[發(fā)明專利]大面積土壤濕度測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010207399.2
• 申請日: 2010-06-18
• 公開（公告）號: CN101900692A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 嚴頌華;龔健雅
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是一種對大面積裸露土壤濕度進行測量的方法。

背景技術(shù)

土壤濕度即土壤含水量，是土壤的重要物理性質(zhì)。土壤濕度是土壤-植被-大氣系統(tǒng)能量與物質(zhì)交換及土地資源和環(huán)境管理的重要參數(shù)之一，監(jiān)測地表土壤濕度的時空變化特性對研究自然及生態(tài)環(huán)境問題有重要的意義。

目前土壤濕度的測量方法主要有下面幾種，它們有著各自的優(yōu)點和缺點。

烘干稱重法，直觀準確，但其操作復(fù)雜。電容法(電容式土壤濕度傳感器及其制作方法，專利號200510041258)、電阻法(土壤濕度分層測量系統(tǒng)，專利號200710018822)、電導(dǎo)率測試法(一種土壤濕度測試儀，專利號200910098049)等利用土壤中電容、電阻或電導(dǎo)率與與含水量相關(guān)的關(guān)系，將兩個電極埋入土壤中，測定土壤塊的電容、電阻或電導(dǎo)率，求出土壤濕度。但這些方法都是接觸式方法，需要將探頭實地插入土壤中，費時費力。

射線法包括中子散射法、γ射線法、χ射線法等(土壤濕度和雪中儲水量測量儀，申請?zhí)?9103760)。這些方法價格昂貴，且存在潛在的輻射危害，近年來已經(jīng)在發(fā)達國家遭到棄用。

時域反射儀法(Topp?G?C，Davis?J?L.Measurement?of?soil?water?content?using?Time?Domain?Reflectometry(TDR)：A?field?evaluation.Soil?Sci.Soc.Am.J.1997，61(6)：1576-1585)目前已成為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。其通過測量高頻電磁脈沖在土壤中的傳播速度求得土壤的介電常數(shù)，從而計算出土壤的含水量。但其是取樣式測量，測管周圍的土層會受到嚴重擾動，也會導(dǎo)致較大的測量誤差。此外，TDR電路復(fù)雜，設(shè)備昂貴。

專利(土壤濕度估計的系統(tǒng)和方法，專利號200910098049)提出利用自然界的閃電等信號進行土壤濕度的測量，則其易受到閃電的隨機性影響，效果難以保證。

應(yīng)用GPS信號的反射信號測量土壤濕度是最近幾年發(fā)展的一項新技術(shù)。GPS信號位于L波段，可以直接穿透云霧，完全不受云蓋的影響而到達待測地面。利用現(xiàn)有的GPS系統(tǒng)，可以全天候進行試驗，快速獲得大量數(shù)據(jù)，并在短時間內(nèi)對大片區(qū)域進行探測。此外，由于其只需要接收機而不需要發(fā)射機，會顯著的降低系統(tǒng)費用、復(fù)雜度和功耗。GPS信號測量還是一種非接觸式的土壤濕度測量方式，可以大大地減少勞動強度。

國外研究者曾利用裝備有兩套天線系統(tǒng)的接收機在飛機上進行了土壤濕度遙感實驗(參見丁金才主編的《GPS氣象學(xué)及其應(yīng)用》，氣象出版社2009年)，武漢大學(xué)電波傳播實驗室曾利用兩個天線和兩個接收機，通過分別接收直達信號和經(jīng)由地面反射的反射信號，然后根據(jù)電磁反射模型和土壤濕度的半經(jīng)驗介電常數(shù)模型來反演得到土壤濕度，具體實施細節(jié)可見文章(嚴頌華張訓(xùn)械，基于GNSS-R信號的土壤濕度反演研究，電波科學(xué)學(xué)報2010年第1期)。該方法可利用直達信號與反射信號的反射功率的差異，具有一定的實用價值。

但這些方法需要依靠復(fù)雜的接收機設(shè)計。主要問題是需要兩個天線和兩個接收機。由于這種方法主要利用的是接收信號功率的比值，兩個天線及接收機必須具有很好的一致性，即具有相同的增益才不至于影響反演的結(jié)果。而完全一致的天線和接收機生產(chǎn)會增加生產(chǎn)和調(diào)試的成本。一種替換的方法，即進行通道校正的方法需要額外的校準過程，給應(yīng)用帶來麻煩。(嚴頌華張訓(xùn)械，基于GNSS-R信號的土壤濕度反演研究，電波科學(xué)學(xué)報2010年第1期)。

可見，本領(lǐng)域亟待研究簡單易實施的大面積土壤濕度測量方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的局限性，本發(fā)明的目的是利用GPS直達信號及由地面土壤反射回來的信號，提供一種對于大面積裸露土壤進行濕度遙測的方法，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種大面積土壤濕度測量方法，設(shè)置一個垂直極化接收天線、一個GPS接收機，以及進行信號處理的計算機，測量過程包括以下步驟，

步驟1，利用垂直極化天線同時接收來自空中的直達信號和來自地面的反射信號，形成干涉信號；所得干涉信號由GPS接收機接收后輸出至進行信號處理的計算機；計算機連續(xù)采樣獲取干涉信號的功率序列。

步驟2，計算機對干涉信號的功率序列進行一階和二階微分運算，并根據(jù)運算結(jié)果給出干涉信號的所有峰值點和谷值點；然后通過峰值點的最小值和谷值點的最大值搜索拐點；