一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法技术

本发明专利技术公开一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，包括获取深层土壤数据、计算深层土壤发射率和反射率、构建反演模型以及反演深层土壤湿度；本发明专利技术先基于微波遥感获取待测深层土壤的亮度温度，并通过土壤测量仪器获取待测深层土壤的物理温度，再由获取的数据计算深层土壤的发射率和反射率，并通过构建的反演模型对土壤的发射率、反射率以及等效介电常数进行反演，从而获得深层土壤湿度，相比传统测量方法机理简单，处理步骤简单，易于操作，应用成本不高，可以满足规定时间内获取大范围的深层土壤湿度空间分布信息，通过对获取数据的预处理，一定程度上保证了测量的精度，从而扩大了应用范围，可以适用于不同的应用场景，值得广泛推广使用。广泛推广使用。广泛推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法


[0001]本专利技术涉及土壤水分含量反演
，尤其涉及一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法。

技术介绍

[0002]土壤水为土壤层内的非饱和水体，广泛分布于陆地表层，又是植物生长的必要水源，因此土壤水资源是关系着农业生产质量的重要资源，同时，土壤水资源是地表水与地下水相互转化的纽带，它可以以蒸散发的形式进入大气，又以降水的形式在土壤表层中得到补充，可以说是地表能量交换中的核心因素，也是全球地表物质能量循环的重要载体组成，土壤中的含水率亦称土壤湿度，是表示土壤干湿程度的物理量，是土壤含水量的一种相对变量，通常用土壤含水量占干土重的百分数表示，亦称土壤水分，土壤水分在多种水文模型、气候模型和生态模型中都是及其重要的输入参数，在干旱、洪涝、泥石流滑坡等自然灾害中，土壤水分的分布和时空变化可以建立相应模型，提供更好的帮助和支持。
[0003]目前，测量土壤中水分的方法有很多，但现有的方法反演深层土壤水分的机理较为复杂，处理步骤繁琐，一定程度上提高了方法的应用成本，不便于推广，且传统测量方法不能满足规定时间内获取大范围的深层土壤湿度空间分布信息，且测量精度得不到保证，从而使应用范围受到限制，无法适用于不同的应用场景，适用性较低，因此，本专利技术提出一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，该方法先基于微波遥感获取待测深层土壤的亮度温度，并通过土壤测量仪器获取待测深层土壤的物理温度，再由获取的数据计算深层土壤的发射率和反射率，并通过构建的反演模型对土壤的发射率、反射率以及等效介电常数进行反演，从而获得深层土壤湿度，相比传统测量方法机理简单，处理步骤简单，易于操作，应用成本不高，可以满足规定时间内获取大范围的深层土壤湿度空间分布信息。
[0005]为了实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：先通过微波遥感发射机在高空对监测区域发射射频信号到深层土壤目标，再通过微波遥感接收机接收深层土壤目标的回波信号，测得深层土壤的亮度温度，接着在监测区域进行钻孔，钻孔深度为5～10米，然后将土壤测量仪器的探头伸入钻孔内，并测量深层土壤的物理温度；
[0007]步骤二：先对获取的土壤亮度温度数据和土壤物理温度数据进行包括滤波降噪、几何校正以及辐射校正的预处理，再构建双谱散射模型，并根据预处理后土壤亮度温度数据和土壤物理温度数据计算土壤的发射率，接着由土壤的发射率计算出土壤的反射率；
[0008]步骤三：基于深度置信网络结构模型，以全连接层为基本单位构建包括输入模块、
特征挖掘模块、数值模拟模块和输出模块的土壤湿度反演模型；
[0009]步骤四：先获取监测区域深层土壤的等效介电常数，再将土壤的等效介电常数、土壤的发射率和土壤的反射率输入土壤湿度反演模型进行反演，最后得到深层土壤的湿度反演值。
[0010]进一步改进在于：所述步骤一中，所述微波遥感发射机发射的射频信号频率为4GHz
‑
6GHz，所述微波遥感发射机上搭载有极化天线，所述极化天线采用垂直接收极化和水平接收极化，所述天线入射角为30
°
～45
°
。
[0011]进一步改进在于：所述步骤一中，所述土壤测量仪器的采用单片机加温度传感器的方式实现，所述温度传感器设于土壤测量仪器的探头内，所述温度传感器选用数字温度传感器或热敏电阻温度传感器，温度量程在
‑
30℃～50℃之间，所述土壤测量仪器的探头经过防腐蚀和防水处理。
[0012]进一步改进在于：所述步骤二中，所述土壤的发射率等于土壤亮度温度和土壤物理温度之比，所述土壤的反射率和土壤的发射率之和等于1。
[0013]进一步改进在于：所述步骤二中，所述构建双谱散射模型的具体步骤为在谱域构造随机粗糙面，并通过分割相关谱将其分解为两个独立的随机粗糙面之和，在基尔霍夫模型和小扰动模型的基础上，采用表面谱域理论，构造一个双谱表面，并选用对应的表面谱滤波器，获得随机粗糙面双谱散射模型。
[0014]进一步改进在于：所述步骤三中，所述全连接层中的每个神经元与其前一层的所有神经元进行全连接，并将改神经元前面的全连接层提取到的特征综合起来。
[0015]进一步改进在于：所述步骤三中，所述输入模块用于输入参数数据，所述特征挖掘模块用于提取输入参数数据中的特征，所述数值模拟模块用于将挖掘的特征进行表达，所述输出模块用于输出土壤湿度值。
[0016]进一步改进在于：所述步骤四中，获取监测区域深层土壤的等效介电常数具体步骤为：采集监测区域深层土壤的样本并进行成分分析，得到土壤成分构成，由土壤的成分构成计算土壤的等效介电常数。
[0017]本专利技术的有益效果为：本专利技术先基于微波遥感获取待测深层土壤的亮度温度，并通过土壤测量仪器获取待测深层土壤的物理温度，再由获取的数据计算深层土壤的发射率和反射率，并通过构建的反演模型对土壤的发射率、反射率以及等效介电常数进行反演，从而获得深层土壤湿度，相比传统测量方法机理简单，处理步骤简单，易于操作，应用成本不高，可以满足规定时间内获取大范围的深层土壤湿度空间分布信息，通过对获取数据的预处理，一定程度上保证了测量的精度，从而扩大了应用范围，可以适用于不同的应用场景，值得广泛推广使用。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术实施例一的方法流程示意图。
具体实施方式
[0020]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]实施例一
[0022]参见图1，本实施例提供了一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，包括以下步骤：
[0023]步骤一：先通过微波遥感发射机在高空对监测区域发射射频信号到深层土壤目标，再通过微波遥感接收机接收深层土壤目标的回波信号，测得深层土壤的亮度温度，接着在监测区域进行钻孔，钻孔深度为5米，然后将土壤测量仪器的探头伸入钻孔内，并测量深层土壤的物理温度，微波遥感发射机发射的射频信号频率为4GHz，微波遥感发射机上搭载有极化天线，极化天线采用垂直接收极化和水平接收极化，天线入射角为30
°
，土壤测量仪器的采用单片机加温度传感器的方式实现，温度传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：先通过微波遥感发射机在高空对监测区域发射射频信号到深层土壤目标，再通过微波遥感接收机接收深层土壤目标的回波信号，测得深层土壤的亮度温度，接着在监测区域进行钻孔，钻孔深度为5～10米，然后将土壤测量仪器的探头伸入钻孔内，并测量深层土壤的物理温度；步骤二：先对获取的土壤亮度温度数据和土壤物理温度数据进行包括滤波降噪、几何校正以及辐射校正的预处理，再构建双谱散射模型，并根据预处理后土壤亮度温度数据和土壤物理温度数据计算土壤的发射率，接着由土壤的发射率计算出土壤的反射率；步骤三：基于深度置信网络结构模型，以全连接层为基本单位构建包括输入模块、特征挖掘模块、数值模拟模块和输出模块的土壤湿度反演模型；步骤四：先获取监测区域深层土壤的等效介电常数，再将土壤的等效介电常数、土壤的发射率和土壤的反射率输入土壤湿度反演模型进行反演，最后得到深层土壤的湿度反演值。2.根据权利要求1所述的一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，其特征在于：所述步骤一中，所述微波遥感发射机发射的射频信号频率为4GHz
‑
6GHz，所述微波遥感发射机上搭载有极化天线，所述极化天线采用垂直接收极化和水平接收极化，所述天线入射角为30
°
～45
°
。3.根据权利要求1所述的一种基于微波遥感的深层土壤湿度反演方法，其特征在于：所述步骤一中，所述土壤测量仪器的采用单片机加温度传感器的方式实现，所述温度传感器设于土壤测量仪器的探头内...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹建军，刘永娟，王月，李金莲，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，
类型：发明
国别省市：