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技术

本发明专利技术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。通过本发明专利技术，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。

A three channel receiver based soil moisture sensing method under GNSS-R vegetation

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电子、信息
，尤其涉及一种基于地基GNSS-R感知植被下土壤湿度的方法。
技术介绍
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，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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：/n步骤1，利用一段时间的数据建立土壤湿度数据库：利用土壤湿度计，对观测区域进行长时间连续性测量，并将土壤湿度数据保存在计算机上的数据库里；/n步骤2：计算n天时间的植被下土壤反射系数的理论值，具体是将步骤1得到的实测土壤湿度数据通过Hallikainen经验模型和菲涅尔方程计算理论土壤反射系数；/n步骤3，采集对应的GNSS数据：利用两个直达天线分别接收植被冠层上方的直达信号数据以及冠层下方的直达信号数据，利用反射天线接收直达信号经过植被二次衰减并且经地表反射的信号数据，三个天线的数据由3通道GNSS-R信号...

【技术特征摘要】
1.一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：
步骤1，利用一段时间的数据建立土壤湿度数据库：利用土壤湿度计，对观测区域进行长时间连续性测量，并将土壤湿度数据保存在计算机上的数据库里；
步骤2：计算n天时间的植被下土壤反射系数的理论值，具体是将步骤1得到的实测土壤湿度数据通过Hallikainen经验模型和菲涅尔方程计算理论土壤反射系数；
步骤3，采集对应的GNSS数据：利用两个直达天线分别接收植被冠层上方的直达信号数据以及冠层下方的直达信号数据，利用反射天线接收直达信号经过植被二次衰减并且经地表反射的信号数据，三个天线的数据由3通道GNSS-R信号接收机同时采集，取北斗3号GEO卫星的信号数据，经过USB串口上传至计算机；
步骤4，计算植被冠层衰减系数：对两个直达信号的信噪比数据同时处理，通过两者之间的信噪比之差，求出植被冠层的衰减系数；
步骤5，计算总体反射系数的实际值：计算植被冠层上方接收到的直达与反射信号之间的信噪比之差，求出总体反射系数的实际值；
步骤6，计算植被下土壤反射系数的实际值：从步骤5计算出的总体反射系数得实际值中扣除步骤4中得到的植被冠层衰减系数，计算出植被下土壤反射系数的实际值；
步骤7，建立线性回归模型：将步骤2求出的植被下土壤反射系数的理论值与步骤6中求出的植被下土壤反射系数的实际值建立线性回归模型，求解两者之间的线性比例系数，方法为最小二乘拟合，从而建立理论值与实际值的对应模型；
步骤8，反演植被下土壤湿度：根据当天所采集的北斗3号GEO卫星的信噪比数据，计算植被下土壤反射系数的实际值，再通过步骤7建立的回归模型修正到理论值，最后通过菲涅尔方程求得土壤的介电常数，再通过Hallikainen经验模型，反演出植被下土壤的湿度值。


2.根据权利要求1所述的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，所述步骤1的方法具体是首先进行实测土壤数据的采集及处理部分，在所研究地区设置一个土壤湿度计，所选取的土壤湿度计为一秒输出一个值，将湿度计插入土壤0-5cm处，连续测得n天的土壤湿度数据mv，数据mv存储格式表达如下：



其中，k行表示一天k个数据。


3.根据权利要求1所述的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，步骤2中，具体是将步骤1土壤湿度数据mv代入以下Hallikainen经验模型中，求出土壤介电常数ε
ε＝(2.862-0.012s+0.001c)+(3.803+0.462s-0.341c)mv+(119.006-0.500s+0.633c)mv2
其中s＝0.51,c＝0.49，土壤介电常数ε存储格式如下



将求出的土壤介电常数ε代入下面的菲涅尔方程可得植被下土壤反射系数的理论值Γ'soil






Γ'soil＝Γ'RL＝0.5(Γ'VV-Γ'HH)
其中θ为北斗3号GEO卫星的入射角为固定值54°，Γ'HH和Γ'VV分别为垂直和水平线性偏振分量，植被下土壤反射系数的理论值Γ'soil存储格式如下





4.根据权利要求1所述的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，所述的步骤3具体包括：在植被冠层上方分别设置一个直达天线1与一个反射天线3，直达天线波束朝向天顶以接收直达信号，反射天线波束朝向地表，以接收直达信号经过植被二次衰减并且经过表反射的信号数据，植被冠层下方设置一个直达天线2，波束朝向天顶，以接收透过植被冠层的直达信号；采集3号GEO卫星的数据，其中包括天线1收到的数据UTC时间T1和信噪比S1，天线2收到的数据UTC时间T2和信噪比S2，天线3收到的数据UTC时间T3和信噪比S3；三路信号由3通道接收机同时采集，由USB接口送至计算机；在此过程中需要特别注意的是，三个接收天线，采用相同的放大增益，避免因增益...

【专利技术属性】
技术研发人员：严颂华，李焱，陈能成，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42