基于 GPS 信号航空遥感地表参数的 方法研究

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基于 GPS 信号航空遥感地表参数的 方法研究

2015-02-06 作者: giser 浏览: 1640 次

摘要: 论文作者:关 止 指导教师: 赵 凯 研究员 中国科学院东北地理与农业生态研究所 申请学位级别: 博 士 学科专业名称: 地图学与地理信息系统 论文提交日期: 2007年4月 论文答辩日期: 2007年6月 培养单位: 中国科学院东北地理与农业生...

  • 论文作者:关 止
  • 指导教师: 赵 凯 研究员 中国科学院东北地理与农业生态研究所
  • 申请学位级别: 博 士
  • 学科专业名称: 地图学与地理信息系统
  • 论文提交日期: 2007年4月
  • 论文答辩日期: 2007年6月
  • 培养单位: 中国科学院东北地理与农业生态研究所
  • 学位授予单位: 中国科学院研究生院

摘要

全球定位系统(GPS)是一种可以定时和测距的空间交汇定点导航系统。随着卫星 数目的不断增加,定位精度的提高和高精度导航接收机的研制,该项技术已经广泛服务 于军事和民用的各个方面。利用GPS 信号测量地表参数的方法是近年来出现的一种较 新的遥感手段,由GPS 卫星、接收机组成了双基地雷达结构,通过测量地表反射信号 功率反演地表参数信息。海面风矢量和土壤湿度参数是海洋、陆地表面与大气能量传输的关键因子,在生态 学、水文学、气候和农业等方面起到很大作用。海面风场引起海面粗糙度的变化,使散射截面和概率密度函数变化,从而使反射 GPS 海面反射功率发生变化,反射功率波形的峰值能够反映风速和风向的变化,其拖尾 区能够敏感地反映风速的变化,且随着接收机高度的增加越发明显,因此可以通过对不 同延时反射功率的测量得到风场数值。在5—10km 是进行GPS 信号航空遥感海面风场 的最佳高度,在此范围内,多普勒频率产生的影响可以忽略。海面风速的测量范围为3m/s —15m/s,反演精度为2m/s,对于单通道测量海面风向反演精度为20°。由于航空遥感平 台的条件限制,微波散射计在航空遥感海面风场的应用难以发挥其优势,另外,微波散 射计主要测量海面的Bragg 后向散射,而基于GPS 信号反演海面风场是测量海面的前向 散射,因此二者可以做到很好的互补测量。

大量实验表明L 波段是测量土壤湿度的最优波段,不同湿度的土壤具有不同的介电 常数,从而影响反射率和反射功率波形,GPS 反射信号功率波形的峰值部分对于土壤湿 度最为敏感,对于相同土壤湿度,不同粗糙度的地表,峰值功率的变化较小,入射角对 于功率波形影响较小。土壤湿度的测量范围为5%—45%,反演精度为5%。随着接收机高 度的增加,波形展宽,峰值功率降低。该方法可以与微波辐射计互补进行土壤湿度的遥 感测量。 本文根据L 波段信号地表散射特征,采用基尔霍夫估计的方法,将地表分成多个菲 涅尔区进行准镜面反射信号功率计算,得到关于镜面点的不同C/A 码延时的反射信号功 率。利用海面Z-V (Zavorotny-Voromovich)散射模型、Elfouhaily 海谱模型,建立起海面 风速风向和反射信号功率之间的关系;由Hallikainen 提出的体积土壤湿度和介电常数的 关系,菲涅尔反射系数公式和雷达方程,建立起体积土壤湿度和反射信号功率的相互关 系。

依据这些理论模型,编写程序模拟了风速、风向、入射角、粗糙度、土壤湿度、接 收机高度等多个参数对反射信号功率波形的影响。在反问题理论基础上,采用最小二乘 法,利用国外现有的机载实验数据,编写程序对地表参数进行反演,探讨该测量方法的 可行性与有效性。本论文的创新在于详尽分析了海洋陆地表面对GPS 信号的散射特性, 中国科学院博士学位论文 基于GPS 信号航空遥感地表参数的方法研究建立了相应的散射信号模型,为基于GPS 反射信号遥感地表参数提供了理论基础;提出了GPS 信号遥感地表参数反演算法,分析了影响反射信号功率的参数因子。

关键词

GPS 反射信号;GPS 双基雷达;地表参数;基尔霍夫估计 ;反问题

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