为什么要研究土壤水分?
土壤水分是土壤-植被-大气系统能量与物质交换及土
地资源和环境管理的重要参数之一。土壤水分信息在
提高气象预报和干旱监测,以及作物估产等方面非常重
要。因为土壤含水量决定了地表蒸发量,影响农业耕作
对水资源的需求,在全球水循环中起着重要作用。因此,
获取区域土壤水分空间差异,进而分析其对区域资源环
境变化的影响,是区域资源环境动态监测的重要内容之
一
GNSS-R信号为什么能应用于土壤
水分研究?
由于GNSS-R信号具有全天候、
穿透性以及不受云的影响,且
对土壤水分非常敏感等特性,
使其在遥感研究全球变化中具有独特的优势。简要评
述了利用GPS地面反射信号在土壤水分反演研究领域
的进展,然后侧重分析介绍了GPS反射信号土壤水分反
演原理,前向模型分析反演土壤水分的关键技术,并指出
目前存在的问题和发展方向。
起源
欧空局(EuropeanSpaceAgency(ESA))提出GPSL波段信
号可以作为海洋散射计,Hall和Cordey1988年在国际地
理与遥感学会上第一次强调了这一点。Martin2Neira
于1993年提出利用GPS反射信号建立测量海面高度的
系统。法国科学家Auber等在1994年的ION2GPS年会
上指出GPS能接收海面的反射信号,而且这种信号干扰
了定位精度,因此需要将海面反射信号当作噪声去除。
许多研究人员对这个报道产生了兴趣,认为GPS的反射
信号可能成为一种新的遥感手段。
专家的研究
GPS的L波段信号非常适合反演土壤水分。Masters对
机载接收的GPS反射信号进行了大量分析,研究结果表
明GPS反射信号对土壤水分比较敏感,能够用来监测土
壤水分变化。由于GPS地面接收机在处理直接信号和
地面反射信号方面还存在一些问题,现在主要是利用地
面接收的反射信号与土壤水分之间的关系做了一些简
单分析。这里介绍GPS反演土壤水分的基本原理和前
向模型,并对反演方法进行一些分析。
GNSS-R反演土壤水分原理
GNSS-R反演土壤水分原理由于GPS信号接收机至少可
以接收到4颗卫星的信号,地面不同方向散射的信号强度
是不一样的。为了研究方便,GPS接收机可能需要设计成
只接收某个方向的信号。GPS卫星信号传播和地面GPS
信号接收机的简图如图1所示。理想状态下(地面光滑),
当卫星在图1的左上角位置时,GPS信号接收机接收到的
是前向散射信号;当卫星在右上角时,GPS信号接收机接
收到的是后向散射信号。在这里,我们介绍第一种情况。