利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號反演土壤濕度

鄒文博，張　波，洪學寶，楊東凱，崔兆韻

1. 北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100191; 2. 山東省泰安農業(yè)氣象試驗站，山東 泰安271000

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利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號反演土壤濕度

鄒文博1，張波1，洪學寶1，楊東凱1，崔兆韻2

1. 北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100191; 2. 山東省泰安農業(yè)氣象試驗站，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)星反射信號的土壤濕度長期連續(xù)探測方法，建立了土壤濕度反演模型，給出了信號處理的一般流程，并搭建陸基接收平臺進行了驗證試驗。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，在信號同步的基礎上提取信號功率并計算土壤反射率，進而根據反演模型得到土壤濕度。以北斗GEO衛(wèi)星作為信號源，該方法可以在信號處理中省去一般GNSS-R處理過程的定位解算環(huán)節(jié)，能夠實現對固定區(qū)域土壤濕度的長期連續(xù)觀測。試驗結果表明，基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號的土壤濕度反演結果在時間和數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)。

關鍵詞：全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)；反射信號處理；遙感應用；土壤濕度反演

土壤濕度是水文、農業(yè)、氣象方面的一個重要參數，對于全球水循環(huán)有著重要的影響。相對于傳統(tǒng)的烘干稱重法和時域反射儀 (time domain reflectometer，TDR)、頻域反射儀 (frequency domain reflectometer，FDR)等接觸式土壤濕度探測技術，微波遙感技術可以實現非接觸、大范圍的土壤濕度探測[1-2]。作為遙感技術的重要分支，GNSS-R技術利用導航衛(wèi)星信號及其地表反射信號作為信號源，廣泛應用于地球表面信息遙感領域，土壤濕度反演是其中一項重要內容[3-6]。

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

國內相關的研究工作也已經取得了一定進展，中國科學院武漢物理與數學研究所、武漢大學[12]、中國氣象局、中科院空間中心、北京大學、北京航空航天大學[13]、航天恒星(503所)和中科院上海天文臺[14-15]等單位的部分學者已經在基于GNSS-R的土壤濕度探測理論、探測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)是我國自行研制的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，目前已能夠提供區(qū)域服務，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)星相對地球表面靜止，在地基接收條件下可實現對固定區(qū)域土壤濕度的長期實時連續(xù)監(jiān)測，極具發(fā)展前景和應用潛力?；诖?，本文提出了一種基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號的地基土壤濕度遙感方法。

1基于北斗GEO反射信號的土壤濕度反演方法

1.1北斗GEO衛(wèi)星信號反射過程幾何關系

圖1所示為北斗GEO衛(wèi)星信號反射過程中的幾何關系，其中北斗GEO衛(wèi)星相對地球表面靜止，采用地基觀測條件下的非移動平臺接收反射信號，即接收平臺也相對于地球表面靜止。根據文獻[17]中給出的鏡面反射點和探測區(qū)域的計算方法，反射信號的鏡面反射點和探測區(qū)域均固定，可以利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號長期連續(xù)遙感固定區(qū)域地表的土壤濕度。另外需要指出，利用反射信號反演土壤濕度的有效探測深度為地表至地表下5 cm左右[4]。

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

1.2基于北斗GEO衛(wèi)星反射信號的土壤濕度反演模型

北斗GEO導航衛(wèi)星發(fā)射的信號極化方式為右旋圓極化。根據電磁波反射理論，對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，反射信號右旋分量迅速減小，左旋分量占主導作用，故一般采用左旋圓極化天線接收反射信號。理想情況下，右旋入射左旋出射時的反射率為

(1)

式中，θ為GEO衛(wèi)星高度角；ε為土壤相對介電常數。

但一般土壤表面不光滑，必須考慮地表粗糙度影響，此時反射率R可表示為[18]

(2)

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

在采用地基非移動接收平臺接收北斗GEO衛(wèi)星反射信號的條件下，θ為常數，反射率R只表現為ε的單調遞增函數，那么在土壤的介電常數范圍內R存在反函數

(3)

式中，R0為對應于土壤介電常數ε的反射率；Pr為反射信號功率；Pd為直射信號功率。

土壤介電常數與土壤濕度關系由土壤介電常數模型給出。土壤的四分量理論模型[19]詳盡描述了上述二者關系，但是由于其結構復雜，在實際工程應用中多采用簡化的經驗模型或半經驗模型(Dobson經驗模型[20]、Hallikainen經驗模型[21]、Topp經驗模型[22]等)。本文采用文獻[23]中給出的，1.5 GHz頻率下GNSS-R遙感使用的Wang經驗模型

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；SM為土壤的體積濕度；j為虛數單位。

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

(5)

2土壤濕度反演中的北斗GEO衛(wèi)星信號處理

文獻[24]中給出了GNSS-R的一般處理架構。相對于其他類型GNSS衛(wèi)星，北斗GEO衛(wèi)星相對地球表面靜止，利用其反射信號反演土壤濕度并不需要在信號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在本地，再根據同步過程中得到的衛(wèi)星 (pseudorandomnoisecode，PRN) 編號在本地查找即可，可以降低系統(tǒng)實現的復雜度，節(jié)省資源。

北斗GEO直射與反射信號處理過程如圖3所示。

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

(1) 信號同步。土壤表面反射信號信噪比過低不足以單獨進行信號同步，需依賴于直射信號的同步輔助來實現。首先采用常規(guī)同步方法完成對直射信號的捕獲跟蹤，之后采用開環(huán)方法實現反射信號同步。

(2) 直射與反射信號的相關運算。在信號同步完成后，將直射和反射信號分別與本地同步信號進行相關運算以獲取直射和反射信號相關功率，相關過程中以相干和非相干累加相結合的方式提高信噪比。

(3) 土壤濕度反演。利用相關運算得到的相關功率結果計算反射率，并修正天線增益對反射率的影響，根據式(5)計算得到土壤濕度。對于得到的土壤濕度反演結果，選取合適的濾波方法去除粗值并進行曲線平滑。

3地基土壤濕度探測試驗及結果

3.1試驗介紹

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)氣象局試驗田(36.16°N，117.15°E)進行了為期3d的GNSS-R土壤濕度探測試驗。試驗田種植作物為生長初期的冬小麥，土壤表面均方根高度約為0.02m。

本次試驗包括兩個主要內容：

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

(2) 烘干稱重法實測土壤濕度。為了分析利用北斗和GPS反射信號探測土壤濕度的結果的準確性，設置烘干稱重法測定土壤濕度的對比試驗。由專業(yè)人員在信號采集過程中的每個整點時刻進行一次土樣采集，對土樣進行烘干稱重處理得到土壤重量濕度值，烘干溫度為105℃，時長為8h。根據事先測定的土壤容重，計算土壤體積濕度。

3.2試驗結果與分析

處理采集到的北斗及GPS衛(wèi)星直射和反射數字中頻信號，進行土壤濕度反演。在天線架設和試驗場地條件約束下，北斗PRN1 (GEO)、PRN4 (GEO)、PRN8 (IGSO)和GPS中PRN2 (MEO)、PRN13(MEO)、PRN17 (MEO)衛(wèi)星的反射信號可以滿足觀測條件。圖4所示為GNSS-R土壤濕度反演結果，為了與烘干稱重法測量值進行對比，這里僅給出了每個整點時刻的反演結果。圖中0～600min、600～1200min、1200～1800min的每個時間點分別代表11月26日至28日8:00—18:00的每1min，信號采集的時間區(qū)間為120～540min、660～1140min、1260～1740min，其中800～1200min部分時段有降雨出現。圖5(a)給出了不同時刻的GNSS-R測量誤差，圖5(b)為反演結果與烘干稱重法測量值的相關性。

圖2　理想情況(a)與考慮地表粗糙度情況(b)下，反射率與介電常數和衛(wèi)星高度角關系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　土壤濕度反演結果與烘干稱重法測量值對比Fig.4　Comparison between the soil moisture results retrieved by BeiDou and GPS reflected signals and the reference value of soil moisture

圖5　土壤濕度測量誤差與結果相關性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)星的反演結果優(yōu)于北斗IGSO衛(wèi)星及GPSMEO衛(wèi)星的結果，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)星土壤濕度反演結果均勻覆蓋整個時間采集區(qū)間，表明利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號可以實現對土壤濕度的連續(xù)監(jiān)測。

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

(3) 北斗IGSO衛(wèi)星和GPSMEO衛(wèi)星土壤濕度反演結果的絕對誤差集中在0~0.2之間，均方根誤差分別為0.129和0.086，而北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度反演結果的絕對誤差集中在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，結果更優(yōu)。其原因是：北斗GEO衛(wèi)星相對于地表靜止，反射區(qū)固定，地表粗糙度參數不變，反演結果的波動取決于土壤濕度的變化；而北斗IGSO及GPSMEO衛(wèi)星信號的反射區(qū)隨著衛(wèi)星運動不斷變化，地表粗糙度的不一致導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果波動大誤差大。

(4) 對于北斗GEO衛(wèi)星，PRN1及PRN4的反演結果與烘干稱重法測量值相關系數分別為0.88和0.68，均方根誤差分別為0.04和0.05，說明PRN1的反演結果更優(yōu)。其原因為PRN1高度角更大，根據第2節(jié)給出的土壤濕度反演表達式并結合誤差傳遞理論，可知衛(wèi)星高度角大時反演結果誤差小。故本文所述方法更適用于利用高度角大的GEO衛(wèi)星進行土壤濕度反演。

4結論

本文論述了利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號進行土壤濕度反演的方法，給出了北斗GEO信號接收處理的一般流程，進行了土壤濕度探測驗證試驗，得到了試驗結果并進行了分析。試驗結果表明北斗GEO衛(wèi)星土壤濕度測量值在時間和反演結果上均具有良好的連續(xù)性，與烘干稱重法測量值相吻合，均方根誤差為0.049，可以較好地實現對固定區(qū)域土壤濕度的連續(xù)監(jiān)測。但試驗場地覆蓋植被對于土壤濕度反演結果存在一定影響，本文試驗結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：感謝中國氣象局、泰安市氣象局、泰安農業(yè)氣象試驗站在本次試驗開展過程中提供的幫助，特別感謝泰安農業(yè)氣象試驗站為本次試驗提供的技術支持。

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(責任編輯：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

基金項目：國家863計劃(2013AA122402)

中圖分類號：P237

文獻標識碼：A

文章編號：1001-1595(2016)02-0199-06

作者簡介：第一 余岸竹(1989—)，男，博士生，研究方向為航空航天高精度目標定位理論與方法。

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，洪學寶，等.利用北斗GEO衛(wèi)星反射信號反演土壤濕度[J].測繪學報，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.