CN101865909A - 一种微波遥感土壤水分监测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波遥感土壤水分监测系统及其方法，该系统包括SMOS卫星、地面卫星接收站和数据处理系统、GNSS信号源、GNSS-R接收机、移动平台和平台控制系统。SMOS卫星被动接收地表发射的L波段微波信号、并通过数据处理系统进行处理并传输到数据分析处理系统，GNSS-R接收机接收GNSS直射信号及经地面反射后的包含地物信息的前向散射信号、并传输到数据分析处理系统，数据分析处理系统对土壤水分信息进行精度评价以及反演算法的验证。本发明将GNSS-R获得的地面实时同步数据应用在被动微波传感器SMOS土壤水分模型的精度评价和反演算法的验证上，实现了多尺度、主被动结合的微波遥感土壤水分监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤水分监测系统，特别是一种微波遥感土壤水分监测系统及其方法。
背景技术
水文学、气象学以及农业科学研究领域中的一个重要参数指标就是土壤水分，土壤水分在当今农业发展中也起到了非常重要的作用。大范围的土壤水分监测与反演是农业研究和生态环境评价的重要组成部分。区域或全球范围的土壤水环境反演是陆面过程模式研究中必不可少的参数之一。因而，土壤水分遥感监测和反演是当今科学研究的重要课题。
微波遥感可以分为主动微波遥感和被动微波遥感两种。被动微波遥感监测土壤水分，主要依赖于用微波辐射计对土壤本身的微波发射或亮度温度进行测量。研究表明：微波辐射测量土壤湿度的有效采样深度约为2至5厘米，且选较长波长更为有利，波长为21cm的L波段最佳。欧空局的土壤水分和海洋盐度计划SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)的主要目的是监测土壤水分和海洋盐度。SMOS卫星的有效负载是基于孔径综合技术的微波成像仪MIRAS(Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis)，一个L-波段、二维、双极化的被动微波干涉辐射计，该传感器可以提供0到55°多角度全球范围的观测，因而为全球范围的土壤水分反演提供了有效手段。SMOS的像元分辨率在30～50km，结合同化模型，这一星载数据将空前提高土壤水分的空间分辨率，SMOS对土壤水分的监测精度是0.4m3/m3，在进行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度实时同步数据进行模型精度的评价以及反演算法的验证。
而现有的小尺度实时同步验证方法的主要的手段是将相应的微波传感器安装在地基或无人机等机载遥感平台上，由于传感器造价昂贵，造成人力和财力的浪费。
因此，针对SMOS卫星的土壤水分监测技术，还需要一种便捷、高效、成本低的地面同步验证手段。
发明内容
为解决现有技术上存在的问题，本发明要提出一种低成本、多尺度、主被动结合的微波遥感土壤水分监测系统及其方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种微波遥感土壤水分监测系统，包括SMOS卫星、地面卫星接收站和数据处理系统，所述的SMOS卫星通过L波段微波信号与地面卫星接收站连接，所述的数据处理系统通过信号电缆与地面卫星接收站连接，所述的系统还包括GNSS信号源、GNSS-R接收机、移动平台和平台控制系统，所述的GNSS信号源通过L波段微波信号与GNSS-R接收机连接，所述的GNSS-R接收机安装在移动平台上、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与数据分析处理系统连接，所述的数据分析处理系统是安装有微波遥感土壤水分分析系统软件的计算机，所述的平台控制系统是安装有移动平台运动控制程序的工控机、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与移动平台连接，所述的数据分析处理系统通过数据线与数据处理系统连接。
本发明所述的移动平台为地面遥感平台、机载遥感平台或低轨卫星。
一种微波遥感土壤水分监测方法，包括以下步骤：
A、SMOS卫星被动接收地表发射的L波段微波信号、并将信号数据传给地面卫星接收站，并通过数据处理系统进行处理并同步传输到数据分析处理系统；
B、GNSS信号源提供L波段微波信号，GNSS-R接收机接收GNSS直射信号及经地面反射后的包含地物信息的前向散射信号，并传输到数据分析处理系统；
C、数据分析处理系统将从GNSS-R接收机获取的小尺度目标区域的土壤水分信息和从数据处理系统获取的大尺度的土壤水分信息进行实时同步处理，对土壤水分信息进行精度评价以及反演算法的验证。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明应用了全球导航卫星的反射信号GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技术，该项技术对于50m半径的小尺度上，可以获取地表0～5cm厚的土壤水分信息，基本与SMOS技术获取的数据相同，而且也工作在适宜土壤水分监测和反演的L波段；GNSS-R的工作模式属于收发分置的双基地模型，信号源由GNSS导航卫星群提供无偿稳定的来源，因此GNSS-R接收机体积小、重量轻。因此利用GNSS-R微波遥感技术对SMOS技术获取的数据进行地面校验是一种成本低廉、使用便利的有效手段，可以方便地将GNSS-R获得的地面实时同步数据应用在被动微波传感器SMOS土壤水分模型的精度评价和反演算法的验证上。
2、由于星载SMOS技术可以获取大尺度上的土壤水分信息，而GNSS-R技术可以获取较小尺度上的信息，二者相互结合，在进行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度实时同步数据进行模型精度的评价以及反演算法的验证，利用GNSS-R数据对SMOS数据进行土壤水分反演算法的验证，并修正反演算法，从而可以提高反演算精度，进而大大提高和改善水文和气象模型的预报精度，并为农业生产和灾害监测提供准确数据。
3、由于本发明利用SMOS技术获取的数据与GNSS-R技术的观测数据结合，可以同时获取可信、多尺度的土壤水分数据，通过数据处理分析，实现了主被动结合的微波遥感土壤水分监测，对建立更加准确的陆面、大气模式而言具有积极而重要的作用。
附图说明
本发明共有附图2张，其中：
图1是GNSS-R遥感原理图。
图2是微波遥感土壤水分监测系统组成示意图。
图中：1、GNSS信号源，2、GNSS-R接收机，3、移动平台，4、平台控制系统，5、数据分析处理系统，6、土壤，7、SMOS卫星，8、地面卫星接收站，9、数据处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种微波遥感土壤水分监测系统，包括SMOS卫星7、地面卫星接收站8和数据处理系统9，所述的SMOS卫星7通过L波段微波信号与地面卫星接收站8连接，所述的数据处理系统9通过信号电缆与地面卫星接收站8连接，所述的系统还包括GNSS信号源1、GNSS-R接收机2、移动平台3和平台控制系统4，所述的GNSS信号源1通过L波段微波信号与GNSS-R接收机2连接，所述的GNSS-R接收机2安装在移动平台3上、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与数据分析处理系统5连接，所述的数据分析处理系统5是安装有微波遥感土壤6水分分析系统软件的计算机，所述的平台控制系统4是安装有移动平台3运动控制程序的工控机、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与移动平台3连接，所述的数据分析处理系统5通过数据线与数据处理系统9连接。所述的移动平台3为地面遥感平台、机载遥感平台或低轨卫星。
一种微波遥感土壤水分监测方法，包括以下步骤：
A、SMOS卫星7被动接收地表发射的L波段微波信号、并将信号数据传给地面卫星接收站8，并通过数据处理系统9进行处理并同步传输到数据分析处理系统5；
B、GNSS信号源1提供L波段微波信号，GNSS-R接收机2接收GNSS直射信号及经地面反射后的包含地物信息的前向散射信号，并传输到数据分析处理系统5；
C、数据分析处理系统5将从GNSS-R接收机2获取的小尺度目标区域的土壤6水分信息和从数据处理系统9获取的大尺度的土壤6水分信息进行实时同步处理，对土壤6水分信息进行精度评价以及反演算法的验证。
Claims (3)
1.一种微波遥感土壤水分监测系统，包括SMOS卫星(7)、地面卫星接收站(8)和数据处理系统(9)，所述的SMOS卫星(7)通过L波段微波信号与地面卫星接收站(8)连接，所述的数据处理系统(9)通过信号电缆与地面卫星接收站(8)连接，其特征在于：所述的系统还包括GNSS信号源(1)、GNSS-R接收机(2)、移动平台(3)和平台控制系统(4)，所述的GNSS信号源(1)通过L波段微波信号与GNSS-R接收机(2)连接，所述的GNSS-R接收机(2)安装在移动平台(3)上、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与数据分析处理系统(5)连接，所述的数据分析处理系统(5)是安装有微波遥感土壤(6)水分分析系统软件的计算机，所述的平台控制系统(4)是安装有移动平台(3)运动控制程序的工控机、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与移动平台(3)连接，所述的数据分析处理系统(5)通过数据线与数据处理系统(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种微波遥感土壤水分监测系统，其特征在于：所述的移动平台(3)为地面遥感平台、机载遥感平台或低轨卫星。
3.一种微波遥感土壤水分监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、SMOS卫星(7)被动接收地表发射的L波段微波信号、并将信号数据传给地面卫星接收站(8)，并通过数据处理系统(9)进行处理并同步传输到数据分析处理系统(5)；
B、GNSS信号源(1)提供L波段微波信号，GNSS-R接收机(2)接收GNSS直射信号及经地面反射后的包含地物信息的前向散射信号，并传输到数据分析处理系统(5)；
C、数据分析处理系统(5)将从GNSS-R接收机(2)获取的小尺度目标区域的土壤(6)水分信息和从数据处理系统(9)获取的大尺度的土壤(6)水分信息进行实时同步处理，对土壤(6)水分信息进行精度评价以及反演算法的验证。
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