GNSS-R农田土壤湿度反演方法研究

杨 磊

山东农业大学信息科学与工程学院，山东 泰安 271018

土壤水分是量化陆地及大气能量交换的关键参数。准确监测土壤湿度是实现农业稳产、高产的重要基础。研究监测大范围的土壤水分的方法在农业、水文以及气象等领域的应用意义重大。本文从利用GNSS-R技术探测土壤湿度的基础理论出发，开展了利用导航卫星的反射信号反演土壤湿度方法的研究。论文具体完成的研究工作和相关结论如下：

(1) 分析了双天线模式GNSS-R土壤湿度反演的原理，建立了土壤湿度—土壤介电常数—电磁波反射率的映射关系，并构建了双天线模式GNSS-R土壤湿度反演的解析模型和基于支持向量机的模型。设计了地基试验对这两个模型进行验证，试验中采集了北斗卫星导航系统的直射、反射信号，并使用烘干称重法测量了土壤湿度作为对比真值。北斗GEO卫星信号的数据处理结果显示：解析模型估算土壤湿度值与真值回归决定系数R2=0.748 9，均方根误差RMSE=0.03680 m3/m3；基于支持向量机的模型结果与真值R2为0.897 9，RMSE为0.014 93 m3/m3；由此可见基于支持向量机的模型相比解析模型R2提高了23.03%，RMSE减小了59.44%。

(2) 研究了地表粗糙度对反射信号的影响，构建了修正地表粗糙度影响的双天线模式GNSS-R土壤湿度反演的解析模型和基于人工神经网络的模型。建立仿真平台对不同粗糙度下的两个模型的反演精度进行分析，结果显示：在进行地表粗糙度影响修正之前，当地表均方根高度增加到0.010 m以上时，解析模型的均方根误差超过0.07 m3/m3，说明此时进行粗糙度补偿是必须的；……