CN111027230B - 一种基于gnss-r技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法 - Google Patents

一种基于gnss-r技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于GNSS‑R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，具体步骤有：一、搭建大地测量型GNSS接收机与布设便携式土壤水分速测仪传感器；二、采集GNSS信噪比(SNR)和土壤湿度数据；三、数据预处理；四、对预处理后的数据利用Lomb‑Scargle频谱分析与最小二乘拟合等方法来提取频率、相位和振幅；五、最后建立频率与湿度的函数关系并依据此函数关系反演土壤湿度。本发明与传统土壤湿度监测方法相比，具有成本低、信号源充足和全天候、全时段探测的优点；为矿区复垦地土壤湿度的监测提供一种快速动态监测方法，为保障复垦地农作物产量提供技术手段，并促进GNSS‑R技术在复垦地中的发展和应用。

Description

一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法
技术领域
本发明涉及土壤湿度的监测领域，具体的是一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法。
背景技术
煤矸石充填塌陷区后上覆土壤可种植农作物，为监测其生长状况，其中对土壤湿度的监测是必不可少的一项。传统的测量土壤湿度的方法主要有：直接测量法(烘干称重法)，是公认的最准确的测定方法，但在测量中对土壤直接进行取样，对采样点的土壤会带来影响且费时费力；间接测量法，包括时域反射法(TDR)、中子法、电阻法等，传感器精度高时达±1％，便于小范围监测。因大范围监测时，传感器布设成本较高，受降雨的影响精度可能达不到直接测量法。
目前，随着全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)的快速发展，产生了一种利用GNSS反射信号进行探测的遥感技术(GNSS-R)，该技术是利用接收机接收GNSS卫星直射信号和经过地表反射的多路径反射信号，通过处理直射与反射信号来获取反射面的性质进而反演反射面的相关参数。在对土壤湿度进行反演时主要应用在裸地、植被覆盖的土壤中，但在煤矸石充填复垦土壤中利用该技术进行土壤湿度的监测是比较少见的。与传统的监测土壤湿度方法相比该技术具有全天候及全时段探测、信号源充足、成本低等优点为矿区复垦地土壤湿度的监测提供一种快速动态监测方法，为保障复垦地农作物产量提供技术手段，并促进GNSS-R技术在复垦地中的发展和应用。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，对预处理后的数据利用Lomb-Scargle频谱分析方法和最小二乘法提取频率、相位和振幅；最后建立频率与土壤湿度的线性回归模型并依据此模型反演土壤湿度。与传统的监测土壤湿度方法相比该技术具有全天候及全时段探测、信号源充足、成本低等优点，为矿区复垦地土壤湿度的监测提供一种快速动态的监测方法，为保障复垦地农作物产量提供技术手段，并促进GNSS-R技术在复垦地中的发展和应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
一、搭建设备和布设传感器：
1)、选择固定监测区域，配置大地测量型GNSS接收机、内置天线和不可伸缩的三脚架；
2)、在观测时段内，保持控制点中心至天线边缘天线高度、卫星截止高度角和数据记录采样间隔不变；
3)、在接收机周围随机选取采样点在土壤表层布设传感器，每5分钟采集一次土壤湿度数据；
二、原始数据的获取：
1)、利用大地测量型GNSS接收机接收GPS干涉信号，借助软件转换数据格式，输出RIINEX数据格式的观测值o文件和导航电文n文件；
2)、处理o文件和n文件完成后，通过TEQC计算各卫星的高度角和信噪比SNR数据；
三、数据预处理：
1)、数据筛选：每天选择固定时间段卫星上升或下降阶段的低仰角及相应信噪比数据；
2)、剔除粗差：剔除小于30dB-Hz的SNR值，计算剩余SNR序列的均值，以均值的3倍中误差为阈值范围，超出该范围的SNR粗差予以剔除；
3)、去除趋势项：对于该固定时间段SNR观测值序列，采用二次多项式拟合的方法将直射分量和反射分量分离开来，将直射信号当作趋势项去除；
4)、数据重组：将仰角进行正弦化，按升序排列仰角正弦值及其相应信噪比数据；
5)、频谱分析：通过非均匀采样时间序列的频谱分析方法获取重组后信噪比数据的频率；
6)、最小二乘拟合：对处理后的信噪比数据进行最小二乘拟合，获得相位、振幅；
四、分别建立相位、振幅、频率与土壤湿度的回归模型来反演土壤湿度：
1)、将相位、振幅、频率和其对应土壤湿度各自归一化后绘图并建立相应的回归模型；
2)、处理某天的数据获得相位、振幅与频率，代入相应模型反演出当天固定时段的土壤湿度。
进一步地，所述步骤一中的控制点中心至天线边缘天线高度控制在1.63±0.3m，卫星截止高度角为5°，数据记录采样间隔为1s。
进一步地，所述步骤一中的采样点在土壤表层2cm和5cm处。
进一步地，所述步骤三中的固定时间段为每天上午7：00-11:00。
进一步地，所述步骤三中的低仰角范围是5°～25°。
进一步地，所述步骤三中的采用非均匀采样时间序列的频谱分析方法是Lomb-Scargle频谱分析法。
进一步地，所述步骤四中的归一化是把频率、相位和振幅按照归一化方法m＝mi-mmin/mmax-mmin将其统一在0到1之间。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，对预处理后的数据利用Lomb-Scargle频谱分析方法和最小二乘法提取频率、相位和振幅；最后建立频率与土壤湿度的线性回归模型并依据此模型反演土壤湿度。与传统的监测土壤湿度方法相比该技术具有全天候及全时段探测、信号源充足、成本低等优点，为矿区复垦地土壤湿度的监测提供一种快速动态的监测方法，为保障复垦地农作物产量提供技术手段，并促进GNSS-R技术在复垦地中的发展和应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明数据处理流程示意图；
图2是本发明PRN18号卫星的信噪比随仰角的增加而变化的原始数据示意图；
图3是本发明RRN18号卫星数据筛选和剔除粗差后的信噪比随仰角变化的数据示意图；
图4是本发明PRN18卫星直射分量和反射分量变化示意图；
图5是本发明对图4进行频谱分析后的结果示意图；
图6是本发明对图4进行拟合的结果示意图；
图7是本发明17天固定时段采集的土壤湿度(2cm和5cm取平均值)和对应的相位示意图；
图8是本发明17天固定时段采集的土壤湿度(2cm和5cm取平均值)和对应的振幅示意图；
图9是本发明17天固定时段采集的土壤湿度(2cm和5cm取平均值)和对应的频率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
一、搭建设备和布设传感器：
1)、选择固定监测区域，配置大地测量型GNSS接收机、内置天线和不可伸缩的三脚架；
要求接收机周围视野地形平坦，无高大建筑物和树木遮挡且地表有稀疏的矮草覆盖；
2)、17天固定观测时段内控制点中心至天线边缘天线高度严格控制在1.63±0.3m范围，卫星截止高度角为5°，数据记录采样间隔为1s；
3)、在接收机周围随机选取4个采样点，在土壤2cm和5cm处布设传感器，设置便携式传感器的湿度数据采样间隔为5分钟。
二、原始数据的获取：
1)、利用大地测量型GNSS接收机接收GPS干涉信号，借助相应软件转换数据格式，然后输出RIINEX数据格式的观测值o文件和导航电文n文件；
2)、处理o文件和n文件后，通过TEQC计算各卫星的仰角和信噪比(SNR)数据。
详见图2，图2为PRN18号卫星的信噪比随仰角的增加而变化的原始数据。
三、数据预处理：
1)、数据筛选：由于GPS卫星运行周期为11h58min，选择每天上午的7：00-11:00为观测时段，筛选出卫星上升阶段低仰角介于5°-25°之间的信噪比数据；
2)、剔除粗差：首先剔除小于30dB-Hz的SNR值，然后计算剩余SNR序列的均值，以均值的3倍中误差为阈值范围，超出该范围的SNR粗差予以剔除，最后对信噪比数据进行线性化；
详见图3，图3为PRN18号卫星数据筛选和剔除粗差后的信噪比随仰角变化的数据；
3)、去除趋势项：由于获取的序列SNR数据中直射信号远远大于反射信号(多路径效应)，而直射信号随着仰角的变化呈现出干涉信号的整体变化趋势，多路径效应对信噪比的影响较小，因此通常采用低阶多项式将直射信号当作趋势项去除；
对于该固定时间段SNR观测值序列，通常采用二次多项式拟合的方法将直射分量和反射分量分离开来；
详见图4，图4为PRN18卫星直射分量和反射分量变化图，其中直射分量为曲线，反射分量为波浪线；
4)、数据重组：将仰角进行正弦化，按升序排列仰角正弦值及其相应信噪比数据；
5)、频谱分析：受多路径影响SNR序列振幅与仰角正弦的关系，如图1所示：
Figure BDA0002340386380000071
其中A为受多路径影响SNR序列振幅；e为GPS卫星的仰角；λ为GPS卫星L1波段载波波长；h为天线相位中心到反射面的距离；
受多路径影响SNR序列振幅与仰角正弦的函数关系中e是按照采样间隔1s均匀采样，转换成正弦值后变成非均匀采样，因此采用Lomb-Scargle频谱分析方法获取重组后信噪比数据的频率；
对于时域序列X(tj)，j＝1，2，……，N，功率谱定义为关于频率f的函数：
Figure BDA0002340386380000072
式中PX(f)为频率f的周期信号功率，X(tj)是离散试验数据，tj是离散实验数据的时间，N为实验数据统计量，τ为时间平移不变量；
图5是对图4进行频谱分析后的结果，可以看出在17.288Hz左右为最大频率密度点，因此采用这个频率点作为PRN18卫星干涉信号功率模型的主要频率f；
6)、最小二乘拟合：根据受多路径影响SNR序列振幅与仰角正弦的函数关系中，由Lomb-Scargle频谱分析方法计算出主要频率f，振幅A和相位
Figure BDA0002340386380000073
可通过最小二乘拟合获得。图6是对图4进行拟合的结果。
四、分别建立相位、振幅、频率与土壤湿度的回归模型来反演土壤湿度：
将17天观测数据按照以上步骤进行处理，提取出频率、振幅和相位序列，实验中PRN18号卫星的第八天晴天相位值由-0.988上升至第9天雨天的-0.8132；振幅由18.47上升到20.02；频率由17.3919下降到16.51；
图7、图8和图9分别为17天固定时段采集的土壤湿度(2cm和5cm取平均值)和对应的相位、振幅和频率的拟合直线，中间由于受天气影响等，会剔除掉误差较大的值。之后根据某天该固定时段GPS信噪比数据后，可利用该线性关系反演当天的土壤湿度。
1)、为更好反映相位、振幅、频率和其对应土壤湿度之间的关系，将其各自归一化后绘图并建立相应的回归模型；
2)、处理某天的数据获得相位、振幅与频率，代入相应模型反演出当天固定时段的土壤湿度。
其中，归一化是把频率、相位和振幅按照归一化方法m＝mi-mmin/mmax-mmin将其统一在0到1之间。
综上所述，本发明提出了一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，详细介绍了该方法的具体操作过程，本方法与传统土壤湿度监测方法相比，具有成本低、信号源充足和全天候、全时段探测的优点；为矿区复垦地土壤湿度的监测提供一种快速动态监测方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：
一、搭建设备和布设传感器：
1)、选择固定监测区域，配置大地测量型GNSS接收机、内置天线和不可伸缩的三脚架；
2)、在观测时段内，保持控制点中心至天线边缘天线高度、卫星截止高度角和数据记录采样间隔不变；
3)、在接收机周围随机选取采样点在土壤表层布设传感器，每5分钟采集一次土壤湿度数据；
二、原始数据的获取：
1)、利用大地测量型GNSS接收机接收GPS干涉信号，借助软件转换数据格式，输出RIINEX数据格式的观测值o文件和导航电文n文件；
2)、处理o文件和n文件完成后，通过TEQC计算各卫星的高度角和信噪比SNR数据；
三、数据预处理：
1)、数据筛选：每天选择固定时间段卫星上升或下降阶段的低仰角及相应信噪比数据；
2)、剔除粗差：剔除小于30dB-Hz的SNR值，计算剩余SNR序列的均值，以均值的3倍中误差为阈值范围，超出该范围的SNR粗差予以剔除；
3)、去除趋势项：对于该固定时间段SNR观测值序列，采用二次多项式拟合的方法将直射分量和反射分量分离开来，将直射信号当作趋势项去除；
4)、数据重组：将仰角进行正弦化，按升序排列仰角正弦值及其相应信噪比数据；
5)、频谱分析：通过非均匀采样时间序列的频谱分析方法获取重组后信噪比数据的频率；
6)、最小二乘拟合：对处理后的信噪比数据进行最小二乘拟合，获得相位、振幅；
四、分别建立相位、振幅、频率与土壤湿度的回归模型来反演土壤湿度：
1)、将相位、振幅、频率和其对应土壤湿度各自归一化后绘图并建立相应的回归模型；
2)、处理某天的数据获得相位、振幅与频率，代入相应模型反演出当天固定时段的土壤湿度。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤一中的控制点中心至天线边缘天线高度控制在1.63±0.3m，卫星截止高度角为5°，数据记录采样间隔为1s。
3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤一中的采样点在土壤表层2cm和5cm处。
4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤三中的固定时间段为每天上午7：00-11:00。
5.根据权利要求4所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤三中的低仰角范围是5°～25°。
6.根据权利要求5所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤三中的采用非均匀采样时间序列的频谱分析方法是Lomb-Scargle频谱分析法。
7.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R技术的煤矸石充填复垦土壤湿度监测方法，其特征在于，所述步骤四中的归一化是把频率、相位和振幅按照归一化方法m＝mi-mmin/mmax-mmin将其统一在0到1之间。
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