鄒文博，張　波，洪學(xué)寶，楊東凱，崔兆韻

1. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191; 2. 山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，山東 泰安271000

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利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)反演土壤濕度

鄒文博1，張波1，洪學(xué)寶1，楊東凱1，崔兆韻2

1. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191; 2. 山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，山東 泰安271000

Foundation support： The National High-tech Research and Development Program of China (863 Program) (No.2013AA122402)

摘要：提出了一種基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的土壤濕度長(zhǎng)期連續(xù)探測(cè)方法，建立了土壤濕度反演模型，給出了信號(hào)處理的一般流程，并搭建陸基接收平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。該方法采用GNSS-R雙天線體制接收處理北斗GEO衛(wèi)星直射和土壤反射信號(hào)，在信號(hào)同步的基礎(chǔ)上提取信號(hào)功率并計(jì)算土壤反射率，進(jìn)而根據(jù)反演模型得到土壤濕度。以北斗GEO衛(wèi)星作為信號(hào)源，該方法可以在信號(hào)處理中省去一般GNSS-R處理過程的定位解算環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固定區(qū)域土壤濕度的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的土壤濕度反演結(jié)果在時(shí)間和數(shù)值上均具有良好的連續(xù)性，與土壤濕度參考值相吻合，均方根誤差達(dá)到0.049，較北斗IGSO和GPS MEO衛(wèi)星在反演土壤濕度方面性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；反射信號(hào)處理；遙感應(yīng)用；土壤濕度反演

土壤濕度是水文、農(nóng)業(yè)、氣象方面的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于全球水循環(huán)有著重要的影響。相對(duì)于傳統(tǒng)的烘干稱重法和時(shí)域反射儀 (time domain reflectometer，TDR)、頻域反射儀 (frequency domain reflectometer，F(xiàn)DR)等接觸式土壤濕度探測(cè)技術(shù)，微波遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸、大范圍的土壤濕度探測(cè)[1-2]。作為遙感技術(shù)的重要分支，GNSS-R技術(shù)利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)及其地表反射信號(hào)作為信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于地球表面信息遙感領(lǐng)域，土壤濕度反演是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容[3-6]。

目前歐美國(guó)家在基于GNSS-R的土壤濕度探測(cè)技術(shù)方面作了大量基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)。NASA(National Aeronautics and Space Administration)進(jìn)行的土壤濕度探測(cè)試驗(yàn)SMEX02驗(yàn)證了利用GPS衛(wèi)星反射信號(hào)幅度進(jìn)行土壤濕度探測(cè)的可行性[7]。近幾年發(fā)展起來的干涉圖技術(shù)(interference pattern GNSS-R technique，IPT)提供了另外一種利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)反演土壤濕度的方法，即利用導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號(hào)與地表反射信號(hào)在天線處發(fā)生的干涉實(shí)現(xiàn)土壤濕度反演[8]。另外，通過借鑒其他遙感手段中植被散射的相關(guān)研究[9-10]，土壤濕度探測(cè)過程中的植被影響修正問題以及衍生出的植被參數(shù)估計(jì)等課題的研究工作也已經(jīng)逐步開展起來[11]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究工作也已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、武漢大學(xué)[12]、中國(guó)氣象局、中科院空間中心、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)[13]、航天恒星(503所)和中科院上海天文臺(tái)[14-15]等單位的部分學(xué)者已經(jīng)在基于GNSS-R的土壤濕度探測(cè)理論、探測(cè)體制以及植被影響修正等方面都取得了有意義的成果。

北斗系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，目前已能夠提供區(qū)域服務(wù)，其空間星座由地球靜止軌道(GEO)、中圓地球軌道(MEO)和傾斜地球同步軌道(IGSO)3種不同軌道的衛(wèi)星組成[16]。由于GEO衛(wèi)星相對(duì)地球表面靜止，在地基接收條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定區(qū)域土壤濕度的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，極具發(fā)展前景和應(yīng)用潛力?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的地基土壤濕度遙感方法。

1基于北斗GEO反射信號(hào)的土壤濕度反演方法

1.1北斗GEO衛(wèi)星信號(hào)反射過程幾何關(guān)系

圖1所示為北斗GEO衛(wèi)星信號(hào)反射過程中的幾何關(guān)系，其中北斗GEO衛(wèi)星相對(duì)地球表面靜止，采用地基觀測(cè)條件下的非移動(dòng)平臺(tái)接收反射信號(hào)，即接收平臺(tái)也相對(duì)于地球表面靜止。根據(jù)文獻(xiàn)[17]中給出的鏡面反射點(diǎn)和探測(cè)區(qū)域的計(jì)算方法，反射信號(hào)的鏡面反射點(diǎn)和探測(cè)區(qū)域均固定，可以利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)長(zhǎng)期連續(xù)遙感固定區(qū)域地表的土壤濕度。另外需要指出，利用反射信號(hào)反演土壤濕度的有效探測(cè)深度為地表至地表下5 cm左右[4]。

圖1　北斗GEO衛(wèi)星信號(hào)反射過程中的幾何關(guān)系Fig.1　Geometry of BeiDou GEO satellite signal reflection

1.2基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的土壤濕度反演模型

北斗GEO導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)極化方式為右旋圓極化。根據(jù)電磁波反射理論，對(duì)于不含磁性成分的土壤表面，右旋圓極化波的反射波一般為橢圓極化波，可分解為一對(duì)相互正交的左旋和右旋圓極化波，隨著衛(wèi)星高度角的增大，反射信號(hào)右旋分量迅速減小，左旋分量占主導(dǎo)作用，故一般采用左旋圓極化天線接收反射信號(hào)。理想情況下，右旋入射左旋出射時(shí)的反射率為

(1)

式中，θ為GEO衛(wèi)星高度角；ε為土壤相對(duì)介電常數(shù)。

但一般土壤表面不光滑，必須考慮地表粗糙度影響，此時(shí)反射率R可表示為[18]

(2)

式中，k=2πf/c為波數(shù)，f為載波頻率，c為光速；σh為地表高度標(biāo)準(zhǔn)差。圖2給出了考慮地表粗糙度前后反射率曲面變化。

在采用地基非移動(dòng)接收平臺(tái)接收北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的條件下，θ為常數(shù)，反射率R只表現(xiàn)為ε的單調(diào)遞增函數(shù)，那么在土壤的介電常數(shù)范圍內(nèi)R存在反函數(shù)

(3)

式中，R0為對(duì)應(yīng)于土壤介電常數(shù)ε的反射率；Pr為反射信號(hào)功率；Pd為直射信號(hào)功率。

土壤介電常數(shù)與土壤濕度關(guān)系由土壤介電常數(shù)模型給出。土壤的四分量理論模型[19]詳盡描述了上述二者關(guān)系，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際工程應(yīng)用中多采用簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突虬虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Dobson經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚20]、Hallikainen經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚21]、Topp經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚22]等)。本文采用文獻(xiàn)[23]中給出的，1.5 GHz頻率下GNSS-R遙感使用的Wang經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

ε=3.1+17.36SM+63.12SM2+

j(0.031+4.65SM+20.42SM2)

(4)

式中，ε為土壤的介電常數(shù)；SM為土壤的體積濕度；j為虛數(shù)單位。

求解式(4)所代表的一元二次方程，結(jié)合土壤濕度實(shí)際范圍，最終得到基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)的土壤濕度反演模型

(5)

2土壤濕度反演中的北斗GEO衛(wèi)星信號(hào)處理

文獻(xiàn)[24]中給出了GNSS-R的一般處理架構(gòu)。相對(duì)于其他類型GNSS衛(wèi)星，北斗GEO衛(wèi)星相對(duì)地球表面靜止，利用其反射信號(hào)反演土壤濕度并不需要在信號(hào)接收處理過程中解算衛(wèi)星高度角和方位角，只需要將這些角度信息存儲(chǔ)在本地，再根據(jù)同步過程中得到的衛(wèi)星 (pseudorandomnoisecode，PRN) 編號(hào)在本地查找即可，可以降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，節(jié)省資源。

北斗GEO直射與反射信號(hào)處理過程如圖3所示。

其基本處理過程為：分別利用直射信號(hào)接收天線和反射信號(hào)接收天線接收北斗GEO衛(wèi)星的直射信號(hào)和地面反射信號(hào)，將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)射頻前端濾波下變頻轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)，通過A/D采樣量化得到數(shù)字中頻信號(hào)，最后將數(shù)字中頻信號(hào)傳遞給軟件或硬件進(jìn)行處理。北斗GEO衛(wèi)星數(shù)字中頻信號(hào)的處理流程可以分為如下步驟：

(1) 信號(hào)同步。土壤表面反射信號(hào)信噪比過低不足以單獨(dú)進(jìn)行信號(hào)同步，需依賴于直射信號(hào)的同步輔助來實(shí)現(xiàn)。首先采用常規(guī)同步方法完成對(duì)直射信號(hào)的捕獲跟蹤，之后采用開環(huán)方法實(shí)現(xiàn)反射信號(hào)同步。

(2) 直射與反射信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算。在信號(hào)同步完成后，將直射和反射信號(hào)分別與本地同步信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以獲取直射和反射信號(hào)相關(guān)功率，相關(guān)過程中以相干和非相干累加相結(jié)合的方式提高信噪比。

(3) 土壤濕度反演。利用相關(guān)運(yùn)算得到的相關(guān)功率結(jié)果計(jì)算反射率，并修正天線增益對(duì)反射率的影響，根據(jù)式(5)計(jì)算得到土壤濕度。對(duì)于得到的土壤濕度反演結(jié)果，選取合適的濾波方法去除粗值并進(jìn)行曲線平滑。

3地基土壤濕度探測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果

3.1試驗(yàn)介紹

2014年11月26日至28日，筆者所在課題組于山東省泰安市岱岳區(qū)氣象局試驗(yàn)田(36.16°N，117.15°E)進(jìn)行了為期3d的GNSS-R土壤濕度探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)田種植作物為生長(zhǎng)初期的冬小麥，土壤表面均方根高度約為0.02m。

本次試驗(yàn)包括兩個(gè)主要內(nèi)容：

(1) 北斗和GPS信號(hào)采集。試驗(yàn)采用右旋圓極化天線接收北斗和GPS衛(wèi)星直射信號(hào)，采用左旋圓極化天線接收反射信號(hào)，以雙通道GNSS信號(hào)采集卡和裝有配套采集軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集。直射信號(hào)接收天線水平朝上安裝，反射信號(hào)接收天線朝下安置，并保證反射天線有效照射區(qū)域落在試驗(yàn)田內(nèi)，兩天線不相互遮擋，天線架對(duì)信號(hào)接收無實(shí)質(zhì)干擾。

(2) 烘干稱重法實(shí)測(cè)土壤濕度。為了分析利用北斗和GPS反射信號(hào)探測(cè)土壤濕度的結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)置烘干稱重法測(cè)定土壤濕度的對(duì)比試驗(yàn)。由專業(yè)人員在信號(hào)采集過程中的每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行一次土樣采集，對(duì)土樣進(jìn)行烘干稱重處理得到土壤重量濕度值，烘干溫度為105℃，時(shí)長(zhǎng)為8h。根據(jù)事先測(cè)定的土壤容重，計(jì)算土壤體積濕度。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

處理采集到的北斗及GPS衛(wèi)星直射和反射數(shù)字中頻信號(hào)，進(jìn)行土壤濕度反演。在天線架設(shè)和試驗(yàn)場(chǎng)地條件約束下，北斗PRN1 (GEO)、PRN4 (GEO)、PRN8 (IGSO)和GPS中PRN2 (MEO)、PRN13(MEO)、PRN17 (MEO)衛(wèi)星的反射信號(hào)可以滿足觀測(cè)條件。圖4所示為GNSS-R土壤濕度反演結(jié)果，為了與烘干稱重法測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，這里僅給出了每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻的反演結(jié)果。圖中0～600min、600～1200min、1200～1800min的每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別代表11月26日至28日8:00—18:00的每1min，信號(hào)采集的時(shí)間區(qū)間為120～540min、660～1140min、1260～1740min，其中800～1200min部分時(shí)段有降雨出現(xiàn)。圖5(a)給出了不同時(shí)刻的GNSS-R測(cè)量誤差，圖5(b)為反演結(jié)果與烘干稱重法測(cè)量值的相關(guān)性。

圖2　理想情況(a)與考慮地表粗糙度情況(b)下，反射率與介電常數(shù)和衛(wèi)星高度角關(guān)系Fig.2　Relationship among reflectivity, dielectric constant and elevation under ideal conditions(a)and the conditions considering surface roughness(b)

圖3　北斗GEO信號(hào)的接收處理Fig.3　Processing architecture of BeiDou GEO signal for soil moisture retrival

圖4　土壤濕度反演結(jié)果與烘干稱重法測(cè)量值對(duì)比Fig.4　Comparison between the soil moisture results retrieved by BeiDou and GPS reflected signals and the reference value of soil moisture

圖5　土壤濕度測(cè)量誤差與結(jié)果相關(guān)性Fig.5　Error and relevance between retrieval and reference value of soil moisture

由圖4和圖5可以看出北斗GEO衛(wèi)星的反演結(jié)果優(yōu)于北斗IGSO衛(wèi)星及GPSMEO衛(wèi)星的結(jié)果，具體分析如下：

(1) 與GPSMEO衛(wèi)星及北斗IGSO衛(wèi)星相比，北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果均勻覆蓋整個(gè)時(shí)間采集區(qū)間，表明利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(2)GPSMEO衛(wèi)星及北斗IGSO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果波動(dòng)大，而北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果總體上是一條連續(xù)的曲線，相鄰測(cè)量結(jié)果之間變化量不大，與土壤濕度的連續(xù)變化一致。特別的，11月27日部分試驗(yàn)時(shí)段出現(xiàn)了降雨，GNSS-R測(cè)量結(jié)果整體上表現(xiàn)為上升狀態(tài)，相對(duì)于GPSMEO衛(wèi)星及北斗IGSO衛(wèi)星，北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果更好地反映了土壤濕度的變化趨勢(shì)。

(3) 北斗IGSO衛(wèi)星和GPSMEO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果的絕對(duì)誤差集中在0~0.2之間，均方根誤差分別為0.129和0.086，而北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度反演結(jié)果的絕對(duì)誤差集中在0~0.1之間，均方根誤差為0.049，說明利用北斗GEO衛(wèi)星反演得到的土壤濕度誤差小，結(jié)果更優(yōu)。其原因是：北斗GEO衛(wèi)星相對(duì)于地表靜止，反射區(qū)固定，地表粗糙度參數(shù)不變，反演結(jié)果的波動(dòng)取決于土壤濕度的變化；而北斗IGSO及GPSMEO衛(wèi)星信號(hào)的反射區(qū)隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)不斷變化，地表粗糙度的不一致導(dǎo)致粗糙度修正不足或過度，且不同反射區(qū)的土壤濕度也有差別，二者共同作用使得反演結(jié)果波動(dòng)大誤差大。

(4) 對(duì)于北斗GEO衛(wèi)星，PRN1及PRN4的反演結(jié)果與烘干稱重法測(cè)量值相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.68，均方根誤差分別為0.04和0.05，說明PRN1的反演結(jié)果更優(yōu)。其原因?yàn)镻RN1高度角更大，根據(jù)第2節(jié)給出的土壤濕度反演表達(dá)式并結(jié)合誤差傳遞理論，可知衛(wèi)星高度角大時(shí)反演結(jié)果誤差小。故本文所述方法更適用于利用高度角大的GEO衛(wèi)星進(jìn)行土壤濕度反演。

4結(jié)論

本文論述了利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)進(jìn)行土壤濕度反演的方法，給出了北斗GEO信號(hào)接收處理的一般流程，進(jìn)行了土壤濕度探測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度測(cè)量值在時(shí)間和反演結(jié)果上均具有良好的連續(xù)性，與烘干稱重法測(cè)量值相吻合，均方根誤差為0.049，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)固定區(qū)域土壤濕度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。但試驗(yàn)場(chǎng)地覆蓋植被對(duì)于土壤濕度反演結(jié)果存在一定影響，本文試驗(yàn)結(jié)果并未考慮植被因素，土壤濕度反演過程中的植被影響修正將是筆者今后的研究方向。

致謝：感謝中國(guó)氣象局、泰安市氣象局、泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站在本次試驗(yàn)開展過程中提供的幫助，特別感謝泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站為本次試驗(yàn)提供的技術(shù)支持。

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(責(zé)任編輯：張艷玲)

修回日期： 2015-08-28

Soil Moisture Retrieval Using Reflected Signals of BeiDou GEO Satellites

ZOU Wenbo1, ZHANG Bo1, HONG Xuebao1, YANG Dongkai1, CUI Zhaoyun2

1. School of Electronic and Information Engineering，Beihang University, Beijing 100191, China; 2. Tai’an Agricultural Meteorological Station of Shandong Province, Tai’an 271000, China

Abstract：This paper proposes a method of continuous long-term soil moisture measurement using signals from BeiDou GEO satellites. It also presents the soil moisture inversion model as well as the relevant signal processing steps. Moreover, a land-based experiment is carried out to verify its validity. This method adopts the dual-antenna Global Navigation Satellite System Reflection (GNSS-R) mode to receive and process direct signal from BeiDou GEO satellites and reflected signal from soil. Based on signal synchronization, the reflectivity of soil can be calculated according to the extracted signal power values. And then, the soil moisture can be obtained in light of the inversion model. By taking singals from BeiDou GEO satellites, not only the positioning calculation step of general GNSS-R data processing can be ignored, but also a continuous long-term observation of soil moisture for fixed area can be realized. Experiment results based on the method above show a good continuity in both time and magnitude. They are also highly consistent with reference values and the root mean square error equals to 0.049. Compared with BeiDou IGSO and GPS MEO satellites, BeiDou GEO satellites can present a better performance in soil moisture retrieval.

Key words：Global Navigation Satellite System; reflected signals processing; remote sensing applications; soil moisture retrieval

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃(2013AA122402)

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)02-0199-06

作者簡(jiǎn)介：第一 余岸竹(1989—)，男，博士生，研究方向?yàn)楹娇蘸教旄呔饶繕?biāo)定位理論與方法。

收稿日期：2014-12-10

First author： YU Anzhu(1989—), male, PhD candidate, majors in high precision photogrammetric point determination theory and method.

E-mail： anzhu_yu@126.com

引文格式：鄒文博，張波，洪學(xué)寶，等.利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)反演土壤濕度[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(2)：199-204. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150135.

ZOU Wenbo, ZHANG Bo, HONG Xuebao, et al.Soil Moisture Retrieval Using Reflected Signals of BeiDou GEO Satellites[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(2):199-204. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150135.