GNSS-R土壤水分反演研究進(jìn)展

覃湘棟 龐治國 路京選 呂 娟

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心（水旱災(zāi)害防御中心），北京 100038）

0 引 言

土壤水分即土壤含水量，是土壤包氣帶中的水分含量。該參數(shù)向上控制蒸發(fā)影響氣候變化，向下控制滲流影響水體分布，是水文、生物生態(tài)和生物地球化學(xué)過程中的關(guān)鍵變量。土壤水分的精準(zhǔn)監(jiān)測對于區(qū)域旱情評估和洪水預(yù)警也有著重要意義[1-3]。

土壤水分的主要觀測方法有烘干稱重[4]、頻域反射儀[5]、宇宙射線中子儀[6]、探地雷達(dá)[7]、衛(wèi)星遙感反演[8]及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量（GNSS-R）[9]。烘干稱重與頻域反射儀對土體破壞性較大且測量范圍有限，測量結(jié)果難以準(zhǔn)確描述土壤水分的空間變化規(guī)律。宇宙射線中子儀和探地雷達(dá)在觀測范圍上較前兩者有所增大，但由于設(shè)備布設(shè)與成本問題，在大規(guī)模土壤水分監(jiān)測中應(yīng)用受限。遙感反演是目前大尺度土壤水分觀測的主要途徑，研究也表明L 波段是土壤水分反演的最佳波段，但該方法也存在時(shí)空分辨率不足、反演精度低等問題。GNSS-R則采用雙基雷達(dá)的形式獲取地表反射信號以反演土壤水分，由于導(dǎo)航衛(wèi)星采用L 波段電磁波，所以反射信號受大氣、植被等因素影響較小，與土壤水分的相關(guān)性更強(qiáng)，加之GNSS-R 能夠高頻率接收衛(wèi)星信號，極大提高了監(jiān)測的時(shí)間分辨率，所以GNSS-R 是土壤水分觀測的有效手段。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除導(dǎo)航功能外，土壤水分等陸表水文要素監(jiān)測也是北斗衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要組成部分。目前，GNSS-R土壤水分反演研究仍處于起步階段，有很多開放性的問題值得討論，BDS 對該研究的影響也并不明確。為此，本文總結(jié)了GNSS-R 土壤水分監(jiān)測平臺(tái)及其應(yīng)用范圍，對反演方法進(jìn)行了分類總結(jié)概括，并梳理了BDS在土壤水分監(jiān)測中的應(yīng)用研究，總結(jié)了北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)在GNSS-R 土壤水分反演上的優(yōu)勢及影響。

1 觀測平臺(tái)

根據(jù)GNSS-R 接收機(jī)的位置，可以將GNSS-R 土壤水分監(jiān)測分為地基觀測、空基觀測和星載觀測（圖1）。

圖1 GNSS-R土壤水分監(jiān)測平臺(tái)示意圖

1.1 地基觀測

地基觀測是將GNSS-R 接收機(jī)安裝在近地面設(shè)施上接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。根據(jù)信號接收機(jī)的接收模式不同，又可以分為單天線模式和多天線模式。單天線模式僅有一個(gè)用于普通導(dǎo)航定位的接收天線，通過該天線接收直射、反射、衍射信號疊加的多路徑干涉信號信噪比，從而建立反射分量的振幅、相位、頻率等特征參數(shù)與土壤水分的關(guān)系模型。多天線模式利用多個(gè)GNSS-R 接收天線分別接收直射和反射信號，由于天線數(shù)量較多，可獲得更豐富、準(zhǔn)確的反射信息，從而直接構(gòu)建反射信號與土壤水分的關(guān)系模型。兩種模式中，單天線模式僅適用于地基原位觀測和低空飛行器觀測[10]，多天線模式則適用于3種觀測平臺(tái)，在實(shí)際觀測應(yīng)用研究中更為常見。

地基觀測的特點(diǎn)：①由于接收機(jī)接收信號的菲涅爾反射區(qū)與其安裝高度有關(guān)，所以地基觀測的有效范圍較小，一般在100 m以內(nèi)；②由于接收機(jī)長期固定在某一位置，其觀測區(qū)域是相對穩(wěn)定的。綜上，地基觀測一般用于小范圍土壤水分定點(diǎn)觀測。

1.2 空基觀測

空基觀測是通過機(jī)載GNSS-R接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。與地基觀測一樣，空基觀測主要通過接收的地表反射信號解析土壤水分。由于無人機(jī)的應(yīng)用推廣，自2000年起，很多國家都開展了GNSS-R相關(guān)的飛行試驗(yàn)[11-12]，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了機(jī)載GNSS-R信號反演土壤水分的能力。

相較于地基觀測，空基觀測中的接收機(jī)的位置更高，所以其觀測的有效范圍有所提升。其次，得益于無人機(jī)觀測的靈活性，機(jī)載GNSS-R 可以自行選定感興趣區(qū)開展土壤水分觀測。綜上，空基觀測適合無觀測站點(diǎn)區(qū)域的土壤水分調(diào)查。

1.3 星載觀測

星載觀測是將GNSS-R 接收機(jī)安裝在低軌衛(wèi)星上接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。由于導(dǎo)航衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星處于相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，星載GNSS-R 的觀測量是反射信號生成的時(shí)延-多普勒圖（Delay-Doppler Map，DDM），而多數(shù)研究提取其峰值與土壤水分建立關(guān)系模型[13]。目前，星載GNSS-R已經(jīng)開始用于全球土壤水分業(yè)務(wù)觀測[14]，搭載GNSS-R 接收機(jī)且用于土壤水分反演的衛(wèi)星如表1 所示。由表1 可知，我國目前已具備星載GNSS-R 觀測能力，但并未專門針對土壤水分設(shè)計(jì)觀測任務(wù)；其次，我國攜帶GNSS-R 荷載的衛(wèi)星數(shù)量較少，衛(wèi)星觀測的組網(wǎng)系統(tǒng)尚不完整，最終導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)在時(shí)間分辨率上的不足。

表1 搭載GNSS-R接收機(jī)且用于土壤水分反演的衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)表

相較于前兩者，星載GNSS-R 在觀測范圍和觀測區(qū)域上明顯擁有更大優(yōu)勢，更適合開展大范圍土壤水分監(jiān)測。但是也有一些局限性，由于接收機(jī)高度的提升，電信號的傳播路徑更長，受到更多不確定因素的影響，導(dǎo)致反射信號中噪聲增大，影響土壤水分的解算難度和精度。所以目前研究仍需要針對傳播過程開發(fā)更準(zhǔn)確的模型與算法，解決星載GNSS-R土壤水分監(jiān)測的精度問題。

2 GNSS-R土壤水分反演方法

土壤水分控制著土壤的介電常數(shù)，進(jìn)而影響土壤的散射性質(zhì)，這是GNSS-R 土壤水分反演的基本原理。但從GNSS-R 接收機(jī)獲取的信號出發(fā)，各研究將其與土壤水分建立關(guān)系模型的途徑卻不盡相同?；诖?，本研究將GNSS-R 土壤水分反演方法分為3 類：經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、物理模型法和機(jī)器學(xué)習(xí)法。

2.1 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法是基于反射數(shù)據(jù)與土壤水分間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系構(gòu)建反演模型。對于具體的函數(shù)形式，多數(shù)研究根據(jù)參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果主觀判斷選擇，其中常用的函數(shù)形式如表2所示。

表2 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法中常用的函數(shù)形式

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法的主要優(yōu)勢在于計(jì)算簡單及應(yīng)用方便。但隨著輻射傳輸過程模擬研究的深入，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法的劣勢是完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，這使得該方法在小區(qū)域上，由于地表異質(zhì)性弱有良好的反演精度；在大區(qū)域上，由于植被、粗糙度、高程等環(huán)境參數(shù)的分布不均，固有函數(shù)形式并不能準(zhǔn)確表達(dá)參數(shù)間的關(guān)系，最終影響反演結(jié)果的精度。

2.2 物理模型法

物理模型法是基于土壤水分影響地表反射率的物理機(jī)制構(gòu)建反演模型。在該方法的反演流程中，多數(shù)研究從接收信號中的地表反射率出發(fā)，首先經(jīng)過輻射傳輸模型和散射模型將地表反射率轉(zhuǎn)換為菲涅爾反射系數(shù)，再經(jīng)過菲涅爾方程將反射系數(shù)轉(zhuǎn)化為土壤介電常數(shù)，最后經(jīng)過介電混合模型將介電常數(shù)轉(zhuǎn)化為土壤水分。在該方法中，常被選用的模型如表3所示。

表3 物理模型法中的常用模型及其主要作用

物理模型法中，研究重點(diǎn)關(guān)注土壤水分對反射信號的影響機(jī)制，它能夠很好地解釋土壤水分與地表反射率數(shù)據(jù)間的異常分布，這也是物理模型法的主要優(yōu)勢。但是物理模型法也存在缺陷：①部分模型的輸入?yún)?shù)較多，導(dǎo)致土壤水分求解難度較大；②每個(gè)模型都有一定的適用范圍和自有誤差，盲目的嵌套模型可能會(huì)造成反演誤差的疊加，使得反演結(jié)果失真，影響反演的精度。

2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)法

機(jī)器學(xué)習(xí)法是指引入機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法構(gòu)建的反演模型。該方法執(zhí)行較為簡單，在確定機(jī)器學(xué)習(xí)算法后，只需要構(gòu)建訓(xùn)練樣本集進(jìn)行迭代訓(xùn)練即可。目前常用的機(jī)器學(xué)習(xí)法如支持向量回歸、隨機(jī)森林、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極端梯度提升樹等算法已被用于GNSS-R 土壤水分反演研究中（表4），相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，機(jī)器學(xué)習(xí)算法充分發(fā)掘了參數(shù)間潛在的相關(guān)性，使得反演精度較大提升。同時(shí)，研究也進(jìn)一步比較分析了輸入?yún)?shù)和模型結(jié)構(gòu)，討論了輸入?yún)?shù)的最佳組合及最佳機(jī)器學(xué)習(xí)算法[29-30]。

表4 機(jī)器學(xué)習(xí)算法在GNSS-R土壤水分反演研究中的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)法能夠模擬參數(shù)間任意非線性關(guān)系，這是其應(yīng)用于GNSS-R 土壤水分反演研究的最大優(yōu)勢。其次，機(jī)器學(xué)習(xí)法避開了土壤水分對反射信號影響機(jī)制的追溯，使得其不需要考慮反演過程中產(chǎn)生的中間變量準(zhǔn)確性，僅以土壤水分反演結(jié)果的精度為最終目標(biāo)。但是，這也使得該類方法的可解釋性較弱，輸入、輸出變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系隱藏在巨量的模型參數(shù)中，無法開展相關(guān)因素的影響機(jī)制分析；此外，機(jī)器學(xué)習(xí)法是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，反演結(jié)果的精度很大程度取決于訓(xùn)練樣本集的質(zhì)量。

3 BDS在GNSS-R土壤水分反演中的應(yīng)用

BDS 是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后的第3 個(gè)成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。早期的GNSS-R 土壤水分反演研究主要使用的是GPS 的衛(wèi)星信號，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，為反演研究提供了更豐富的數(shù)據(jù)源和更廣闊的反演思路[32-35]。張楠等[36]就使用北斗地球靜止軌道衛(wèi)星信號基于物理模型法反演土壤水分，印證北斗衛(wèi)星信號準(zhǔn)確性的同時(shí)，也闡明了地球靜止軌道衛(wèi)星信號在GNSS-R 土壤水分反演上的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，很多研究針對地球靜止軌道衛(wèi)星開發(fā)特定的反演模型與方法，如楊磊等[37]提出了一種支持向量回歸輔助的北斗地球靜止軌道衛(wèi)星反射信號土壤水分反演方法，楊昌智[38]基于北斗C3 和C59 兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星的信號提出不同的單星反演模型。同時(shí)，研究也逐漸發(fā)現(xiàn)基于單顆衛(wèi)星的單個(gè)頻段信號開展土壤水分反演的缺陷，表現(xiàn)在缺乏其他頻段、其他衛(wèi)星的信號做信息補(bǔ)充的情況下，反演結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性會(huì)受到影響[32]。而BDS 具備多個(gè)頻段的信號傳輸能力，多頻段信號意味著更豐富的土壤水分信息，所以部分研究從信息熵的角度融合GNSS 反射信號中不同頻段信號所含的土壤信息，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水分反演模型[39]。

由此可以看出，BDS 是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，為GNSS-R 土壤水分反演提供了豐富的數(shù)據(jù)源。從相關(guān)研究中可以發(fā)現(xiàn)，BDS 在GNSS-R 土壤水分反演中有其獨(dú)特優(yōu)勢：①BDS 中特有的地球靜止軌道衛(wèi)星，由于固定的衛(wèi)星高度和幾何關(guān)系，使得GNSS-R 接收機(jī)能夠獲得高質(zhì)量的多路徑誤差信息，而將其應(yīng)用于土壤水分反演時(shí)，不僅能有效減少反演過程中的運(yùn)算量，還能夠提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確性；②BDS 具備多個(gè)頻段信號的傳輸能力，這意味著接收機(jī)能夠獲取豐富的地表反射信息，有利于提升GNSS-R土壤水分反演結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語

土壤水分是一個(gè)重要的地表參數(shù)，而GNSS-R 技術(shù)是土壤水分監(jiān)測的有效手段。BDS 是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的重要組成，對GNSS-R 土壤水分反演研究有巨大貢獻(xiàn)。為了使研究者對其有所了解，本文首先總結(jié)了目前GNSS-R 技術(shù)進(jìn)行土壤水分反演研究的觀測平臺(tái)及其使用場景，而后分類概括了GNSS-R 土壤水分反演方法研究，分析各種方法的優(yōu)勢和劣勢，最后對BDS 在GNSS-R 土壤水分反演中的應(yīng)用進(jìn)行了概述，總結(jié)出BDS 對GNSS-R 土壤水分反演研究的主要貢獻(xiàn)和其優(yōu)勢。本研究為GNSS-R 土壤水分反演方法的開發(fā)和觀測任務(wù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。