基于GPS的土壤湿度反演研究-初中-综合-论文

基于GPS的土壤湿度反演研究姚佳慧西安国际港务区铁一中陆港初级中学摘要：随着卫星导航技术的发展，应用卫星信号进行土壤湿度研究已成为热点。文章引入GPS卫星导航系统，通过对比直射信号与反射信号的参数差别，来表征不同士质的土壤湿度。关键词：土壤湿度，GNSS-R技术，GPS反射信号，遥感，土壤介电模型1引言GPS是全球定位系统，它可以为人们提供一种成本低、精度高的新技术，比如我们日常生活中用到的手机地图导航。随着科学的不断发展，测量土壤湿度的方法有很多，而遥感法是最新兴且发展最好的一种方法。1960年，外国科学家提出了遥感的概念，一般指的是远距离的勘测技术，不能直接与测量目标接触的测量的技术。遥感技术的使用是因为世界上所有的物体都存在波的反射，对于电磁波的特性也存在着相对的差别，进而可以利用遥感技术对于物体远距离的勘测。遥感技术能较为准确清晰的得出土壤中水分的含量值，对农作物的生长动态监测的更为准确和有效。在发展过程中，微波遥感技术是测量土壤湿度中最简单、有效、节省成本、可行的方法。随着CPS-R技术的发展，不论是在国内还是国外，不论在海洋的冰层、风速上，还是在陆地的土壤湿度和积雪深度的探测上都发挥了不可磨灭的作用。随着现在研究者更加深入的研究，应用的领域越来越宽广。上个世纪，随着SKYLAB的发射，微波遥感技术被人们所知道，我们进入了遥感技术时代；遥感技术取得的成功，也说明GPS-R技术测量土壤湿度是一种可行的方法。2002年美国兰利研究中心做了反射信号测量实验，结果表明：反射信号频率为1.4GHZ左右对士壤水分敏感。这个结果为我们下一步的研究做了准备。GNSS-R技术的优点：成本低，对试验所选择的土壤没有破坏性等。在气象和农业中，由于土壤含水量决定了水面的蒸发，因此土壤水分的测定对农业生产和大气循环中起着重要作用；在日常生活中，土壤水分的信息跟我们的生活息息相关，对于天气预报的监测和农作物的种植和生产都有重要的作用。因此，观察并监测土壤湿度的信息是非常有必要的。基于GPS土壤湿度的反演研究，有如下步骤：（1）通过对雷达结构对反射信号接受并处理。（2）寻找、mv、R之间的关系，构建反射信号模型、介电常数的模型，并对模型进行仿真。（3）用MATLAB实现，并分析之间关系，得到结果。2土壤湿度的反演原理探究土壤湿度的反演原理，首先构建模型，该模型是由GPS卫星信号发射器、地面信号接收机组成的GPS双基地雷达结构。在轨道上运行的卫星会时时向地球发射直射信号，当其到达地表面时，由于地球表面为非均匀且粗糙的曲面，所以会导致其发生二次辐射，形成菲涅尔反射区。地面信号接收机会接收到两种不同的来自卫星的直射信景和来自菲涅尔反射区的反射信号。由于地表材质的不同，会导致反射波的幅度、相位、功率等参数发上变化。通过上述的变化，分析反射信号每个参数变化，推导出士壤湿度的变化情况。图1双基雷达结构图注：地面不同方向的散射信号的强度不一样。土壤湿度反演流程：GPS反射信号→菲涅尔反射系数→介电常数→土壤湿度2.1土壤反射率模型根据电磁波理论可知，GPS信号的反射功率包含镜面反射功率和散射功率两个部分，其数学关系如下式所示：（1）式中，表征反射功率，表征镜面反射功率，表征散射功率，下角标l表示该功率为左旋圆极化波的反射功率，下角标r表示该功率为右旋圆极化波的反射功率。在工程实践中，由于地表面环境的不同，导致电磁波的散射现象十分复杂，不易描述。为了简化分析过程，引入理性化模型，假设地面光滑，忽略反射功率中的散射功率部分。反射信号强度为：（2）当地面绝对光滑时，则公式（2）可以表示为：（3）式中，Pt表征发射信号功率，Gt表征发射天线增益，Rs表征信号到达地面的距离，Rr表征反射信号到达接收机的距离，Gr表征接收机的天线增益，0表征反射地面A上的散射系数，表征反射率，表征波长。由公式（3）可引入反射率参数。在工程实践领域，以高斯高度分布模型为基础，引用基尔霍夫估计理论，得到了近似条件下的反射率：（4）其中：2为方差；k为波数；Rlr()为绝对光滑菲涅尔反射系数。式中h表征地表面的粗糙程度，其表达式为：（5）只考虑理想情况，假设地面绝对光滑,所以令h=0，将其带入式（2-4）可得：（6）综上所述，通过信号的反射功率，引入理想化模型，简化数学公式，得到了信号的反射率，再引入反射率与菲涅尔反射系数的关系，为下面的研究做好准备。2.2土壤介电常数模型介电常数模型主要研究土壤湿度和介电常数之间的关系。土壤介电常数可以表示为ri'，其中，r表示实部，反映了在不同介质中发生的折射和反射现象；'表示虚部，被认为是反射过程中的损耗，忽略不计。在实际的实验过程中，为了得到准确的计算结果，我们假设在高仰角的情况下，只考虑左旋圆极化分量中的垂直极化分量。分析可得土壤介电常数和反射率之间的关系。利用电磁波原理可以将椭圆极化波分解成为左旋圆极化和右旋圆极化波；线性极化分为水平极化和垂直极化。（如果单单只考虑垂直分量，结果造成的误差会很大）。但不论是哪一种极化方式，对于两种信号的传播和每一种极化方式的主导作用都不同。水平极化反射系数与垂直极化反射系数表达式如下：其中：为高度角。右旋极化反射系数与左旋极化反射系数表达式如下：由公式可得到土壤介电常数、反射系数和高度角之间的关系为：其中：为入射角，R为反射系数。综上所述，通过反射系数，引入了介电常数，并寻找到两者的关系。通过以上分析可知，反射信号的极化特性影响着介电常数的变化，这对于研究目标更近了一步。3总结与展望我国的GNSS-R技术它作为新兴的遥感技术，正处于上升发展阶段，具有较大的空间。此技术不论在国内外，应用都非常的广泛。又因为反射信号对湿度等参数非常的敏感，这为今后研究土壤湿度的相关信息打下了重要的理论基础。而且，国外用GNSS-R技术在海洋探测、路面探测以及移动方面的探测都有很多的研究，也取得了重要的研究成果和更为精准的理论模型。伴随着北斗卫星导航系统的逐步完善，我们可将GPS和北斗卫星导航系统与农业相互结合，实时的对土壤的质地进行检测，得到更为准确的土壤湿度的参数，这对农业的发展有着一定的推动力且对农作物的灌溉和水资源的监控都有很大的帮助，它也可以提高农产品的质量。GNSS-R技术在未来的研究更加的让人期待，以后，研究学者获取相关的信息将会更加的方便、快捷。参考文献：[1]张言荣.卫星电视接受与转播技术[M].卫星电视电磁波的传播特点,1993