[发明专利]一种利用三通道接收机的地基GNSS-R植被下土壤湿度感知方法

说明书

本发明提供了一种利用三通道接收机的地基GNSS‑R植被下土壤湿度感知方法，可根据实测土壤湿度数据计算出植被下土壤反射系数的理论值，然后通过两个直达天线，一个反射天线采集的对应的GNSS数据，根据不同天线采集到的北斗3号GEO卫星的信噪比数据，计算出植被下土壤反射系数的实际值。通过最小二乘法，建立理论值与实际值之间的线性回归模型，最后根据当天所采集的GNSS数据，求出植被下土壤反射系数的实际值，代入线性回归模型，根据菲涅尔方程和Hallikainen经验模型，即可反演出植被下土壤的湿度值。通过本发明，能够对同一地区植被下土壤湿度实施长时间连续性监测，对土壤湿度测量有重要意义。

技术领域

本发明涉及电子、信息技术领域，尤其涉及一种基于地基GNSS-R感知植被下土壤湿度的方法。

背景技术

土壤湿度是土地资源和环境管理的重要参数。土壤湿度的定量观测早已成为气象学、水文学、生态学、农业以及地球科学等众多学科和领域关注的重要内容。

目前测量土壤湿度的方法主要有下列这些，他们有着各种优缺点。

利用SAR卫星的遥感土壤湿度测量法(李平湘,刘致曲,杨杰,孙维东,黎旻懿,任烨仙.利用随机森林回归进行极化SAR土壤水分反演[J].武汉大学学报(信息科学版),2019,44(03):405-412) 利用SAR极化特征对生物量的敏感性，建立遥感数据与土壤湿度间的关系模型，从而反演出土壤水分。但是该方法受限于SAR卫星的重返周期，数据的时间连续性不高，同一地方需几日才能获得一场数据。

有学者用实测法，提取土壤样本，测量脱水前后土壤样本质量，求出土壤湿度(专利 CN109900589A)。该方法可以准确测量各种土壤条件下的土壤湿度，但实测范围有限，人力财力耗费大，实施测量不便利。

目前一些学者开展了利用导航反射信号(GNSS-R)测量土壤湿度的研究。在地面上设置导航反射信号接收机来反演土壤湿度。一种方法是利用一个右旋RHCP天线同时接收GNSS 直射信号和经过土壤反射的信号，从二者的干涉功率峰谷值中提取介电常数进而反演土壤湿度(专利CN106093076A)，但该方法只能求裸土的土壤湿度，不能计算植被下土壤湿度。还有学者利用二个天线和双通道接收机进行过反射信号和直达信号的比值研究来反演土壤湿度 (张强,李莲芳,杨世琦,范莉,何泽能.GNSS-R陆面遥感为重要补充的土壤水分监测体系设计[J]. 西南大学学报(自然科学版),2019,41(03):114-119)，但该方法主要利用的是GPS卫星直达信号数据，每天对同一地区采集时长有限，且不能反演植被下土壤湿度。另外还有基于GPS多星三频数据融合的GNSS-IR土壤湿度反演方法(孙波,梁勇,汉牟田,杨磊,荆丽丽,洪学宝.基于GPS 多星三频数据融合的GNSS-IR土壤湿度反演方法.北京航空航天大学学报:1-9[2019-09-26])将 GPS多星的L1，L2，L5频段数据加权融合进行联合反演的方法，但也没有计算出植被下土壤湿度。这些方法由于接收信息有限，主要解决裸土下土壤湿度反演问题。

但是陆地区域很大面积被植被所覆盖，例如农田，因此植被下土壤湿度有着重要的作用。由于受到植被的衰减，前述的GNSS-R的方法没能较好的反演出植被下土壤湿度，利用地基 GNSS-R反演植被下土壤湿度仍需要探索。

发明内容

为了克服现有技术的局限性，本发明利用三通道接收机来解决植被衰减量问题，即利用其中两个天线接收信号的组合来估算植被引起的信号的衰减量，另外二个天线的组合求出总体反射系数，然后扣除植被衰减量的影响。再由地面一段时间实测的土壤湿度数据库和反射系数库，建立信噪比与土壤湿度的数学模型。在之后的应用中，则可以利用天线采集的信噪比数据，代入该数学模型，从而估计出相对应的土壤湿度，应用于农业或气象研究。

本发明的技术方案是设置3通道接收机，分别连接两个直达接收天线，一个反射接收天线。利用三通道接收机的数据反演土壤湿度的过程包括以下步骤：

一种利用三通道接收机的地基GNSS-R植被下土壤湿度感知方法，其特征在于，包括：