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1、 干旱荒漠化矿区 GPS 反射信号土壤湿度反演【摘要】采用 gps 信号反演土壤湿度具有重要的科学研究意义。对于干旱荒漠化矿区地表大多为裸地或低植被覆盖条件，适宜于土壤湿度的遥感。本文探讨了利用 gps 信号反演土壤湿度的理论和方法，在分析荒漠化矿区地表特点的基础上，讨论了在荒漠化矿区利用 gps 信号反演土壤湿度的可行性。【关键词】gps 反射信号；土壤湿度；荒漠化矿区measuring soil moisture by gps reflected signals in arid desertification mine areadong xueyuan1，2zheng nanshan2(1
2、.key laboratory for land environment and disaster monitoring of sbsm, china university of mining and technology, xuhou jiangsu, 221116; 2.school of environmental science and spatial informatics, china university of mining and technology, xuhou jiangsu, 221116)【abstract】it is significant to measure s
3、oil moisture by gps reflected signals. in arid mine area, it has lower vegetation cover rate due to land desertification. however it is suitable to measure soil moisture by remote sensing within this context. in this paper, it provided the methodology to monitor soil moisture using gps reflection si
4、gnals and discussed the potentiality and feasibility to apply this alternative approach for remotely sensing soil moisture within arid desertification mine area.【key words】gps reflection signals; soil moisture; arid mine area0引言随着经济水平的提高，能源的大量消耗不可避免，煤炭的需求带动了大面积的煤矿开采。随之产生的生态环境问题比比皆是，地表变形、沉降导致土地荒漠化，不仅
5、荒废了土地，而且带来了经济损失。荒漠化矿区多为裸地或低植被覆盖，生态系统极其脆弱，采矿对其影响显而易见1-5。控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心6。土壤湿度，作为土壤质量的标志之一，说明土壤含水和持水能力，在荒漠化矿区极易受影响。近年来，矿区土壤湿度成为许多专家学者研究的热点。全球导航定位系统（gps）自从问世已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。实践证明，gps 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。1993 年 m. martin neira (esa) 提出从地球表面反射的 gps 信号可能检测到海洋卫星测高资料中直接信号
6、和反射信号 之间存在的延迟，开创了利用 gps 反射信号遥感海平面的先河7。gps 系统 l1（1.57542ghz） 、l2（1.2276ghz）波段频率又是遥感土壤湿度的最佳频率8。根据 gps 反射信号功率与土壤介电常数存在一定的函数关系，土壤介电常数和土壤湿度也存在函数关系，利用 grrsv.2 系统9获取 gps 反射信号功率，根据函数模型反演出特定区域内的土壤湿度。鉴于荒漠化矿区多为裸地或低植被覆盖条件，适宜于土壤湿度信息遥感，本文将分析利用 gps 反射信号反演矿区土壤湿度的基本原理和方法，探讨其应用可行性。1gps 反射信号反演土壤湿度利用 gps 反射信号技术可以实现对特定区
7、域的遥感，这种技术被称作 gps-r 技术。研究土壤湿度在农学、气象学等多个领域具有十分重要的作用。关止等人提出利用反射 gps 信号遥感土壤湿度，是在传统微波遥感土壤湿度基础上的一项创新。李伟强等人研制出的 grrsv.2 系统为该创新的实施提供了硬件设施。1.1原理和方法1.1.1原理基于 gps-r 技术的测量系统中，双基雷达结构是系统中的核心10。gps 卫星发射载波信号（仅利用 l1 波段） ，经过特定区域地面的反射和散射作用，该散射主要与植被、土壤湿度和地表粗糙程度相关，通过接收机接收信号，利用函数模型可以反演出该区域的土壤湿度。 图 1双基雷达结构图1.1.2反演土壤湿度的函数模
8、型marttit. hallikainen11等提出微波频率在 1.4ghz 左右，土壤介电常数 和土壤湿度 m存在以下线性二次多项式关系：=（）（）m（）m（1）式中：s、c 分别代表土壤中沙土和粘土的百分重量。土壤介电常数 与菲涅尔反射系数 之间的函数关系为（2）式中： 是入射角。文献12详细地阐述了由 gps 信号反射功率计算 gps 信号反射率，进而计算土壤介电常数的理论模型，模型如下：（3）式中：为 gps 信号反射功率，为镜面反射功率和为散射功率（其中 l、r 分别表示反射信号的左旋圆极化和入射波的右旋圆极化） 。（4）式中：是发射信号功率，是发射天线增益，是接收天线增益， 是波长
9、，是发射机到地表面的距离， 是接收机到地表面的距离，是地表面反射率。中等粗糙和粗糙地表散射模型主要采用基尔霍夫估计方法，计算反射率 为：（）（5）式中：r 为菲涅尔反射系数，h 为粗糙度参数。大尺度坡度的极粗糙地表，通常被认为准镜面散射，因不同码延迟形成一族椭圆，同一个椭圆上的点相对于镜面点具有相同的码延迟，相邻椭圆构成环状菲涅尔区。gps 信号反射率计算公式为：（6）式中：r 是反射率，是 gps 反射信号功率，是 gps 入射信号功率。假设地表完全光滑，则 =，gps 信号多为垂直极化则，是垂直极化反射率。介电常数用实部代替（虚部相对太小，忽略不计） ，则 。（7）假设地表光滑，则 ，代入
10、菲涅尔反射系数 与土壤介电常数 之间的函数公式（2） ，计算出土壤介电常数，进而由公式（1）计算土壤湿度 m。图 2土壤湿度反演流程1.2gps 反射信号与土壤湿度的相关性 gps 反射信号强度与土壤湿度大致呈正相关性，在裸地或低植被覆盖条件下，土壤湿度较高，gps 反射信号较强。图 3gps 反射信号反射系数与土壤湿度关系2gps-r 技术反演荒漠化矿区的土壤湿度的可行性干旱缺水是自然灾害，也是某些地区生态环境脆弱的主要原因。我国西北地区赋藏煤炭资源丰富，预测存储量占全国的一半以上。为满足经济增长需求，大规模煤炭资源开发，与生态环境保护之间面临巨大矛盾。土壤湿度不仅是生态环境领域的重要参数，
11、也是衡量矿业开发对生态环境影响程度的指标之一，研究荒漠化矿区土壤湿度变化能够客观揭示影响程度。2.1有利的地表特点gps 反射信号功率能反映土壤湿度信息，但是 gps 反射信号受植被影响较大，在高大植被区，因植物叶片和枝干的吸收和散射作用，难以测得信号反射率，从而不利于获得土壤湿度信息。荒漠化矿区多为裸地或低植被覆盖条件，gps 反射信号反射率的测得不易受影响，容易获取土壤湿度信息。2.2相对完善的作业思想土壤湿度监测理论作为“变形监测理论”的移嫁。首先，考虑如何布设监测网络。基于 gps 变形监测网设计的思路，选取具有代表性的“监测点” ，并按照规范标准进行标记，以备后期周期性观测；其次，制
12、定完善的观测方案。最后根据 gps 反射信号反演 土壤湿度的原理和方法，进行数据处理并评价监测精度。对于裸地或低植被覆盖条件，采用基于热惯量理论的表现热惯量法（ati）来反演土壤湿度是一种有效的方法，借鉴该理论，将计算数据与热惯量法（ati）计算数据进行对比分析。2.3广阔的发展空间我国的 gps-r 技术正处于起步阶段，具有较大的发展空间。国外在这方面的研究已取得许多重要成果，但更为精确的理论模型有待进一步研究。伴随 “北斗” 卫星导航系统的逐步完善，gps-r 技术在“北斗”上的应用亦指日可待，未来此类信息获取将会更方便快捷、物美价廉。3结语自 20 世纪九十年代以来，国内外专家学者先后开
13、展了利用 gps-r 技术进行海洋、土壤等领域的遥感研究工作。这是一种全新概念的遥感方法，大量的研究成果完善了 gps-r 技术。gps-r 技术主要依靠 gps 反射信号获取目标信息，荒漠化矿区地表大多没有高大浓密的植被覆盖条件，利用 gps 反射信号遥感干旱荒漠化矿区土壤湿度成为可能。本文系统的介绍了 gps-r 方法反演土壤湿度的基本理论，分析总结在干旱荒漠化矿区开展土壤湿度遥感的可行性。但是受到土壤性质和地表条件以及气候状况等因素的影响，还需深入研究具体应用方法。随着 gps-r 技术的不断完善和改进，荒漠化矿区基于 gps-r 技术土壤湿度反演具有广阔的应用前景。 【参考文献】1卞正富,雷少刚,常鲁群,张日晨.基于遥感影像的荒漠化矿区土壤含水率的影响因素分析j.煤炭学报,2009,34(4):520-525.2卞正富,许家林,雷少刚论矿山生态建设j.煤炭学报,2007,32(1):13-19.3常鲁群,卞正富,邓喀中.gis 支持下的矿区土壤含水量遥感反演及变化规律j.金属矿山,2007,368(2):55-574全占军,程宏,于云江,等煤矿井田区地表沉陷对植被景观的影响:以山西省晋城市东大煤矿为例j.
