Gnss-r陆面微波遥感研究进展

Gnss-r陆面微波遥感研究进展
作者：吴学睿
来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2011年第4期
吴学睿
（赤峰学院环境与资源管理系，内蒙古赤峰 024000）
摘要：传统的GPS进入GNSS的新时代，GNSS的直射信号经地物反射后可以被专门的接收机接收和使用，形成一种新型的微波遥感——GNSS-R.作为一种新型的无源微波传感器（L波段），GNSS-R 体积小、重量轻、功耗小、成本低、可以全天时、全天候提供全球覆盖均匀的大量数据.GNSS的反射信号可以测量海面风场、海浪波高、潮位以及监测海洋中尺度变化.在陆面上，GNSS-R可以用来监测土壤水分、海冰和积雪厚度以及湖泊和湿地.
关键词：GNSS-R；微波遥感；陆面
中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2011）04-0092-02
1 简介
GNSS（global navigation satellite system）是若干个导航星座的集合名词，包括美国的GPS，欧洲的伽利略（Galileo），俄国的格洛纳斯（Glonass），以及中国的北斗卫星导
航系统（Beidou）.
与现有散射计、雷达高度计、合成孔径雷达等海洋、陆面微波遥感手段相比，GNSS-R信号源来自GNSS，需要专门的接收机对地物反射信号进行接收和处理，GNSS-R接收机体积小、重量轻，成本低，接收到的信号属于前向散射，在遥感探测机理方面属于双基雷达模式.
针对GNSS-R的应用国内外已经开展了相应的地基、机载和星载实验，其应用领域也由最初的海洋遥感，逐渐向陆面遥感扩展.
2 GNSS-R应用
目前，GNSS-R在海洋领域的研究主要是海面风场、有效波高、潮位和海水盐度的反演.
我国科研工作者利用GNSS-R进行研究的领域也主要集中在海面风场(王迎强 and 严卫 et al., 2008; 周兆明 and 符养 et al., 2008)和海浪坡高上(邵连军 and 张训械 et al., 2008)
而随着对GNSS-R遥感技术研究的深入，其应用领域也在不断扩展(Jin and Komjathy, 2010).国内GNSS-R的一些研究领域尚处于起步阶段，尤其是陆面遥感，有的研究领域在国内尚未见报道，本文重点对这些领域的研究现状和发展趋势进行总结和分析.
2.1 GNSS-R陆面遥感
GNSS-R陆面遥感的应用主要集中在土壤水分的监测和反演上，但其在陆面上的应用应该远不局限于此.以下将重点讲述GNSS-R土壤水分国内外研究进展情况，以及国外该技术在陆面上其他方面研究进展情况.
2.2 GNSS-R土壤水分反演
2.2.1 与其他微波遥感传感器进行土壤水分反演的原理一样，利用GNSS-R测量土壤湿度的原理是其反射信号是土壤介电常数的函数，土壤介电常数又与土壤湿度有关.
NOAA环境技术实验室最初利用GNSS-R进行海洋方面的研究(Zavorotny and Voronovich, 2000)，后来将该技术应用在土壤水分反演方面(Zavorotny and Voronovich, 2000)，采用海洋反射信号研究用的散射模型(Zavorotny and Voronovich, 2000)模拟了接收机在3KM处，GNSS
卫星高度角是40°时，GNSS反射信号随土壤水分的变化情况，结果表明土壤水分对该GNSS反
射信号很敏感.
对于基尔霍夫近似（几何光学的极限情况），双战散射截面可以表示成两部分，一部分
与极化特性有关，另一部分与表面的统计特性有关.线性极化比HR/VR的效果更好一些，尤其是在中低等土壤含水量的情况下.
(Egido and Ruffini et al., 2008)和Torres(Torres, 2004)利用了半经验模型
（1.4GHz）进行了土壤水分的反演，取得了良好的反演效果.
(Egido and Ruffini et al., 2008)和(Rodríguez-álvarez and Marchán et al., 2008)的文章中都采用GNSS直射信号和反射信号的干涉图信息IPT（interference pattern technique）来量化接收机中的反射信号，最终进行土壤水分的研究.
2009年(Rodriguez-Alvarez and Bosch-Lluis et al., 2009)利用小麦收割之后裸露地
表的数据（2008年8月~9月数据）进行土壤水分反演，没有考虑植被的影响，结果表明利用notch 处的信号更适宜于土壤水分的反演.在仪器设备上，(Rodriguez-Alvarez and Bosch-
Lluis et al., 2009)采用自己专门设计的用于土壤水分的接收机——SMIGOL，研究表明线性极化的菲尼尔反射系数随着入射角的变化大于圆极化的.
国内利用GNSS—R进行土壤湿度的研究无论是实验还是理论研究都处在起步阶段.
在理论上，(关止与赵凯等,2006)与(宋冬生与赵凯等,2007)的研究可以定性的表示出这
一新兴微波遥感手段在检测土壤湿度上的可行性，同时植被的影响不可忽略.
目前，国内外gnss-r土壤水分反演的主要方法有：波形图法，延迟多普勒图，干涉图，，物理模型方法.
2.3 GNSS—R湖泊和湿地监测
GNSS—R在陆面上的应用，还涉及植被高度、积雪厚度、湖泊和湿地的监测等.
(Treuhaft and Lowe et al., 2001)用GNSS—R监测了火山口湖的表面高度.GNSS的反
射信号也可以用来进行湿地的研究和监测.
2.4 GNSS—R植被高度和森林生物量估测
(Rodríguez-álvarez, 2009)利用干涉图法（IPT）反演出树高以及植被覆盖下的土壤湿度，取得了较好的反演结果.利用gnss-r的双站散射特性，针对GNSS-R圆极化的特性，采用简化模型进行森林光滑散射系数的理论模拟，目的是研究利用gnss-r进行森林生物量监测的可行性.接收到的能量的幅值对森林生物量比较敏感，而不会出现雷达后向散射中的饱和现象，因此用gnss-r进行森林生物量的反演存在着一定的可行性.
2.5 GNSS—R雪冰厚度监测
雪、冰是水文气候学中的重要参量，然而实地积雪分布观测比较少，传统的遥感手段造
价昂贵、空间分辨率较低.但冰的厚度与反射信号的幅度有关，雪/冰厚度可以从GNSS的反射信号中反演出来.2009年利用GNSS-R对科罗拉多两次暴风雪的测量进行了GNSS—R进行积雪厚度
研究的初步性研究工作.
3 总结和展望
传统的GPS已经进入了GNSS的新时代，gnss-r微波遥感技术具有异源收发，信号多源
化等优点，在海洋和陆面遥感中有着重要的应用前景.在我国海洋方面的应用在理论和实践上的研究工作开展较多，在陆面上利用GNSS-r进行土壤水分遥感的研究工作处于起步阶段，而利用GNSS进行植被、积雪厚度和湖泊、湿地方面的研究工作国内报道较少.因此，利用gnss-r技术
的研究领域有待深入.
参考文献：
〔1〕Auber, J., A. Bibaut, et al. (1994). Characterization of multipath on land and sea at GPS frequencies, Alexandria, VA: Institute of Navigation.
〔2〕Egido, A., G. Ruffini, et al.(2008)."Soil moisture monitorization using GNSS reflected signals."
〔3〕Komjathy, A. and J. A. Maslanik, et al. (2000). Towards GPS surface reflection remote sensing of sea ice conditions.
〔4〕Wiehl, M. and B. Legresy, et al. (2003). "Potential of reflected GNSS signals for ice sheet remote sensing." Progress In Electromagnetics Research
40:177-205.
〔5〕Zavorotny, V. U. and A. G. Voronovich (2000). Bistatic GPS signal reflections at various polarizations from roughland surface with moisture content.
〔6〕关止与赵凯，等.利用反射GPS信号遥感土壤湿度.地球科学进展，2006，
21(007):747-750.
〔7〕李紫薇.GNSS-r海洋微波遥感前沿技术进展.2009：13.
〔8〕刘经南，邵连军.GNSS-R研究进展及其关键技术.武汉大学学报(信息科学版)，2007，32(11).。