李偉， 陳秀萬， 彭學(xué)峰， 肖漢

(北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871)

GNSS-R土壤濕度估算體系架構(gòu)研究與初步實(shí)現(xiàn)

李偉， 陳秀萬， 彭學(xué)峰， 肖漢

(北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871)

土壤濕度估算是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)反射信號(hào)遙感技術(shù)(GNSS reflectometry，GNSS-R)重要研究領(lǐng)域之一，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者在GNSS-R土壤濕度估算的理論可行性、信號(hào)接收處理方式、地基/空基試驗(yàn)、估算模型及其精度評(píng)價(jià)等方面做了大量研究工作，對(duì)GNSS-R陸面遙感技術(shù)應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。在對(duì)GNSS-R土壤濕度估算的研究成果進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，建立GNSS-R土壤濕度估算體系架構(gòu)，利用MATLAB進(jìn)行土壤濕度估算模型集成與軟件實(shí)現(xiàn)。結(jié)合研究機(jī)構(gòu)公開數(shù)據(jù)集對(duì)軟件中的估算模型和功能進(jìn)行驗(yàn)證，表明該軟件能夠?yàn)殚_展GNSS-R土壤濕度估算的數(shù)據(jù)處理、模型驗(yàn)證等提供技術(shù)支持。

GNSS-R，土壤濕度，體系架構(gòu)，MATLAB，模型集成

0 引言

利用L波段反射信號(hào)對(duì)土壤濕度敏感的特性，通過測(cè)量直射與反射信號(hào)參數(shù)間的變化，進(jìn)行土壤濕度反演是GNSS-R技術(shù)陸面遙感應(yīng)用的重要研究方向，具有傳統(tǒng)微波遙感技術(shù)手段在快速、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)間序列獲取土壤濕度時(shí)空變化趨勢(shì)方面不可替代的優(yōu)勢(shì)[1-2]。

自NASA利用延遲映射接收機(jī)(delay mapping receiver，DMR)開展了多次GNSS-R陸面遙感飛行試驗(yàn)以來[3-4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了一系列GNSS-R土壤濕度理論研究與試驗(yàn)工作。Katzberg等[5]提出直射信號(hào)平滑校正法和校正直射、反射通道不一致的水面同步反射試驗(yàn)法，經(jīng)校正后得到的介電常數(shù)與實(shí)測(cè)土壤濕度計(jì)算值相近； Egido等[6]從試驗(yàn)的角度評(píng)估了GNSS反射信號(hào)對(duì)土壤濕度和地上生物量變化的敏感性，表明左旋與右旋兩種極化反射率的比值可作為估算土壤濕度的穩(wěn)定觀測(cè)量; 王迎強(qiáng)等[7]提出了土壤介電常數(shù)與水分之間的分段模型，并利用SMEX02數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證； 萬瑋等[8]從極化理論入手，完成了圓極化和線極化接收方式下地表反射率與介電常數(shù)隱函數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)，并通過地基GNSS-R土壤濕度數(shù)據(jù)對(duì)公式合理性進(jìn)行驗(yàn)證。以上研究成果是基于“反射率-介電常數(shù)-土壤濕度”這一過程進(jìn)行的，即基于反射信號(hào)功率的土壤濕度估算方法。另一種方法為基于GPS信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)觀測(cè)值中的多路徑反射分量進(jìn)行土壤濕度反演。Larson等[9]利用常規(guī)GPS接收機(jī)記錄的SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤濕度估算試驗(yàn)，結(jié)果顯示GPS反射信號(hào)的相位變化與土壤濕度的實(shí)測(cè)值具有良好的相關(guān)性； Zavorotny等[10]建立了一個(gè)GPS直射與反射信號(hào)干涉的電動(dòng)力學(xué)模型，可以產(chǎn)生并解釋試驗(yàn)中相位和幅度變化等多路徑調(diào)制模式的主要特征； Chew等[11]利用上述模型進(jìn)行模擬,以驗(yàn)證試驗(yàn)觀測(cè)中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，表明相位與表層土壤濕度線性相關(guān)，是估算裸土地表土壤濕度的最佳度量。敖敏思等[12-13]在研究多路徑誤差反射模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了利用實(shí)測(cè)GPS SNR數(shù)據(jù)對(duì)土壤濕度變化趨勢(shì)的模擬，表明該方法能反映土壤濕度變化趨勢(shì)，證明利用指數(shù)函數(shù)能較好描述SNR多路徑延遲相位與土壤濕度之間的關(guān)系。

本文在介紹GNSS-R土壤濕度估算研究現(xiàn)狀，歸納GNSS-R土壤濕度估算研究方法的基礎(chǔ)上，建立了GNSS-R土壤濕度估算框架。通過模型算法的軟件實(shí)現(xiàn),形成了GNSS-R土壤濕度估算軟件，為進(jìn)一步開展GNSS-R土壤濕度估算模型驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理與校正提供新的研究途徑。

1 原理與方法

1.1 基于反射信號(hào)功率的估算

利用反射信號(hào)功率進(jìn)行土壤濕度估算方法的實(shí)質(zhì)是基于雙基雷達(dá)方程的反演方法，由右旋圓極化天線接收直射信號(hào)，左旋圓極化天線接收反射信號(hào)，基于雙基雷達(dá)方程，從微波遙感機(jī)理出發(fā)構(gòu)建土壤濕度模型，通過分析GNSS反射信號(hào)功率與直射信號(hào)在強(qiáng)度、頻率、極化等參數(shù)之間的變化，計(jì)算土壤介電常數(shù)，再根據(jù)土壤介電常數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莸玫酵寥罎穸萚14-15]。其基本原理以GPS信號(hào)反演土壤水為例： 設(shè)GPS接收機(jī)接收到的反射信號(hào)功率為Pr，直射信號(hào)功率為Pd，地表反射率為Г，衛(wèi)星掠射角為γ，則

Г=Pr/Pd,

(1)

在鏡像反射點(diǎn)處，滿足表面完全光滑，此時(shí)Г為

Г=|R(γ)|。

(2)

GPS直射信號(hào)為右旋圓極化，經(jīng)地表反射后，右旋變?yōu)樽笮龍A極化的菲涅爾反射系數(shù)R(γ)可表示為垂直極化反射系數(shù)Rv(γ)和水平極化反射系數(shù)Rh(γ)的組合，即

(3)

(4)

(5)

式中ε為土壤和水分混合介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。土壤濕度的變化會(huì)改變?chǔ)诺膶?shí)部與虛部。對(duì)于GPS L波段微波信號(hào)，ε的虛部相對(duì)于實(shí)部而言對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)微小，可以忽略不計(jì)，僅將ε的實(shí)部εr作為土壤的介電常數(shù)，即ε=εr。根據(jù)式(1)—(5)，若通過GPS反射信號(hào)接收機(jī)測(cè)量得到反射信號(hào)功率Pr和直射信號(hào)功率Pd，便可計(jì)算出ε。

土壤介電常數(shù)模型建立了土壤介電常數(shù)與特定的土壤濕度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其計(jì)算方法多采用成熟的經(jīng)驗(yàn)公式。本文以Hallikainen模型[16]為例，對(duì)于GPS L1波段微波頻率，ε可以用頻率為1.4 GHz條件下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似表達(dá)，即

(6)

式中：mv為土壤體積含水量，即土壤濕度；S和C為土壤質(zhì)地參數(shù)。在已知S和C的情況下，可根據(jù)式(6)計(jì)算出ε。

顯然，上述模型中將土壤表面的入射、反射功率用GNSS接收機(jī)接收的直射信號(hào)功率、反射信號(hào)功率做了簡(jiǎn)單的等值替換，這其中肯定存在誤差[17]。首先，在右旋圓極化天線接收直射信號(hào)時(shí)，存在多路徑效應(yīng)的環(huán)境誤差，以及因接收電線的直射通道與反射通道存在器件特性不一致的系統(tǒng)誤差，因此必須對(duì)地表反射率中使用的直射功率值和反射功率值進(jìn)行校正，通過校正得到準(zhǔn)確的地表反射率。針對(duì)直射信號(hào)校正，在GPS信號(hào)接收時(shí)段內(nèi)，影響GPS直射信號(hào)的功率因素主要包括多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星高度角變化。在有效GNSS信號(hào)接收時(shí)段內(nèi)，僅考慮多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差時(shí)，可將測(cè)量得到的直射信號(hào)功率進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到校正后的直射信號(hào)功率。

針對(duì)反射信號(hào)主要體現(xiàn)在大氣對(duì)信號(hào)的影響方面，其校正方法是引入研究區(qū)域同步水面反射試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過求得水面直射信號(hào)與反射信號(hào)的相關(guān)功率，得到一系列水面測(cè)量反射率，進(jìn)而獲取反射率均值，得到研究區(qū)域的反射信號(hào)校正系數(shù)[5]。

反射信號(hào)校正為

(7)

利用校正后的直射信號(hào)與反射信號(hào)功率，由式(1)可以建立基于信號(hào)校正后的GNSS-R土壤濕度估算模型。

當(dāng)植被覆蓋地表時(shí)，植被覆蓋對(duì)土壤微波散射信號(hào)有衰減作用，使得土壤濕度的獲取更加復(fù)雜，前述理論與算法均是針對(duì)裸土地表建立的，而在實(shí)際應(yīng)用中植被覆蓋地表的土壤濕度反演更具意義。因此，針對(duì)植被覆蓋地表，需考慮對(duì)裸土地表模型進(jìn)行修正，建立植被覆蓋地表的土壤濕度估算方法。根據(jù)Ulaby等[18]的研究結(jié)論，植被層對(duì)土壤表面反射率有衰減作用，即區(qū)域內(nèi)歸一化差分植被指數(shù)(normalizeddifferencevegetationindex，NDVI)值越大，GPS接收天線接收到的土壤反射越少。因此，針對(duì)中/高植被覆蓋區(qū)域，研究考慮結(jié)合NDVI，提出反射信號(hào)校正系數(shù)的植被衰減因子，對(duì)反射信號(hào)在基于同步水面反射試驗(yàn)校準(zhǔn)方法后的結(jié)果開展進(jìn)一步校正[19]。

P″r=(fcVc)Pr，

(8)

Vc={1+[(1-fc)(1-aNDVI)]}/fc。

(9)

將植被的影響Vc考慮為線性變化，其中，a為線性變化系數(shù)，且0 ≤a≤ 1，則得到

P″r={1+[(1-fc)(1-aNDVI)]}/Pr。

(10)

基于以上分析形成基于反射信號(hào)功率的土壤濕度估算處理流程如圖1所示。

圖1 NDVI校正GNSS信號(hào)的處理流程

1.2 基于信噪比(SNR)數(shù)據(jù)的估算

由于GNSS衛(wèi)星信號(hào)存在多路徑誤差，且這種誤差在當(dāng)衛(wèi)星高度角較小時(shí)更為明顯，即存在直射信號(hào)和反射信號(hào)的干涉效應(yīng)，因此，Larson等[9]提出了一種利用GPS 信噪比(signal-to-noise，SNR)的相位估算土壤濕度的新方法，通過測(cè)量干涉效應(yīng)度量(相位、振幅、頻率等)進(jìn)行地表參數(shù)估算，其方法為從SNR中去除直射分量，保留多路徑反射分量，采用譜分析的方法對(duì)多路徑反射分量的角頻率進(jìn)行估算，然后根據(jù)正弦函數(shù)的公式，采用最小二乘擬合方法計(jì)算出幅度與相位，進(jìn)而可以根據(jù)相位與實(shí)測(cè)土壤濕度建立的經(jīng)驗(yàn)線性關(guān)系估算土壤濕度。

根據(jù)Larson提出的模型，SNR信號(hào)功率可以描述為

(11)

式中：A為信號(hào)振幅；h為天線高度；λ為GPS信號(hào)載波波長(zhǎng)；E為衛(wèi)星高度角；Φ為相位。

根據(jù)式(11)可以采用最小二乘擬合方法計(jì)算出Φ，進(jìn)而可以根據(jù)線性關(guān)系估算土壤濕度mv。此處，Φ與mv的線性關(guān)系可以描述為

mv=(minmv+1.48Φ)/100,

(12)

式中minmv為土壤濕度基數(shù)。驗(yàn)證本算法時(shí)從STATSGO(soils data for the conterminous united states derived from the NRCS state soil geographic data base)數(shù)據(jù)庫中計(jì)算得到。

通過基于反射信號(hào)功率的土壤濕度估算方法的研究可知，植被覆蓋會(huì)對(duì)土壤表層的反射信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生衰減作用，即植被覆蓋會(huì)對(duì)GPS SNR相位估算產(chǎn)生影響，造成GPS SNR信號(hào)相位值小于實(shí)際值。本文探索了利用植被水分(vegetation water content，VWC)修正GPS SNR 信號(hào)的方法，利用GPS SNR信號(hào)振幅和MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算的歸一化差分水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)聯(lián)合獲取VWC，從原始的GPS SNR信號(hào)中分離出土壤濕度的貢獻(xiàn)部分，最后再利用正弦函數(shù)進(jìn)行土壤濕度估算[19]。

植被衰減效應(yīng)是植被不透明度和信號(hào)入射角的函數(shù)，即

L=τesecα,

(13)

τ=bvwc,

(14)

式中：L為植被衰減因子；τ為植被不透明度；α為入射角；b為常數(shù)，取決于植被類型；vwc為植被水分。因此，在已知植被水分的條件下，可以計(jì)算出植被衰減因子。對(duì)于GPS SNR信號(hào)來說，

(15)

因此，可將SNR信號(hào)中土壤濕度的貢獻(xiàn)SNRsoil分離出來，然后再利用裸土模型進(jìn)行土壤濕度估算。該算法的精度在很大程度上取決于植被水分的估算精度。

基于以上分析形成基于SNR數(shù)據(jù)的土壤濕度估算處理流程如圖2所示。

圖2 VWC校正GNSS SNR信號(hào)的處理流程

2 GNSS-R 土壤濕度估算體系架構(gòu)的建立及軟件實(shí)現(xiàn)

通過前述對(duì)GNSS-R土壤濕度估算原理與方法的分析，當(dāng)前研究主要集中在2種模式下的理論可行性、信號(hào)反射模型與極化方式、估算精度及地表環(huán)境(裸土、植被覆蓋)對(duì)估算精度的影響及校正等方面，尚未形成一個(gè)初步的估算技術(shù)體系及相對(duì)完善的算法軟件?；诖耍疚脑噲D通過對(duì)算法原理的分析與實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)GNSS-R土壤濕度估算框架并進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)。

萬瑋等[20]根據(jù)信號(hào)接收模式與數(shù)據(jù)處理方式的不同，將基于反射信號(hào)功率的估算方法定義為雙天線模式，基于信噪比數(shù)據(jù)的估算方法定義為單天線模式。

本文將這種定義方式引入到構(gòu)建GNSS-R土壤濕度估算的體系架構(gòu)中，以此為基礎(chǔ)給出GNSS-R土壤濕度估算研究體系架構(gòu)。雙天線模式采用“反射率-介電常數(shù)-土壤濕度”這一過程進(jìn)行土壤濕度估算，此模型在地基、裸土情況下已較為成熟，但沒有涉及植被覆蓋、機(jī)載條件下模型適應(yīng)性問題。當(dāng)植被覆蓋觀測(cè)地表時(shí)，植被對(duì)GNSS信號(hào)相應(yīng)地具有衰減作用，且當(dāng)植被覆蓋度較大時(shí)，到達(dá)接收機(jī)的反射信號(hào)含有植被反射的部分，需考慮對(duì)傳統(tǒng)模型進(jìn)行植被衰減校正，提出了基于裸土和植被覆蓋情況下的信號(hào)校正方法； 對(duì)于單天線模式，傳統(tǒng)的干涉測(cè)量模型沒有考慮植被覆蓋情況下對(duì)反射信號(hào)的衰減作用，因此植被覆蓋區(qū)域需要進(jìn)行植被衰減校正，另外對(duì)于單天線模式高植被覆蓋情況下，干涉參量振幅會(huì)達(dá)到飽和，因此，單天線模式多用于中植被覆蓋情況?；谝陨戏治觯凑胀寥罎穸裙浪惴绞讲㈩櫦暗乇碇脖桓采w的條件下，本文初步形成如圖3所示的GNSS-R土壤濕度估算體系。

圖3 GNSS-R土壤濕度估算框架

Fig.3 Frame for GNSS-R soil moisture estimation

圖3顯示，在GNSS-R土壤濕度估算框架中包括雙天線模式和單天線模式，在每種模式下包含裸土地表模型和顧及植被覆蓋條件下的校正模型。通過對(duì)GNSS-R土壤濕度估算體系的構(gòu)建，對(duì)已有成果及其研究趨勢(shì)進(jìn)行梳理，意在為散射模型、估算模型及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)一步深入研究奠定基礎(chǔ)。根據(jù)所建立的GNSS-R估算土壤濕度體系，結(jié)合MATLAB對(duì)估算算法進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)，最終形成了GNSS-R土壤濕度估算軟件，其界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

本軟件包括雙天線模式、單天線模式下估算土壤濕度的功能，并分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙/單天線模式下模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。在雙天線模式下包括裸土/低植被和高植被模型的土壤濕度估算及相關(guān)對(duì)比結(jié)果輸出； 在裸土/低植被模型中采用原始GNSS-R信號(hào)的土壤濕度估算模型和校正信號(hào)估算模型。在估算軟件中，原始信號(hào)估算模型主要起參考作用，與校正信號(hào)以及基于NDVI修正信號(hào)估算模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析、模型精度評(píng)價(jià)，分析過程將在雙天線模式結(jié)果分析中執(zhí)行。在單天線模式下包括裸土/低植被和中植被模型，2種模型均以長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為處理對(duì)象，計(jì)算到某站點(diǎn)觀測(cè)范圍內(nèi)的逐日土壤濕度估算結(jié)果。為有效進(jìn)行對(duì)比分析，中植被覆蓋地表應(yīng)選取植被生長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，以在估算模型結(jié)果中進(jìn)行對(duì)比分析和精度評(píng)價(jià)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證本文提出的GNSS-R土壤濕度估算框架及軟件校正模型功能及其可行性，采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)源

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 雙天線模式

將SMEX02的GPS反射信號(hào)數(shù)據(jù)及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)利用雙天線模式下的土壤濕度估算模型分別得到相同地塊的原始信號(hào)估算模型土壤濕度、校正信號(hào)估算模型土壤濕度和NDVI修正信號(hào)估算模型土壤濕度結(jié)果，并結(jié)合地面同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將裸土/低植被和高植被覆蓋條件下模型估算土壤濕度結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，軟件運(yùn)行界面及土壤濕度估算結(jié)果如圖5所示。

(a) 軟件運(yùn)行界面 (b)不同植被條件下實(shí)測(cè)、原始信號(hào)、校正信號(hào)、NDVI修正信號(hào)結(jié)果

圖5 雙天線模式估算結(jié)果對(duì)比

Fig.5 Results comparison of the double-antenna pattern

在圖5(b)的裸土/低植被對(duì)比圖中，校正后信號(hào)土壤水估算結(jié)果普遍高于原始信號(hào)土壤濕度估算結(jié)果，這說明GPS信號(hào)功率校正后計(jì)算的土壤介電常數(shù)高于校正前的，利用SMEX02數(shù)據(jù)集中同步水面反射試驗(yàn)提供的GPS直射和反射信號(hào)觀測(cè)結(jié)果得到的校正系數(shù)均值都大于1，說明模型估算結(jié)果與采集數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。與地面實(shí)測(cè)同步土壤濕度值相比，信號(hào)校正模型土壤濕度值與實(shí)測(cè)值相比存在偏高和偏低2種情況，由于校正系數(shù)大于1，校正后反射率整體高于校正前，因此理論上土壤濕度估算結(jié)果也應(yīng)該比校正前偏高，所以與原始信號(hào)土壤濕度表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)。

在圖5(b)的高植被對(duì)比圖中，加入植被衰減因子后土壤濕度估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，經(jīng)修正后的土壤濕度估算結(jié)果更接近于整體實(shí)測(cè)值。對(duì)于部分誤差較大的情況，其原因是GPS測(cè)量反射率較小，但經(jīng)校正后仍有較大誤差。通過對(duì)同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、原始信號(hào)、校正后信號(hào)和NDVI進(jìn)行高植被覆蓋地表的模型結(jié)果進(jìn)行比較，其校正精度進(jìn)一步提高，初步實(shí)現(xiàn)了雙天線模式下結(jié)合不同植被覆蓋GNSS-R估算土壤濕度軟件體系。

3.2.2 單天線模式

1) 裸土/低植被模型。單天線模式算法的優(yōu)勢(shì)在于基于地基連續(xù)觀測(cè)，可以反映區(qū)域內(nèi)時(shí)間序列水分變化情況和監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)每天的土壤濕度變化情況。本文利用板塊邊界探測(cè)(plate boundary observatory,PBO) GPS 一個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)單天線算法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果如圖6所示。

(a) 軟件運(yùn)行界面 (b) 裸土/低植被條件下2.5 cm,7.5 cm處與實(shí)測(cè)值

圖6 單天線模式裸土/低植被估算結(jié)果對(duì)比

Fig.6 Results comparison of the Single-Antenna Pattern

在圖6中，利用裸土/低植被模型對(duì)土壤濕度進(jìn)行估算，結(jié)合地面在2.5 cm和7.5 cm處逐日土壤濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及降雨量分布情況，形成站點(diǎn)在2011年土壤濕度估算結(jié)果對(duì)比圖。在圖6(b)中，橫軸表示年積日，表示一個(gè)觀測(cè)年份內(nèi)研究區(qū)域的逐日土壤濕度變化情況，最上層為干涉測(cè)量相位值(℃)，中間層為體積土壤濕度計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測(cè)值(cm3)，最下層為降雨量信息(mm)。從圖中可知，相位的變化趨勢(shì)可以直接反映土壤濕度的變化，但利用單天線模式原始信號(hào)估算模型，其估算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大誤差。

2)中植被模型。針對(duì)得到的土壤濕度能夠反映出研究區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤濕度變化情況，利用具有植被覆蓋的PBO長(zhǎng)時(shí)間序列站點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合從MODIS數(shù)據(jù)提取的能夠反映植被含水量變化特征的NDWI參數(shù)，進(jìn)行了GPS SNR數(shù)據(jù)的修正，然后進(jìn)行中植被覆蓋的站點(diǎn)區(qū)域土壤濕度估算與地面在2.5 cm和7.5 cm處逐日土壤濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及降雨量分布情況的對(duì)比研究，驗(yàn)證VWC修正信號(hào)估算方法的可行性，結(jié)果如圖7所示。

(a) 軟件運(yùn)行界面 (b) 中植被條件下2.5 cm和7.5 cm處與實(shí)測(cè)值

圖7 單天線模式中植被估算結(jié)果對(duì)比

Fig.7 Results comparison of the single-antenna pattern

從圖7中可以看出，通過在植被生長(zhǎng)周期內(nèi)土壤濕度的估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，經(jīng)過MODIS VWC植被衰減修正后，SNR相位的變化趨勢(shì)得以正確歸位，能夠得到比較精確的土壤濕度估算結(jié)果，較正確地反映了研究區(qū)域逐日土壤濕度變化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)有GNSS-R土壤濕度估算方法研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用的估算思路進(jìn)行梳理。針對(duì)GNSS-R土壤濕度估算方法體系及邏輯思路的不同，以雙天線模式和單天線模式為基礎(chǔ)，進(jìn)行了GNSS-R土壤濕度估算體系構(gòu)建，并形成GNSS-R土壤濕度估算軟件，為GNSS-R土壤濕度估算的結(jié)果輸出、精度評(píng)價(jià)提供了一個(gè)可行的方案。結(jié)合SMEX02和PBO GPS站點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)估算結(jié)果與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析圖，驗(yàn)證了估算模型算法軟件集成的可行性。

通過對(duì)2種估算模型軟件集成，并利用公開數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

1) 植被覆蓋情況對(duì)土壤濕度估算模型的計(jì)算結(jié)果具有較大影響，考慮不同植被覆蓋情況下的模型校正是必要的，結(jié)合不同的植被參數(shù)可以提高估算精度。

2) 利用GPS SNR可以很好地與土壤水分建立聯(lián)系，尤其對(duì)于區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間序列土壤濕度監(jiān)測(cè)，能夠提供一種經(jīng)濟(jì)、適用、便捷的觀測(cè)模式。

3) 土壤濕度估算模型能夠獲取不同植被條件下的土壤濕度值及長(zhǎng)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，但同時(shí)也存在著一定的估算誤差，說明需進(jìn)一步對(duì)反演模型進(jìn)行擴(kuò)展，考慮不同的地表環(huán)境下模型的普適性。

4)根據(jù)觀測(cè)模式分為雙天線與單天線2種理論分支是對(duì)現(xiàn)有的GNSS-R觀測(cè)土壤水分方法的一種分類，涵蓋了該領(lǐng)域的主流研究方式。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究，新出現(xiàn)的理論方法既可以通過細(xì)化分類的方式納入其中，也可以考慮提出新的分類方法?？傊鶕?jù)觀測(cè)模式的分類是對(duì)目前GNSS-R觀測(cè)土壤水分研究?jī)?nèi)容的有益的、開放式的梳理性嘗試，本文通過軟件實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)以上體系架構(gòu)研究的可行性做出了技術(shù)支持，為GNSS-R陸面遙感提供了一種集成化數(shù)據(jù)處理手段，為后續(xù)估算方法優(yōu)化及模型實(shí)現(xiàn)提供了一定的研究基礎(chǔ)。

志謝： 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室萬瑋博士后在本文軟件算法設(shè)計(jì)中提供了寶貴意見及悉心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

GNSS-R technique for soil moisture estimation: Framework and software implementation

LI Wei， CHEN Xiuwan， PENG Xuefeng， XIAO Han

(SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Soil moisture content estimation is one of the important research fields in the GNSS-R (Global Navigation Satellite System Reflectometry, GNSS-R) land surface remote sensing. In recent years, many experts have done a lot of research on the theories of soil moisture estimation, receiving and processing of GNSS reflected signals, ground-based/air-borne experiment, estimation model and accuracy evaluation, which has greatly promoted the development of GNSS-R land surface remote sensing technique. Based on the previous research results, the authors built the framework of soil moisture estimation using GNSS-R and carried out the initial software implementation by integrating different estimation models. By verifying the models and functions of the software using public datasets for GNSS-R research, it is demonstrated that the software can provide effective technical support for GNSS-R data processing and model validation in soil moisture estimation.

GNSS-R； soil moisture； software implementation； MATLAB； model integration

10.6046/gtzyyg.2017.01.32

李偉，陳秀萬，彭學(xué)峰,等.GNSS-R土壤濕度估算體系架構(gòu)研究與初步實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(1):213-220.(Li W，Chen X W，Peng X F,et al.GNSS-R technique for soil moisture estimation:Framework and software implementation[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1):213-220.)

2015-07-24；

2015-11-20

“十二五”民用航天預(yù)先研究項(xiàng)目資助。

李偉(1984-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)檫b感信息工程。Email: wii_lee@126.com。

陳秀萬(1964-)，男，博士生導(dǎo)師，主要研究衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與位置服務(wù)(LBS)、遙感信息分析與處理、數(shù)字流域與智慧應(yīng)急等。Email: xwchen@pku.edu.cn。

TP 79

A

1001-070X(2017)01-0213-08