单天线模式，可用于地基测量，然而，目前尤其针对北斗/GPS双模观测，尚缺乏一种通用的方法流程，能够用于对地基测站接收的原始数据进行处理分析，直至形成用于区域土壤水分测量的技术模型。

发明内容

由此可见，确有必要提供一种在单天线模式下且适用于地基北斗/GPS双模测站的土壤湿度测量方法。

一种地基北斗/GPS双模测站土壤湿度测量方法，包括：在单天线模式下利用地基测站右旋圆极化天线采集原始观测数据；将采集的原始观测数据格式转换为标准的RINEX格式文件；根据RINEX文件获得SNR数据，并读取每个采样间隔的SNR观测值，生成SNR文件；以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位；对初始SNR干涉测量相位再处理，得到精确相位值；对精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合，确定计算土壤湿度的SNR的频段，建立基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型；采集预定时段的观测数据，将观测数据引入所述裸土土壤湿度经验模型，得到预定时段的土壤湿度。

在其中一个实施例中，所述原始观测数据的采样间隔t及最低观测仰角minE满足：1s≤t≤30s，5°≤minE≤15°。

在其中一个实施例中，以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位包括：获取SNR干涉波形，并选取低卫星仰角区间；去除SNR干涉波形中的直射分量，得到反射信号干涉波形；以及对仰角正弦和反射信号干涉波形进行最小二乘拟合，获得初始SNR干涉测量相位。

在其中一个实施例中，进一步包括利用相位解缠、异常值剔除、相位阈值变换对初始SNR干涉测量相位进行处理，去除初始SNR干涉测量相位中的干扰，得到处理后的精确相位值。

在其中一个实施例中，通过拟合精确相位值与实测预定深度土壤水分的相关度，确定获取土壤水分的SNR的频段，建立基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型。

在其中一个实施例中，通过线性拟合、二次多项式拟合或指数拟合，建立基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型。

在其中一个实施例中，基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型为裸土土壤湿度线性经验模型、裸土土壤湿度二次多项式经验模型或裸土土壤湿度指数经验模型。

在其中一个实施例中，所述预定时段小于24小时，所获得的土壤湿度为24小时内的土壤湿度。

在其中一个实施例中，所述预定时段小于等于12小时，所获得的土壤湿度为12小时内的土壤湿度。

相对于传统技术，本发明提供的在单天线模式下基于北斗/GPS双模测站的土壤湿度测量方法，在通过精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合获得裸土土壤湿度经验模型后，能够支持对北斗、GPS、北斗/GPS双模等多类测站的原始数据进行处理分析，直观计算得到土壤湿度日值甚至小时值。本发明提供的方法可兼容并充分利用更多的导航卫星，技术方法也更为通用快捷。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单天线模式下基于地基北斗/GPS双模测站测量土壤湿度的测量方法的流程图。

图2为图1所示的土壤湿度的测量方法的技术流程图。

图3为本发明实施例中以北斗为例SNR数据干涉测量建模流程图，其中：

(a)测站某方位接收到的北斗卫星信号；(b)低仰角时北斗B1、B2频段SNR干涉波形；(c)低仰角时SNR干涉波形功率与卫星仰角的关系；(d)去除直射分量后的反射信号(有效)干涉波形；(e)反射信号(有效)干涉波形的最小二乘拟合。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的地基北斗/GPS双模测站土壤湿度的测量方法作进一步的详细说明。

本发明通过对某一地基北斗/GPS双模测站，收集处理原始观测数据形成北斗/GPS数据文件，进行信噪比干涉测量建模，得到干涉测量度量——相位，并基于相位及实测土壤湿度进行线性回归得到适用于该区域的土壤湿度反演模型。通过本发明形成一套适用于北斗、GPS尤其是北斗/GPS双模测站的通用技术方案，可用于区域土壤湿度反演及数据集生成、发布与共享。

请一并参见图1与图2，本发明实施例提供一种在单天线模式下地基北斗/GPS双模测站土壤湿度的测量方法，包括以下步骤：

S1，在单天线模式下利用地基测站右旋圆极化天线采集原始观测数据；

S2，将采集的原始观测数据格式转换为标准的RINEX格式文件；

S3，根据RINEX文件获得SNR数据，并读取每个采样间隔的SNR观测值，生成SNR文件；

S4，以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位；

S5，对初始SNR干涉测量相位再处理，得到精确相位值；

S6，对精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合，确定计算土壤湿度的SNR的频段，建立基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型；

S7，采集预定时段的观测数据，将观测数据引入所述裸土土壤湿度经验模型，得到预定时段的土壤湿度。

在步骤S1中，可通过北斗/GPS地基测站中采集原始观测数据。本实施例中，所述原始观测数据的采样间隔t为1s，最低观测仰角minE为5°，每24小时存储一个观测文件。需要说明的是，此处采样间隔、观测仰角及存储时间并不局限于上述数值，一般情况下，可定义为1s≤t≤30s，最低观测仰角5°≤minE≤15°，避免捕捉不到GNSS卫星升降过程。如果t大于30s时，导致采样间隔太大，无法形成平滑的干涉波形，而仅仅为一些折线；如果t小于1s，则采样间隔过小，导致数据量过大，影响数据实时传输成本。另外，最低观测仰角范围的确定出于技术需要，即需要的是低仰角情况下的SNR波形，如果最低仰角太大的话，例如大于15°时，无法体现由多路径效应产生的SNR干涉波形。地基测站高度一般在0.5～3米范围。

在步骤S2中，将原始观测数据格式转换后，形成标准的RINEX格式文件。所述RINEX包括观测文件(O文件)、星历文件(N文件)等。可以理解，此步骤并非必要步骤，有些GNSS接收机能够实现在线数据传输，直接传回RINEX格式文件，即传回的原始观测数据即为RINEX格式；另外，如果有些GNSS接收机只传回O文件，则星历文件则可使用IGS提供的sp3格式精密星历。

在步骤S3中，可通过Matlab编程从RINEX格式文件中实现O文件、N文件读取，计算得到卫星仰角/方位角、镜像反射点坐标等，并读取每个采样间隔的SNR观测值。具体的，对于GPS卫星，SNR有L1、L2和L5等多个频段；对于北斗卫星，有B1和B2两个频段。每个SNR文件依次存储每秒采样间隔的 卫星参数，包括7+X列：年积日(整型)、年积日(浮点型)、卫星号、仰角、方位角、镜像反射点x坐标、镜像反射点y坐标、SNR数值(某频段)。此SNR文件作为后续干涉测量建模的基础数据。

在步骤S4中，请一并参阅图3，以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位包括：

步骤S41，获取SNR干涉波形，并选取低卫星仰角区间；

步骤S42，去除SNR干涉波形中的直射分量，得到反射信号干涉波形；

步骤S43，对仰角正弦和反射信号干涉波形进行最小二乘拟合，获得初始SNR干涉测量相位。

以北斗卫星为例，对于测站某方位接收到的卫星信号，接收机接收直射北斗信号同时，也会接受到土壤层的反射信号，反射信号与直射信号相比，频率相同，强度由接收机高度和反射面介电常数决定，同时由于路程差而增加了相位偏移量，反映在SNR数据上即为干涉波形。这种现象在低仰角时更为显著。分析干涉波形功率与卫星仰角的关系，采用三次多项式拟合出直射分量并去除，并将SNR单位由dB-Hz转换为Volts/Volts，确定仰角截止区间(如5～25°)，即形成仅与土壤反射有关的有效干涉波形，对仰角正弦(sinE)和SNR(Volts/Volts)进行最小二乘模拟，并计算模拟波形的相位和振幅。

在步骤S5中，由于初始SNR干涉测量相位中提取的逐日相位值，会存在如相位缠绕、受积雪、降雨等多种干扰因素影响，造成某些日期的相位值计算结果不正确或不可用。在与土壤水分建立关系之前，需要首先对这些因素进行排除，可利用相位解缠、异常值剔除、相位阈值变换等方法，去除初始SNR干涉测量相位中提取的逐日相位值的干扰因素，得到精确处理后的精确相位值。进一步，可对不同卫星相位进行归一化处理，得到归一化处理之后的精确相位值，以方便后续土壤湿度的计算。

在步骤S6中，通过分析并对步骤S5处理后的精确相位值与实测预定深度如5cm土壤水分的相关度进行拟合，确定获取土壤水分的SNR最适宜频段，建立基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型。其中，所述基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型可为裸土土壤湿度线性经验模型，所述线性模型的斜率可由线性拟合相位和5cm实测值确定，截距的确定由土壤质地参数确定。经过拟合，得到区域范围内稳定的线性经验模型。本实施例中选择5cm深度的实测土 壤水分进行线性拟合，是基于理论推算的GNSS L波段土壤水分探测深度一般在表层0-5cm。可以理解，所述线性拟合仅仅为一具体的实施方式，也可以通过二次多项式拟合的方式，指数拟合等拟合的方式，获得基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型，如裸土土壤湿度二次多项式经验模型以及裸土土壤湿度指数经验模型等。

在步骤S7中，可通过GPS及北斗获取预定时段的观测数据，具体的，当获取不到北斗的原始观测数据时，可通过GPS采集原始观测数据；当获取不到GPS的原始观测数据时，则通过北斗采集原始观测数据。所述预定时段可为一天或多天；进一步，所述预定时段可为小时级别，如小于24小时，小于12小时，小于8小时、小于6小时等，如1小时、2小时、4小时等等，从而能够在单天线的模式下即可实时的对土壤湿度的变化进行监测，极大的方便了土壤湿度的实时获取。

本发明提供的地基北斗/GPS双模测站土壤湿度测量方法，可同时获取地基北斗/GPS双模测站的原始数据，并对北斗/GPS双模测站的原始数据进行分析，得到土壤湿度，从而可利用的卫星数目更多，方法也更为通用；另外，由于在较短的周期之内，所述地基北斗/GPS双模测站土壤湿度的测量方法依然能够保证从多个卫星获取到足够多的原始数据，因此所述方法能够获取小时级别的土壤湿度，从而能够实时的监测土壤湿度的变化。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种地基北斗/GPS双模测站土壤湿度测量方法，包括：

在单天线模式下利用地基测站右旋圆极化天线采集原始观测数据；

将采集的原始观测数据格式转换为标准的RINEX格式文件；

根据RINEX文件获得SNR数据，并读取每个采样间隔的SNR观测值，生成SNR文件；

以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位；

对初始SNR干涉测量相位再处理，去除初始SNR干涉测量相位中的干扰，得到精确相位值；

对精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合，确定计算土壤湿度的SNR的频段，建立基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型；

采集预定时段的观测数据，将观测数据引入所述裸土土壤湿度经验模型，得到预定时段的土壤湿度。

2.根据权利要求1所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，所述原始观测数据的采样间隔t及最低观测仰角minE满足：1s≤t≤30s，5°≤minE≤15°。

3.根据权利要求1所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，所述以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位，包括：

获取SNR干涉波形，并选取卫星仰角区间；

去除SNR干涉波形中的直射分量，得到反射信号干涉波形；以及

对仰角正弦和反射信号干涉波形进行最小二乘拟合，获得初始SNR干涉测量相位。

4.根据权利要求3所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，进一步包括利用相位解缠、异常值剔除或相位阈值变换对初始SNR干涉测量相位进行处理，去除初始SNR干涉测量相位中的干扰，得到处理后的精确相位值。

5.根据权利要求4所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，通过拟合精确相位值与实测预定深度土壤水分的相关度，确定获取土壤水分的SNR的频段，建立基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型。

6.根据权利要求5所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，通过线性拟合、二次多项式拟合或指数拟合，建立基于精确相位值的裸土土壤水分经验模型。

7.根据权利要求5所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型为裸土土壤湿度线性经验模型、裸土土壤湿度二次多项式经验模型或裸土土壤湿度指数经验模型。

8.根据权利要求1所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，所述预定时段小于24小时，所获得的土壤湿度为小于24小时内预定时段的土壤湿度。

9.根据权利要求1所述的土壤湿度测量方法，其特征在于，所述预定时段小于等于12小时，所获得的土壤湿度为12小时内预定时段的土壤湿度。

10.一种地基北斗/GPS双模测站的土壤湿度测量方法，包括：

在单天线模式下利用地基测站获得标准的RINEX格式文件；

根据RINEX文件获得SNR数据，并读取每个采样间隔的SNR观测值，生成SNR文件；

以获得的SNR数据为基础进行干涉测量建模，得到初始SNR干涉测量相位；

对初始SNR干涉测量相位再处理，去除初始SNR干涉测量相位中的干扰，得到精确相位值；

对精确相位值与实测土壤湿度的相关度进行拟合，确定计算土壤湿度所需的SNR频段，建立基于精确相位值的裸土土壤湿度经验模型；以及

采集预定时段的观测数据，将观测数据引入所述裸土土壤湿度经验模型，得到预定时段的土壤湿度。