基于GNSS單天線技術的農田土壤濕度反演方法研究

孫 波

山東農業大學信息科學與工程學院，山東 泰安 271018

土壤濕度是影響全球水循環的重要變量，是衡量地面與大氣之間能量交換的主要因素。及時、可靠地獲取農田土壤濕度值對于在農業生產中進行精準灌溉、減少水資源浪費、降低生產成本和提高農作物產量都是非常必要的。論文從電磁波反射分析、信號處理、反演模型的構建、多星多頻數據的融合、外場試驗的設計及試驗數據驗證幾個方面展開了地基GNSS-IR土壤濕度反演方法研究。主要研究內容如下：

(1) 分析了GNSS地基平臺下土壤濕度的遙感方法，探討了數據處理流程。首先，從GNSS信號源的角度對四大導航系統的系統組成、星座結構、信號特點進行了分析對比；然后，詳細地分析了電磁波信號的極化方式及反射信號的幾何關系，給出了反射信號的數學表達式以及鏡面反射點、第一菲涅爾反射區的概念等跟反射區域有關的定義和計算方法；最后，總結了近年來應用全球導航衛星反射信號進行土壤濕度遙感的方法——采用直、反射信號相關功率比的雙天線模式和利用直、反射信號干涉現象的單天線模式，重點闡述了單天線模式反演的基本原理，并對比了兩種工作模式的工作特點和區別。

(2) 研究了基于單星單頻觀測量的GNSS單天線土壤濕度反演方法，構建了裸土條件下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。從理論層面詳細分析了“信噪比SNR數據—多徑分量—土壤濕度”這一建模過程中直射分量的擬合、反射分量的計算、干涉特征觀測量的獲取等問題，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，并開展了相關試驗對所提方法進行驗證。

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。針對SVM模型參數人為調整的不確定性，選用遺傳算法對SVM模型參數進行優化，并通過試驗對模型進行了驗證。結果證明了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據融合的GNSS單天線土壤濕度反演方法，從信息熵的角度為了融合GNSS反射信號中不同頻段信號所含的不同土壤信息，構建了單天線模式下北斗系統基于單星雙頻段熵融合的土壤濕度反演模型，給出了該模型的數據處理流程，并在北京通州開展了地基試驗驗證了反演方法的有效性。

考慮到部分GPS、北斗接收機不能提供SNR數據的問題，同時進一步豐富利用反射信號測量土壤濕度的手段，從信號的層面提出了單天線模式下基于北斗系統單星雙頻載波相位融合的土壤濕度反演模型，通過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流層延遲誤差，對數據處理的流程進行了分析，最后利用通州試驗數據進行了驗證。證明載波相位融合方法應用于土壤濕度反演是有效的，但反演精度還需要進一步提高。

(4) 研究了基于多星多頻數據融合的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、不同頻段的衛星觀測信息，提出了基于GPS系統多星多頻段觀測量的自適應加權融合算法，構建了基于多星多頻自適應加權融合的土壤濕度反演模型，分析了數據的處理流程，并通過試驗數據進行了模型驗證。證明了基于多星多頻數據融合模型的有效性。

從反演精度、算法復雜度等評價指標對論文所提的反演模型進行了綜合評價，并分析了各種模型的適用條件和場景。