[发明专利]一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法

说明书

本发明提供一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，该方法通过测量空气中GNSS信号直射信号与土壤中GNSS折射信号的功率比反演地表土壤湿度，利用连接土壤中天线(主天线)、空气中天线(辅天线)的GNSS接收设备输出的SNR观测值实现功率比的准确获取；利用该多项式函数、GNSS SNR观测值、土壤温度观测值实现地表土壤湿度的测量。该方法可利用低成本、导航型、消费级GNSS接收器和天线采集的数据，实现地表土壤湿度的连续、近实时、高精度测量，且对使用环境要求较低、便于部署和实施，能够有效解决地表土壤湿度高精度、实时(近实时)监测的技术难题。

技术领域

本发明属于陆地自然环境监测领域，尤其是涉及一种基于GNSS折射模式的地表土壤含水量测量方法，该方法可用于地表土壤水分变化监测、作物灌溉调节、气象干旱监测以及预测等。

背景技术

土壤水是陆地水资源的重要组成部分，是农业生态系统的生命线，也是陆地大气耦合系统中水循环和能量循环之间的纽带。相对于深层土壤湿度(10cm以深)，地表土壤湿度(0-10cm)对太阳辐射、大气降水等事件极为敏感，获取准确、连续、近实时的土壤湿度动态变化信息对农业灌溉、水文气象、旱灾防御等至关重要。例如，在农业领域，根据土壤湿度实时监测数据、结合作物自身需水特性，适度对土壤湿度调节，可促进作物发育、提高产量。在气象领域，地表土壤湿度是多种干旱预测模型、旱情评估指标的必要输入参数，准确的地表土壤湿度信息是干旱灾害精准预测、评估的前提和基础。

GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统。GNSS折射模式技术使用两组天线和接收机，同时采集GNSS信号；其中，一颗天线安装在被测媒质中(如，土壤)用于采集透射到被测媒质中的折射信号；一颗天线安装在空气中用于采集直射信号。根据折射信号相对于直射信号强度、传播速度的变化，可以反演被测媒质电特性有关的参数。相对于GNSS反射或干涉信号，GNSS折射信号对被测媒质电特性有关的参数变化更加敏感，因而非常适合测量媒质电特性有关的参数，如：土壤湿度、积雪密度、植被含水量等。

现有的土壤湿度测量方法或技术可以分为三类：人工采样烘干法、FDR或TDR传感器测量法、主动或被动卫星微波遥感测量法。现有技术方法主要存在如下问题：

(1)人工采样烘干法。人工采样烘干费时耗力，对土壤质地具有破坏性，无法对土壤湿度进行原位、连续监测。

(2)FDR或TDR传感器测量法。这类传统的传感器测量方法比较适合深层(10cm及以深)土壤湿度的监测。对表层土壤(10cm以浅)来说，由于土壤水分波动会导致土壤结构产生周期性“拉伸—挤压”循环过程，破坏土壤结构的连续性，导致传感器探针和土壤之间产生缝隙，从而致使此类传感器测量方法的失效。

(3)卫星微波遥感测量法。卫星微波遥感测量方法的误差偏大(≥0.03cm³cm^-3)，尤其在山区等地形复杂区域；此类方法的时间分辨率也偏低(≥3天)；数据的获取较为繁琐，对用户来说数据源不能自主可控。因而，也无法实现地表土壤湿度的高精度、连续、实时(近实时)监测。

除上述几种方法外，近年来国内外还出现了两种利用GNSS信号测量土壤湿度的方法：GNSS反射测量法(GNSS-R)和GNSS干涉测量法(GNSS-IR)。这两种方法主要存在如下问题：

(1)GNSS反射测量法。该方法需要特制的、左旋圆极化模式的GNSS天线接收来自地表的反射信号，且需要专用的GNSS设备对信号进行处理产生土壤湿度值。这种测量方法的经济成本非常高、所用设备的能耗极大，不适合大规模、组网化地基土壤湿度监测实际应用。