GPS-IR监测土壤水分含量的反演模型研究

soil moisture is the key parameter in global energy and water cycle, the retrieval of real-time and high temporal resolution soil moisture with automation and low cost is a basic scientific problem in meteorology, hydrology, ecology and agriculture studies. This study will focus on analyzing the composition of signal-to-ratio and the frequency characteristic of direct and reflected signals, extracting the reflected signals in frequency domain; estimating the interferogram parameters of reflected signals with nonlinear model under complicated surroundings where both single and multiple scattering exist simultaneously, proposing the recognition criterion of multiple scattering in order to eliminate the effect on interferogram parameters estimation; revealing the physical mechnism of vegetation acts on interferogram parameters of reflected signal on the basis of analyzing the dynamic response of reflected signal to vegetation. Besides, introducing the vegetation parameter and constructing the soil moisture polyphyletic retrieval model which considering the vegetation effect. This research work will solve the key issues in soil moisture retrieval with interferogram parameters, consequently provide the theoretical and technical supports for soil moisture retrieval with GPS reference stations.

土壤水分含量是全球能量与水循环中的重要参数，以较低的成本自动化获取实时、高时间分辨率的土壤水分含量是气象、水文、生态、农业等学科中的基础性科学问题之一。本项目从信噪比数据的构成方式入手，分析不同信号成分的频率分布特征，研究反射信号的频域提取方法；研究针对非线性模型的干涉参数快速稳健估计策略和算法模型，建立多次散射信号的识别准则，消除多次散射信号对干涉参数估计的影响；研究植被这一主要干扰因素对反射信号的作用机制，阐明植被对反射信号干涉参数影响的物理机理，并在此基础上，引入植被状态参数，建立顾及植被影响的土壤水分含量多元反演模型。本课题的研究，将解决GPS-IR反射信号参数到土壤水分含量转换的的瓶颈问题，为实现GPS参考站网监测土壤水分含量提供理论和技术支持。

本项目研究内容涉及干涉参数估计、土壤水分含量变化对干涉参数间的影响机制、植被参数与干涉参数间的相关性研究、土壤水分含量反演模型的建立等关键问题，主要成果如下：（1）系统地研究了GPS-IR干涉参数估计策略，优化了现有基于Lomb-Scargle谱分析的反射信号参数估计方法；（2）提出了基于最小二乘谱分析的参数估计方法，并根据Fisher分布构建阈值并确认有效周期分量，实现了不同观测条件的自适应处理；（3）研究了干涉参数与植被状态关系，揭示了干涉参数与归一化植被指数的相关性，实现了利用GPS-IR反演归一化植被指数的新思路；（4）研究了土壤水分含量变化对反射信号的影响机制，揭示了相位是土壤水分含量反演的最佳参数，建立了基于相位的土壤水分含量反演模型；（5）研究了反射点位置信息的确定方法，提出了基于地球椭球面法线的椭球面算法和基于站心坐标系的平面算法。项目发表论文4篇（4篇EI），已投论文2篇（1篇英文，1篇中文），申请软件著作权1项。