基于GNSS單天線技術(shù)的農(nóng)田土壤濕度反演方法研究

孫 波

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018

土壤濕度是影響全球水循環(huán)的重要變量，是衡量地面與大氣之間能量交換的主要因素。及時(shí)、可靠地獲取農(nóng)田土壤濕度值對(duì)于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉、減少水資源浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本和提高農(nóng)作物產(chǎn)量都是非常必要的。論文從電磁波反射分析、信號(hào)處理、反演模型的構(gòu)建、多星多頻數(shù)據(jù)的融合、外場(chǎng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證幾個(gè)方面展開(kāi)了地基GNSS-IR土壤濕度反演方法研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：

(1) 分析了GNSS地基平臺(tái)下土壤濕度的遙感方法，探討了數(shù)據(jù)處理流程。首先，從GNSS信號(hào)源的角度對(duì)四大導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、星座結(jié)構(gòu)、信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比；然后，詳細(xì)地分析了電磁波信號(hào)的極化方式及反射信號(hào)的幾何關(guān)系，給出了反射信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及鏡面反射點(diǎn)、第一菲涅爾反射區(qū)的概念等跟反射區(qū)域有關(guān)的定義和計(jì)算方法；最后，總結(jié)了近年來(lái)應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號(hào)進(jìn)行土壤濕度遙感的方法——采用直、反射信號(hào)相關(guān)功率比的雙天線模式和利用直、反射信號(hào)干涉現(xiàn)象的單天線模式，重點(diǎn)闡述了單天線模式反演的基本原理，并對(duì)比了兩種工作模式的工作特點(diǎn)和區(qū)別。

(2) 研究了基于單星單頻觀測(cè)量的GNSS單天線土壤濕度反演方法，構(gòu)建了裸土條件下GNSS單天線的土壤濕度一元線性回歸反演模型和基于GA-SVM的單天線土壤濕度反演模型。從理論層面詳細(xì)分析了“信噪比SNR數(shù)據(jù)—多徑分量—土壤濕度”這一建模過(guò)程中直射分量的擬合、反射分量的計(jì)算、干涉特征觀測(cè)量的獲取等問(wèn)題，給出了適用于論文條件下的GNSS單天線的裸土土壤濕度一元線性回歸反演模型，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

為了抑制植被和土壤粗糙度所引起的噪聲、提高擬合精度，構(gòu)建了基于GA-SVM的單天線土壤濕度反演模型，選擇普適性好的徑向基核函數(shù)。針對(duì)SVM模型參數(shù)人為調(diào)整的不確定性，選用遺傳算法對(duì)SVM模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明了GA-SVM模型可以有效地提高反演精度。

(3) 研究了基于單星雙頻數(shù)據(jù)融合的GNSS單天線土壤濕度反演方法，從信息熵的角度為了融合GNSS反射信號(hào)中不同頻段信號(hào)所含的不同土壤信息，構(gòu)建了單天線模式下北斗系統(tǒng)基于單星雙頻段熵融合的土壤濕度反演模型，給出了該模型的數(shù)據(jù)處理流程，并在北京通州開(kāi)展了地基試驗(yàn)驗(yàn)證了反演方法的有效性。

考慮到部分GPS、北斗接收機(jī)不能提供SNR數(shù)據(jù)的問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)一步豐富利用反射信號(hào)測(cè)量土壤濕度的手段，從信號(hào)的層面提出了單天線模式下基于北斗系統(tǒng)單星雙頻載波相位融合的土壤濕度反演模型，通過(guò)雙頻載波相位組合的方式消除載波相位中的幾何信息及對(duì)流層延遲誤差，對(duì)數(shù)據(jù)處理的流程進(jìn)行了分析，最后利用通州試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。證明載波相位融合方法應(yīng)用于土壤濕度反演是有效的，但反演精度還需要進(jìn)一步提高。

(4) 研究了基于多星多頻數(shù)據(jù)融合的GNSS單天線土壤濕度反演方法，從信息的層面為了充分融合不同軌道、不同頻段的衛(wèi)星觀測(cè)信息，提出了基于GPS系統(tǒng)多星多頻段觀測(cè)量的自適應(yīng)加權(quán)融合算法，構(gòu)建了基于多星多頻自適應(yīng)加權(quán)融合的土壤濕度反演模型，分析了數(shù)據(jù)的處理流程，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。證明了基于多星多頻數(shù)據(jù)融合模型的有效性。

從反演精度、算法復(fù)雜度等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)論文所提的反演模型進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并分析了各種模型的適用條件和場(chǎng)景。