[發(fā)明專利]利用GNSS-R信號(hào)監(jiān)測土壤水分變化的裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910085118.8
• 申請日: 2009-06-02
• 公開（公告）號(hào): CN101907583A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛克彪;王建明;張孟陽;楊東凱;王炎;馬柱國
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(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)
• 主分類號(hào): G01N23/20
• 分類號(hào): G01N23/20;G01S5/02
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• 代理人: 暫無信息

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)測土壤水分變化的裝置與方法，尤其是能監(jiān)測識(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)測和旱情監(jiān)測等遙感部門。

背景技術(shù)

目前，公知的監(jiān)測土壤水分的方法有兩種[田國良，土壤水分的遙感監(jiān)測方法，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)中傳播速度來測試介質(zhì)的介電常數(shù)從而測定土壤水分的儀器。通常是在地下埋設(shè)探頭或者測試時(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，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，熱紅外和可見光遙感無法監(jiān)測地表土壤水分變化。星載主動(dòng)微波受頻率的影響，而且對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)，后來人們把基于GPS反射信號(hào)的遙感技術(shù)簡稱為GNSS-R(global?navigation?satellite?system-reflection)技術(shù)?，F(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.]。GPS衛(wèi)星廣播頻率中民用導(dǎo)航信號(hào)L1(1.58GHz)對土壤水分非常敏感，因此非常適合用來監(jiān)測土壤水分的變化。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)對土壤水分變化的敏感性做過一些初步的研究，研究結(jié)果表明GPS地面反射信號(hào)可以用來監(jiān)測土壤水分變化[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)測土壤水分變化的裝置，該土壤水分變化監(jiān)測裝置不僅能監(jiān)測土壤水分區(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)比值就可以用來判斷土壤水分的變化情況。