一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，该方法通过测量空气中GNSS信号直射信号与土壤中GNSS折射信号的功率比反演地表土壤湿度，利用连接土壤中天线(主天线)、空气中天线(辅天线)的GNSS接收设备输出的SNR观测值实现功率比的准确获取；利用该多项式函数、GNSS SNR观测值、土壤温度观测值实现地表土壤湿度的测量。该方法可利用低成本、导航型、消费级GNSS接收器和天线采集的数据，实现地表土壤湿度的连续、近实时、高精度测量，且对使用环境要求较低、便于部署和实施，能够有效解决地表土壤湿度高精度、实时(近实时)监测的技术难题。监测的技术难题。监测的技术难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法


[0001]本专利技术属于陆地自然环境监测领域，尤其是涉及一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，该方法可用于地表土壤水分变化监测、作物灌溉调节、气象干旱监测以及预测等。

技术介绍

[0002]土壤水是陆地水资源的重要组成部分，是农业生态系统的生命线，也是陆地大气耦合系统中水循环和能量循环之间的纽带。相对于深层土壤湿度(10cm以深)，地表土壤湿度(0
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10cm)对太阳辐射、大气降水等事件极为敏感，获取准确、连续、近实时的土壤湿度动态变化信息对农业灌溉、水文气象、旱灾防御等至关重要。例如，在农业领域，根据土壤湿度实时监测数据、结合作物自身需水特性，适度对土壤湿度调节，可促进作物发育、提高产量。在气象领域，地表土壤湿度是多种干旱预测模型、旱情评估指标的必要输入参数，准确的地表土壤湿度信息是干旱灾害精准预测、评估的前提和基础。
[0003]GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)：首先，准备测量所用设备，该方法所用的设备包括2颗GNSS天线、2个GNSS接收设备、2个温度传感器和1个电磁屏蔽板；步骤(2)：将一颗GNSS天线和温度传感器布设在地表的土壤中，以获取GNSS SNR和土壤温度观测数据；使用立柱将电磁屏蔽板架高、离开地面一定距离，电磁屏蔽板的最大高度为1.5m；将另一颗GNSS天线部署在电磁屏蔽板的中心位置；其中2颗GNSS天线中心点的水平距离大于等于2m，且主天线和辅天线的安装方向在水平面和垂直面内均应相同或相近，安装方向的最大差异小于45
°
；利用连接土壤中GNSS天线、空气中GNSS天线的GNSS接收设备输出的SNR观测值实现功率比的准确获取；步骤(3)：将2颗GNSS天线测得的GNSS SNR观测值，以及地下温度传感器测得的土壤温度观测值转换为土壤湿度观测值；具体地，将功率比、土壤温度、土壤湿度三者之间的关系确定为不低于二阶、不高于三阶的多项式函数；函数以功率比、土壤温度为自变量，土壤湿度为因变量；多项式函数的系数通过同步实测的功率比、土壤温度、土壤湿度离散数据序列，基于最小二乘参数估计的方法得到；利用该多项式函数、GNSS SNR观测值、土壤温度观测值实现地表土壤湿度的测量。2.根据权利要求1所述的基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，其特征在于，步骤(1)中GNSS天线的增益模式为右旋圆极化增益；GNSS天线使用无保护罩或无整流罩的类型；如果天线带有外壳，外壳与天线电气馈点的间隙小于1cm；GNSS接收设备的采样频率高于0.01Hz；GNSS接收设备能够输出SNR观测值，且SNR观测值的最低分辨率大于0.2dB
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Hz；温度传感器的测量精度优于1℃；电磁屏蔽板采用圆形或矩形实现，其任意两端与中心连线的最小距离大于2倍的GNSS电磁波波长。3.根据权利要求1所述的基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，其特征在于，步骤(2)中土壤中的GNSS天线和温度传感器部署方式如下：(1)在地表面选择一块面积大于等于50cm
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50cm的矩形区域，选取区域的地表要求平坦、无明显系统性倾斜，选取区域地表高程的标准差小于2cm；(2)沿选取区域的中心线垂直切开露出土壤剖面，在土壤剖面上、区域中心处，根据GNSS天线尺寸横向开挖一个水平安装孔，安装孔距离地表面0～10cm之间，将GNSS天线固定在水平向的安装孔中，并温度传感器紧贴GNSS天线安装；(3)将开挖的土壤回填到原位置并进行平整，完成地下G...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云伟，徐天河，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：