一种湿地微波遥感监测方法

摘要

本发明公开了一种湿地微波遥感监测方法，利用GNSS信号源的提供L波段微波信号，通过GNSS-R接收机接收GNSS信号源的直射信号及经地物表面散射后的包含地物信息的前向散射信号，然后传输到数据处理分析系统进行处理分析。由于本发明的GNSS-R接收机接收的GNSS信号源是若干个导航卫星群的集合，GNSS信号源可以源源不断的提供长期稳定的无偿L波段信号，因此，在进行湿地监测时，可以不受雨雾、光照影响，全天时全天候的进行工作。由于本发明的GNSS-R接收机体积小、重量轻、功耗低、价格便宜，与传统的光学或微波传感器比，本发明的运行成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿地遥感监测手段，特别是一种湿地微波遥感监测方法。

背景技术

湿地被誉为“自然之肾”、“生物基因库”和“人类摇篮”，湿地位于生物圈、水圈、岩石圈和大气圈的交汇处，由喜水生活和过湿环境构成，是各种能流和物流交换与作用的场所。

但是，湿地确实人们重视最晚的一种资源，美国等西方发达国家也只是在二十世纪60年代才开始重视湿地方面的研究，而近年来湿地的特殊性和重要性已受到全世界的关注，湿地研究成为当前研究的热门领域。

湿地研究的关键是定量化获取和分析湿地信息，遥感技术是获取湿地信息的一种有效手段，利用光学和微波遥感影像可以在时间和空间上进行湿地监测和制图分析，具体的方法包括两个步骤：

1、利用不同传感器获取湿地在时间和空间上的遥感影像；

2、利用不同的遥感图像处理软件和数据分析处理软件对获取的遥感影像进行分析处理，数据分析处理的步骤基本包括：预处理、信息分析、湿地分类、精度评价和结果输出。

在数据获取方面，传统的地学仪器已经很难进行湿地和湖泊的监测。星载雷达高度计航迹偏移距离(Cross-track)太大，而且空间分辨率太低，不能用来进行小区域的监测。因此，遥感技术已经成为湿地研究的重要技术手段和方法。

湿地监测对遥感影像的空间分辨率有一定的要求，空间分辨率是指遥感影像上能够识别的两个相邻地物的最小距离。一般可以将空间分辨率划分为高、中、低三个等级，小于10m的为高空间分辨率，10～100m的为中空间分辨率，大于100m为低空间分辨率。

由于湿地分布范围较小且含混度大，低空间分辨率遥感影像表征地物的可解译性较差，因此，很少将低空间分辨率遥感影像用于湿地监测。而中等分辨率的遥感影像尽管空间分辨率不高，但对于大区域的、宏观的湿地监测相当实用，再结合地面调查和各种参考资料，分类精度基本能满足要求，国内外很多湿地监测都采用这些遥感影像。

利用光学遥感技术进行湿地的监测是目前常用的手段，但是会受到天气和光照条件的影响，不能全天时全天候的进行工作。

利用微波遥感技术可以全天时、全天候的进行工作，不受光照条件影响，能穿云透雾，同时由于工作波长较长，对植被和土壤有一定的穿透能力，近几年来，国内外学者开始研究基于微波遥感的湿地信息提取。目前，我国利用微波遥感进行湿地监测较少，而且现有的微波传感器造价较高、分辨率较低、机动性较差。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种可以全天时全天候进行工作的分辨率较高、运行成本低、机动灵活的湿地微波遥感监测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种湿地微波遥感监测方法，利用GNSS信号源的提供L波段微波信号，通过GNSS-R接收机接收GNSS信号源的直射信号及经地物表面散射后的包含地物信息的前向散射信号，然后传输到数据处理分析系统进行处理分析，具体方法包括以下步骤：

A、获取湿地数据：通过GNSS-R接收机的右旋圆极化天线RHCP接收GNSS信号源的直射信号S_d、左旋圆极化天线LHCP接收经地物散射的前向散射信号S_s；

B、预处理：由数据处理分析系统对获取的湿地数据进行预处理，消除干扰噪声；

C、信号分析：由数据处理分析系统采用干涉图法或者波形图法对预处理后的湿地数据进行分析；

D、影像形成：由数据处理分析系统将经过信号分析后得到的数据形成遥感影像；

E、湿地分类：由数据处理分析系统利用遥感影像图对湿地进行分类；

F、专题图形成：由数据处理分析系统将分类后的遥感影像图形成专题图；

G、精度评价：对专题图进行精度评价；

H、湿地专题图确定：将符合精度要求的专题图确定为湿地专题图；

I、专题图输出：利用制图仪将形成的湿地专题图输出。

本发明所述的干涉图法包括以下步骤：

A1、利用GNSS信号源作用于地物表面的直射信号和反射信号，在GNSS-R接收机处产生干涉信号，并形成干涉图；

A2、利用干涉图会随着湿地的干湿程度不同而呈现出不同变化的特性进行湿地数据分析。

本发明所述的波形图法包括以下步骤：

B1、用直射信号S_d将前向散射信号S_s进行归一化处理得到信号S_N；

B2、用归一化反射平均能量S_N的强弱进行湿地数据分析。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明的GNSS-R接收机接收的GNSS信号源是若干个导航卫星群的集合，包括传统意义的GPS、欧洲的Galileo、俄国的GLONASS以及中国的北斗卫星导航系统Compass。GNSS信号源可以源源不断的提供长期稳定的无偿L波段信号，因此，在进行湿地监测时，可以不受雨雾、光照影响，全天时全天候的进行工作。

2、由于本发明的GNSS-R接收机的工作模式属于双基地雷达模式，是对传统散射计模型的补充。而且GNSS-R接收机体积小、重量轻、功耗低、价格便宜，不需要发射机，可以同时接收10个或更多颗导航卫星的数据。因此，与传统的光学或微波传感器比，本发明的运行成本低廉。

3、由于本发明GNSS-R技术的空间分辨率约为50m，在湿地监测方面属于中等空间分辨率，适宜进行湿地监测。

4、由于本发明的GNSS-R接收机可以进行地基、机载和星载观测，工作起来机动灵活、便捷、高效。

5、本发明的GNSS的反射信号却可以探测到地球表面小区域的特性。同时GNSS反射信号的强弱也是陆面干湿区域的指示信号，因此可以用来进行海岸、湿地和湖泊的遥感监测。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是湿地微波遥感监测系统组成示意图。

图2是湿地微波遥感监测方法流程示意图。

图中：1、GNSS信号源；2、GNSS-R接收机；3、移动平台；4、湿地；5、平台控制系统；6、数据处理分析系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种湿地微波遥感监测方法，利用GNSS信号源1的提供L波段微波信号，通过GNSS-R接收机2接收GNSS信号源1的直射信号及经地物表面散射后的包含地物信息的前向散射信号，然后传输到数据处理分析系统6进行处理分析；基于GNSS-R技术的湿地微波遥感监测系统，包括GNSS信号源1、GNSS-R接收机2、移动平台3、平台控制系统5和数据处理分析系统6，所述的GNSS信号源1通过L波段微波信号与GNSS-R接收机2连接，所述的GNSS-R接收机2安装在移动平台3上、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与数据处理分析系统6连接，所述的数据处理分析系统6是安装有湿地4微波遥感分析系统软件的计算机，所述的平台控制系统5是安装有移动平台3运动控制程序的工控机、通过不受其他信号干扰的陆面固有传输波段与移动平台3连接，所述的数据分析处理系统通过数据线与数据处理系统连接。所述的移动平台3为地面遥感平台、机载遥感平台或低轨卫星。

具体的遥感监测方法包括以下步骤：

A、获取湿地4数据：通过GNSS-R接收机2的右旋圆极化天线RHCP接收GNSS信号源1的直射信号S_d、左旋圆极化天线LHCP接收经地物散射的前向散射信号S_s；

B、预处理：由数据处理分析系统6对获取的湿地4数据进行预处理，消除干扰噪声；

C、信号分析：由数据处理分析系统6采用干涉图法或者波形图法对预处理后的湿地4数据进行分析；

D、影像形成：由数据处理分析系统6将经过信号分析后得到的数据形成遥感影像；

E、湿地4分类：由数据处理分析系统6利用遥感影像图对湿地4进行分类；

F、专题图形成：由数据处理分析系统6将分类后的遥感影像图形成专题图；

G、精度评价：对专题图进行精度评价；

H、湿地4专题图确定：将符合精度要求的专题图确定为湿地4专题图；

I、专题图输出：利用制图仪将形成的湿地4专题图输出。

本发明所述的干涉图法包括以下步骤：

A1、利用GNSS信号源1作用于地物表面的直射信号和反射信号，在GNSS-R接收机2处产生干涉信号，并形成干涉图；

A2、利用干涉图会随着湿地4的干湿程度不同而呈现出不同变化的特性进行湿地4数据分析。

本发明所述的波形图法包括以下步骤：

B1、用直射信号S_d将前向散射信号S_s进行归一化处理得到信号S_N；

B2、用归一化反射平均能量S_N的强弱进行湿地4数据分析。