專利名稱：一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，特別是一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)及其 方法。
背景技術(shù)：
水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個重要參數(shù)指標(biāo)就是土壤水分，土 壤水分在當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展中也起到了非常重要的作用。大范圍的土壤水分監(jiān)測與反演是農(nóng)業(yè) 研究和生態(tài)環(huán)境評價的重要組成部分。區(qū)域或全球范圍的土壤水環(huán)境反演是陸面過程模式 研究中必不可少的參數(shù)之一。因而，土壤水分遙感監(jiān)測和反演是當(dāng)今科學(xué)研究的重要課題。微波遙感可以分為主動微波遙感和被動微波遙感兩種。被動微波遙感監(jiān)測土壤 水分，主要依賴于用微波輻射計對土壤本身的微波發(fā)射或亮度溫度進(jìn)行測量。研究表明 微波輻射測量土壤濕度的有效采樣深度約為2至5厘米，且選較長波長更為有利，波長為 21cm的L波段最佳。歐空局的土壤水分和海洋鹽度計劃SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)的主要目的是監(jiān)測土壤水分和海洋鹽度。SM0S衛(wèi)星的有效負(fù)載是基于孔徑綜合 技術(shù)的微波成像儀 MIRAS (Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis)，一 個L-波段、二維、雙極化的被動微波干涉輻射計，該傳感器可以提供0到55°多角度全球范 圍的觀測，因而為全球范圍的土壤水分反演提供了有效手段。SM0S的像元分辨率在30 50km，結(jié)合同化模型，這一星載數(shù)據(jù)將空前提高土壤水分的空間分辨率，SM0S對土壤水分的 監(jiān)測精度是0. 4m3/m3，在進(jìn)行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度實時同步數(shù)據(jù)進(jìn)行 模型精度的評價以及反演算法的驗證。而現(xiàn)有的小尺度實時同步驗證方法的主要的手段是將相應(yīng)的微波傳感器安裝在 地基或無人機(jī)等機(jī)載遙感平臺上，由于傳感器造價昂貴，造成人力和財力的浪費。因此，針對SM0S衛(wèi)星的土壤水分監(jiān)測技術(shù)，還需要一種便捷、高效、成本低的地面 同步驗證手段。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)上存在的問題，本發(fā)明要提出一種低成本、多尺度、主被動結(jié)合的 微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SM0S衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收站和數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)，所述的SM0S衛(wèi)星通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通 過信號電纜與地面衛(wèi)星接收站連接，所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源、GNSS-R接收機(jī)、移動 平臺和平臺控制系統(tǒng)，所述的GNSS信號源通過L波段微波信號與GNSS-R接收機(jī)連接，所述 的GNSS-R接收機(jī)安裝在移動平臺上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù) 分析處理系統(tǒng)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)是安裝有微波遙感土壤水分分析系統(tǒng)軟件的 計算機(jī)，所述的平臺控制系統(tǒng)是安裝有移動平臺運動控制程序的工控機(jī)、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)連接。本發(fā)明所述的移動平臺為地面遙感平臺、機(jī)載遙感平臺或低軌衛(wèi)星。一種微波遙感土壤水分監(jiān)測方法，包括以下步驟A、SM0S衛(wèi)星被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并將信號數(shù)據(jù)傳給地面衛(wèi)星接 收站，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理并同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；B、GNSS信號源提供L波段微波信號，GNSS-R接收機(jī)接收GNSS直射信號及經(jīng)地面 反射后的包含地物信息的前向散射信號，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；C、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)將從GNSS-R接收機(jī)獲取的小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤水分信息 和從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲取的大尺度的土壤水分信息進(jìn)行實時同步處理，對土壤水分信息進(jìn)行 精度評價以及反演算法的驗證。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、由于本發(fā)明應(yīng)用了全球?qū)Ш叫l(wèi)星的反射信號GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技術(shù)，該項技術(shù)對于50m半徑的小尺度上，可以獲取地表 0 5cm厚的土壤水分信息，基本與SM0S技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)相同，而且也工作在適宜土壤水分 監(jiān)測和反演的L波段；GNSS-R的工作模式屬于收發(fā)分置的雙基地模型，信號源由GNSS導(dǎo)航 衛(wèi)星群提供無償穩(wěn)定的來源，因此GNSS-R接收機(jī)體積小、重量輕。因此利用GNSS-R微波遙 感技術(shù)對SM0S技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行地面校驗是一種成本低廉、使用便利的有效手段，可以 方便地將GNSS-R獲得的地面實時同步數(shù)據(jù)應(yīng)用在被動微波傳感器SM0S 土壤水分模型的精 度評價和反演算法的驗證上。2、由于星載SM0S技術(shù)可以獲取大尺度上的土壤水分信息，而GNSS-R技術(shù)可以獲 取較小尺度上的信息，二者相互結(jié)合，在進(jìn)行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度實 時同步數(shù)據(jù)進(jìn)行模型精度的評價以及反演算法的驗證，利用GNSS-R數(shù)據(jù)對SM0S數(shù)據(jù)進(jìn)行 土壤水分反演算法的驗證，并修正反演算法，從而可以提高反演算精度，進(jìn)而大大提高和改 善水文和氣象模型的預(yù)報精度，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和災(zāi)害監(jiān)測提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。3、由于本發(fā)明利用SM0S技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)與GNSS-R技術(shù)的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合，可以同 時獲取可信、多尺度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)了主被動結(jié)合的微波遙感土 壤水分監(jiān)測，對建立更加準(zhǔn)確的陸面、大氣模式而言具有積極而重要的作用。


本發(fā)明共有附圖2張，其中圖1是GNSS-R遙感原理圖。圖2是微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖。圖中1、GNSS信號源，2、GNSS-R接收機(jī)，3、移動平臺，4、平臺控制系統(tǒng)，5、數(shù)據(jù)分 析處理系統(tǒng)，6、土壤，7、SM0S衛(wèi)星，8、地面衛(wèi)星接收站，9、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-2所示，一種微波遙感土壤水 分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SM0S衛(wèi)星7、地面衛(wèi)星接收站8和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9，所述的SM0S衛(wèi)星7通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站8連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9通過信號電纜與地面 衛(wèi)星接收站8連接，所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源1、GNSS-R接收機(jī)2、移動平臺3和平 臺控制系統(tǒng)4，所述的GNSS信號源1通過L波段微波信號與GNSS-R接收機(jī)2連接，所述的 GNSS-R接收機(jī)2安裝在移動平臺3上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù) 分析處理系統(tǒng)5連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5是安裝有微波遙感土壤6水分分析系統(tǒng) 軟件的計算機(jī)，所述的平臺控制系統(tǒng)4是安裝有移動平臺3運動控制程序的工控機(jī)、通過不 受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺3連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5通過 數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9連接。所述的移動平臺3為地面遙感平臺、機(jī)載遙感平臺或低軌 衛(wèi)星。一種微波遙感土壤水分監(jiān)測方法，包括以下步驟A、SM0S衛(wèi)星7被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并將信號數(shù)據(jù)傳給地面衛(wèi)星 接收站8，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9進(jìn)行處理并同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5 ；B、GNSS信號源1提供L波段微波信號，GNSS-R接收機(jī)2接收GNSS直射信號及經(jīng) 地面反射后的包含地物信息的前向散射信號，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5 ；C、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5將從GNSS-R接收機(jī)2獲取的小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤6水 分信息和從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9獲取的大尺度的土壤6水分信息進(jìn)行實時同步處理，對土壤6 水分信息進(jìn)行精度評價以及反演算法的驗證。
權(quán)利要求
一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SMOS衛(wèi)星(7)、地面衛(wèi)星接收站(8)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)，所述的SMOS衛(wèi)星(7)通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站(8)連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)通過信號電纜與地面衛(wèi)星接收站(8)連接，其特征在于所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源(1)、GNSS-R接收機(jī)(2)、移動平臺(3)和平臺控制系統(tǒng)(4)，所述的GNSS信號源(1)通過L波段微波信號與GNSS-R接收機(jī)(2)連接，所述的GNSS-R接收機(jī)(2)安裝在移動平臺(3)上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)是安裝有微波遙感土壤(6)水分分析系統(tǒng)軟件的計算機(jī)，所述的平臺控制系統(tǒng)(4)是安裝有移動平臺(3)運動控制程序的工控機(jī)、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺(3)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的移動 平臺(3)為地面遙感平臺、機(jī)載遙感平臺或低軌衛(wèi)星。
3.一種微波遙感土壤水分監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟A、SM0S衛(wèi)星(7)被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并將信號數(shù)據(jù)傳給地面衛(wèi)星接 收站(8)，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)進(jìn)行處理并同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)；B、GNSS信號源(1)提供L波段微波信號，GNSS-R接收機(jī)(2)接收GNSS直射信號及經(jīng) 地面反射后的包含地物信息的前向散射信號，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)；C、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)將從GNSS-R接收機(jī)(2)獲取的小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤(6) 水分信息和從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)獲取的大尺度的土壤(6)水分信息進(jìn)行實時同步處理，對 土壤(6)水分信息進(jìn)行精度評價以及反演算法的驗證。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)包括SMOS衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、GNSS信號源、GNSS-R接收機(jī)、移動平臺和平臺控制系統(tǒng)。SMOS衛(wèi)星被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，GNSS-R接收機(jī)接收GNSS直射信號及經(jīng)地面反射后的包含地物信息的前向散射信號、并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對土壤水分信息進(jìn)行精度評價以及反演算法的驗證。本發(fā)明將GNSS-R獲得的地面實時同步數(shù)據(jù)應(yīng)用在被動微波傳感器SMOS土壤水分模型的精度評價和反演算法的驗證上，實現(xiàn)了多尺度、主被動結(jié)合的微波遙感土壤水分監(jiān)測。
文檔編號G01N33/24GK101865909SQ201010194249
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者吳學(xué)睿, 李穎 申請人:大連海事大學(xué)