[发明专利]大面积土壤湿度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业环境监测领域，尤其是一种对大面积裸露土壤湿度进行测量的方法。

背景技术

土壤湿度即土壤含水量，是土壤的重要物理性质。土壤湿度是土壤-植被-大气系统能量与物质交换及土地资源和环境管理的重要参数之一，监测地表土壤湿度的时空变化特性对研究自然及生态环境问题有重要的意义。

目前土壤湿度的测量方法主要有下面几种，它们有着各自的优点和缺点。

烘干称重法，直观准确，但其操作复杂。电容法(电容式土壤湿度传感器及其制作方法，专利号200510041258)、电阻法(土壤湿度分层测量系统，专利号200710018822)、电导率测试法(一种土壤湿度测试仪，专利号200910098049)等利用土壤中电容、电阻或电导率与与含水量相关的关系，将两个电极埋入土壤中，测定土壤块的电容、电阻或电导率，求出土壤湿度。但这些方法都是接触式方法，需要将探头实地插入土壤中，费时费力。

射线法包括中子散射法、γ射线法、χ射线法等(土壤湿度和雪中储水量测量仪，申请号89103760)。这些方法价格昂贵，且存在潜在的辐射危害，近年来已经在发达国家遭到弃用。

时域反射仪法(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)目前已成为研究土壤水分的基本仪器设备。其通过测量高频电磁脉冲在土壤中的传播速度求得土壤的介电常数，从而计算出土壤的含水量。但其是取样式测量，测管周围的土层会受到严重扰动，也会导致较大的测量误差。此外，TDR电路复杂，设备昂贵。

专利(土壤湿度估计的系统和方法，专利号200910098049)提出利用自然界的闪电等信号进行土壤湿度的测量，则其易受到闪电的随机性影响，效果难以保证。

应用GPS信号的反射信号测量土壤湿度是最近几年发展的一项新技术。GPS信号位于L波段，可以直接穿透云雾，完全不受云盖的影响而到达待测地面。利用现有的GPS系统，可以全天候进行试验，快速获得大量数据，并在短时间内对大片区域进行探测。此外，由于其只需要接收机而不需要发射机，会显著的降低系统费用、复杂度和功耗。GPS信号测量还是一种非接触式的土壤湿度测量方式，可以大大地减少劳动强度。

国外研究者曾利用装备有两套天线系统的接收机在飞机上进行了土壤湿度遥感实验(参见丁金才主编的《GPS气象学及其应用》，气象出版社2009年)，武汉大学电波传播实验室曾利用两个天线和两个接收机，通过分别接收直达信号和经由地面反射的反射信号，然后根据电磁反射模型和土壤湿度的半经验介电常数模型来反演得到土壤湿度，具体实施细节可见文章(严颂华张训械，基于GNSS-R信号的土壤湿度反演研究，电波科学学报2010年第1期)。该方法可利用直达信号与反射信号的反射功率的差异，具有一定的实用价值。

但这些方法需要依靠复杂的接收机设计。主要问题是需要两个天线和两个接收机。由于这种方法主要利用的是接收信号功率的比值，两个天线及接收机必须具有很好的一致性，即具有相同的增益才不至于影响反演的结果。而完全一致的天线和接收机生产会增加生产和调试的成本。一种替换的方法，即进行通道校正的方法需要额外的校准过程，给应用带来麻烦。(严颂华张训械，基于GNSS-R信号的土壤湿度反演研究，电波科学学报2010年第1期)。

可见，本领域亟待研究简单易实施的大面积土壤湿度测量方法。

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明的目的是利用GPS直达信号及由地面土壤反射回来的信号，提供一种对于大面积裸露土壤进行湿度遥测的方法，应用于农业生产。

本发明提供的技术方案是一种大面积土壤湿度测量方法，设置一个垂直极化接收天线、一个GPS接收机，以及进行信号处理的计算机，测量过程包括以下步骤，

步骤1，利用垂直极化天线同时接收来自空中的直达信号和来自地面的反射信号，形成干涉信号；所得干涉信号由GPS接收机接收后输出至进行信号处理的计算机；计算机连续采样获取干涉信号的功率序列。

步骤2，计算机对干涉信号的功率序列进行一阶和二阶微分运算，并根据运算结果给出干涉信号的所有峰值点和谷值点；然后通过峰值点的最小值和谷值点的最大值搜索拐点；