[实用新型]一种基于全球导航卫星信号的地表环境参数监测仪

说明书

本实用新型公开了一种基于全球导航卫星信号的地表环境参数监测仪，地表环境参数监测仪本体设有全球导航卫星信号接收模块、数据通讯模块和数据处理模块。全球当行卫星信号接收模块接收导航卫星信号，将接收到的导航卫星信号发送至数据处理模块；本装置通过数据处理模块，将综合来自接收模块的导航卫星信号和来自通讯模块的广播星历数据，计算导航卫星信号接收机信噪比（SNR），从计算得到的SNR中分离出地表反射信号，对得到的反射信号进行频谱分析，根据经频谱分析得到的频率、振幅和相位等参数反演得到导航卫星接收机天线所处位置周边的三种地表环境参数：土壤湿度、积雪深度和植被指数，从而简化了地表环境参数监测系统。

技术领域

本实用新型涉及一种气象探测技术，尤指一种基于全球导航卫星信号的地表环境参数监测仪。

背景技术

土壤水分(soil moisture)是地表模型的核心变量，是陆地水循环的重要组成部分。其含量随时空变化而不断波动,对地面蒸散发、地表径流量和地表发射率、反射率的研究有着重要意义。在全球陆地和大气的物质与能量的交换中，它深刻地影响着净辐射能量转换为潜热和感热的分配比例。因此，土壤湿度变化趋势对于气候气象预报、在农作物生长和农作物估产、洪水灾害以及水资源循环等相关研究具有重要意义。

目前，主要的土壤湿度测量手段是利用湿度计或遥感卫星进行测量。前者在湿度数据精密测量条件下应用较广，主要应用于小范围以及区域内的土壤湿度检测。虽然，基于湿度计进行的土壤湿度测量具有较高精度，目前也逐步开始建立区域性以及较大范围的数据共享网，但其仍存在一些问题。如以探头为主要感应器的湿度计作为一种有源数据采集手段，其仪器安装以及架构的同时必然存在对被观测对象及其环境的影响和破坏。目前存在的区域性土壤湿度观测网一般覆盖范围较小，且由于土壤类别和仪器种类等其他因素影响，网络之间数据难以同化，使得土壤湿度观测难以实现大范围的高精度测量。而利用遥感卫星进行土壤湿度检测，一般用于较大面积地区和范围的湿度测量，其测量结果也一般应用于气候环境变化检测。

降雪是重要的淡水资源，也是全球气候系统中重要的组成部分。 目前全球雪深(snow depth)探测主要依靠站点稀疏的人工探测仪，观测频率低且观测结果受人为因素影响较大。陆基雪深测量仪器（如超声雪深测量仪、雪枕式雪深测量仪、Gamma射线雪深测量仪等）可以提供高频率的探测数据，但不同的探测原理导致数据难以同化。而利用遥感卫星只能进行大面积积雪覆盖率的探测，无法完成积雪深度的探测。

叶面积指数(leaf area index)又叫叶面积系数，是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。在农业生产中，叶面积指数(LAI)是反映植物群体生长状况的一个重要指标，其大小直接与最终产量高低密切相关。在生态学中，叶面积指数是生态系统的一个重要结构参数，用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息，并在生态系统碳积累、植被生产力和土壤、植物、大气间相互作用的能量平衡，植被遥感等方面起重要作用。

目前，存在多种测量叶面指数的方法。基于直接测量法的专用叶面积仪对被测物具有一定的破坏性。使用光学仪器，如果是基于辐射测量的方法，其结果易受天气影响，需要在晴天下工作；如果是基于图像测量的方法，不仅其速度则较基于辐射测量的仪器慢，且常需要对图像进行后期处理。此外，测量时需要均一的光环境，如黎明、黄昏、阴天等，晴天会使鱼眼镜头低估或者高估太阳辐射或散射。利用遥感卫星可进行大面积叶面指数的探测，但不同植被类型导致反演模型复杂，在应用时需要经常调整。

GNSS-MR (GNSS Multipath Reflectometry)遥感技术利用常规测量型GNSS接收机记录下的信噪比或载波相位观测值便可对土壤水分、降雪深度、叶面指数、海平面变化等地表环境参数进行监测反演，是当前GNSS 遥感领域的最新研究热点。

综上所述，如需要获取某一指定位置周边土壤湿度、积雪深度和叶面指数这三种不同的地表参数，同一地点需针对每一个不同的参数架设专用的监测仪器。系统构成复杂，观测原理各异，不利于数据同化应用。