[发明专利]一种微波遥感土壤水分监测系统及其方法

说明书

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。