本发明专利技术提供了一种天基GNSS‑S与光学协同土壤湿度监测系统，由地面测控与数据处理中心通过北斗短报文接收来自地基土壤湿度监测模块测量的实际土壤湿度信息，然后将低轨土壤湿度监测卫星一定时间内的观测数据与实测土壤湿度信息进行时空匹配后，通过深度学习方法训练GNSS‑S观测量特征、基于光学数据提取的植被参数与实测土壤湿度信息的映射模型，然后将该映射模型上传至低轨土壤湿度监测卫星，从而基于观测数据实现土壤湿度的在轨协同智能实时反演。如此，本发明专利技术具有土壤湿度反演精度高、实时性强、监测范围广、可靠性高、系统成本低等有益效果。
1、土壤湿度是调控陆地与大气之间的水循环、生态系统的平衡以及能量交换的关键因素，其波动会对全球气候变化产生重大影响。此外，土壤湿度信息在农业、气象学、水文学等多个领域中都扮演着重要角色。因此，实时精确地监测土壤湿度对于气候变化预测、全球变化研究、农业干旱监测以及农作物产量估算等方面具有重要的意义。传统的原位测量方法虽然是估计土壤湿度的最准确的方法，但存在高成本、耗时长，且只提供点位数据的限制，难以实现区域和全球尺度上的高重访高效率土壤湿度监测。
2、随着卫星遥感技术的快速发展，以更低成本和低耗实现土壤湿度更高时空分辨率监测提供了可能。自20世纪70年代遥感监测土壤湿度的方法提出以来，光学遥感及微波遥感已成为土壤湿度卫星监测的主要手段。光学遥感反演土壤湿度通常是基于热惯量和植被指数的方法获得地表信息，并与土壤水分之间构建转换关系。光学遥感影像具有高空间分辨率和丰富的光谱信息，但是穿透能力差，容易受恶劣天气影响，不适用于长期监测。微波遥感很好地弥补了这一缺陷，由于较长的波长，微波辐射具有更强的穿透能力，且不受天气条件和采集时间的影响，因此可以全天时、全天候进行实时监测，但是微波遥感相比于光学遥感的空间分辨率更差，且会受到地表植被散射的干扰。因此，相关学者结合二者的优势，利用光学遥感消除植被层影响，继而研究微波雷达散射系数与土壤水分之间的转化关系，通过多源遥感数据定量反演土壤湿度具有重要的科学意义。
>3、然而，土壤湿度作为监测实时性要求较高的动态变量，目前使用的遥感监测手段具有较长的滞后性，无法满足灾害监测管理、农业决策支持、水资源管理、水科学研究等方面对土壤湿度实时获取的需求，因此，亟需建立一种低轨土壤湿度监测系统及在轨智能实时反演方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统及在轨智能实时反演方法，能够改善土壤湿度信息获取的时效性，提升gnss-s技术等遥感手段在农业决策支持、灾害监测管理等陆地应用领域的潜力。
2、为了实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，包括有：
3、低轨土壤湿度监测卫星，用于捕获与跟踪探测区域内导航卫星地面散射信号以及采集高分辨率图像，并结合探测系统状态参数实时处理所述地面散射信号和所述高分辨率图像，以获得时延多普勒图和多光谱高分辨率图像；将所述系统状态参数和包含有所述时延多普勒图和所述多光谱高分辨率图像的第一观测数据定期下传至地面测控与数据处理中心，以及接收来自所述地面测控与数据处理中心上传的观测数据特征与实测土壤湿度信息的映射模型，并通过所述映射模型根据在轨观测数据实时反演获得全球范围内的土壤湿度信息；
4、地基土壤湿度监测模块，用于持续测量土壤湿度及其对应的时空信息，并将包含所述土壤湿度和所述时空信息的第二观测数据通过第一北斗短报文终端上传至所述地面测控与数据处理中心；其中，所述时空信息包括有采集时间和采集位置；
5、所述地面测控与数据处理中心，用于定期接收所述低轨土壤湿度监测卫星下传的所述第一观测数据及所述系统状态参数，以及接收来自所述地基土壤湿度监测模块实测的所述第二观测数据，并将所述第一观测数据与所述第一观测数据进行时空匹配以构成训练集，并基于所述训练集通过深度学习训练gnss-s观测量特征、基于光学数据提取的植被参数与实测土壤湿度信息的所述映射模型，以及将所述映射模型上传至所述低轨土壤湿度监测卫星。
6、可选的，所述低轨土壤湿度监测卫星包括有：
7、低轨gnss-s系统，用于接收、跟踪和分析gnss卫星的直射信号及相关的散射信号，以获取所述gnss卫星的状态数据、散射点位置信息和散射信号的时延和多普勒信息；
8、低轨光学系统，用于同步获取gnss信号在地面散射区域的多光谱高分辨率图像，提取所述地面散射区域的植被参数；
9、星载计算模块，用于根据所述地面测控与数据处理中心定期上传的gnss-s观测量特征、基于光学数据提取的植被参数与实测土壤湿度信息的所述映射模型，在轨实时完成土壤湿度监测；
10、星地链路，用于向所述地面测控与数据处理中心定期下传的所述第一观测数据及所述系统状态参数，以及上传所述地面测控与数据处理中心经过深度学习网络训练后的所述映射模型；
11、星载存储模块，用于存储所述低轨gnss-s系统和所述低轨光学系统采集的数据、以及所述星载计算模块分析获得的土壤湿度数据；
12、星载电源模块，用于对所述低轨土壤湿度监测卫星的各模块进行供电。
13、可选的，所述低轨土壤湿度监测卫星还包括有：
14、gnss-s天线，用于同时接收双频导航卫星散射信号，所述双频导航卫星散射信号的频点分别为1575.42mhz和1227.60mhz，带宽均为20.46mhz，所述gnss-s天线极化方式为左旋圆极化，采用相控阵天线体制，天线法向增益大于22dbi，波束数量不少于4个；
15、多光谱高分辨率相机，用于采集gnss信号散射区域内的多光谱高分辨率图像。
16、进一步的，所述多光谱高分辨率相机安装于转台设备上，并通过所述转台设备基于所述gnss-s天线的波束指向动态调整拍摄区域，以使所述多光谱高分辨率相机的覆盖区域与所述gnss-s天线的观测区域保持一致。
17、可选的，所述地基土壤湿度监测模块包括有：
18、土壤湿度检测仪，用于采集地面6～10cm范围内的土壤湿度；
19、卫星定位模块，用于获取所述土壤湿度检测仪测量土壤湿度的位置及测量时间；
20、数据存储器，用于存储所述土壤湿度检测仪的采集数据和所述卫星定位模块获取的所述时空信息；
21、太阳能电源模块，用于为所述地基土壤湿度监测模块持续供电；
22、所述第一北斗短报文终端，用于将所述土壤湿度检测仪和所述卫星定位模块采集的数据信息上传至所述地面测控与数据处理中心。
23、进一步的，包括有若干所述地基土壤湿度监测模块，且若干所述地基土壤湿度监测模块分布于全球范围内的典型植被覆盖场景中。
24、可选的，所述地面测控与数据处理中心包括有：
25、高性能服务器，用于将所述低轨gnss-s系统采集的gnss散射信号数据、基于所述低轨光学系统采集图像反演的土壤粗糙度、植被指数与所述地基土壤湿度监测模块实际采集的土壤湿度真值通过时空匹配构成训练集；并基于所述训练集通过深度学习网络持续训练gnss-s观测量特征、基于光学数据提取的植被参数与实测土壤湿度信息的映射模型；
26、星地链路，用于接收所述低轨土壤湿度监测卫星下传的第一观测数据及系统状态参数，并向所述低轨土壤湿度监测卫星上传经过深度学习网络训练后的所述映射模型；
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【技术保护点】
1.一种天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，包括有：
2.根据权利要求1所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述低轨土壤湿度监测卫星包括有：
3.根据权利要求2所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述低轨土壤湿度监测卫星还包括有：
4.根据权利要求3所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述多光谱高分辨率相机安装于转台设备上，并通过所述转台设备基于所述GNSS-S天线的波束指向动态调整拍摄区域，以使所述多光谱高分辨率相机的覆盖区域与所述GNSS-S天线的观测区域保持一致。
5.根据权利要求1所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述地基土壤湿度监测模块包括有：
6.根据权利要求5所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，包括有若干所述地基土壤湿度监测模块，且若干所述地基土壤湿度监测模块分布于全球范围内的典型植被覆盖场景中。
7.根据权利要求2所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述地面测控与数据处理中心包括有：
8.根据权利要求1所述的天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述地面测控与数据处理中心具体用于根据积累预设时间收集的所述第一观测数据和所述第二观测数据构建训练集，并基于所述训练集通过深度学习网络持续训练GNSS-S观测量特征、基于光学数据提取的植被参数与实测土壤湿度信息之间的映射关系，以获得所述映射模型并上传至所述低轨土壤湿度监测卫星；以及持续接收所述低轨土壤湿度监测卫星的所述第一观测数据和所述地基土壤湿度监测模块的第二观测数据并对所述映射模型进行定期更新后上传至所述低轨土壤湿度监测卫星。
9.一种基于权利要求1～8任一项所述天基GNSS-S与光学协同土壤湿度监测系统实现的在轨智能实时反演方法，其特征在于，包括步骤：
10.根据权利要求9所述的在轨智能实时反演方法，其特征在于，通过地面测控与数据处理中心的高性能服务器对所述映射模型进行训练与评估；通过所述低轨土壤湿度监测卫星的星载计算模块利用所述映射模型根据实际测量的GNSS-S数据和多光谱高分辨率数据进行土壤湿度在轨协同智能实时反演。
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【技术特征摘要】
1.一种天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，包括有：
2.根据权利要求1所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述低轨土壤湿度监测卫星包括有：
3.根据权利要求2所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述低轨土壤湿度监测卫星还包括有：
4.根据权利要求3所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述多光谱高分辨率相机安装于转台设备上，并通过所述转台设备基于所述gnss-s天线的波束指向动态调整拍摄区域，以使所述多光谱高分辨率相机的覆盖区域与所述gnss-s天线的观测区域保持一致。
5.根据权利要求1所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，所述地基土壤湿度监测模块包括有：
6.根据权利要求5所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测系统，其特征在于，包括有若干所述地基土壤湿度监测模块，且若干所述地基土壤湿度监测模块分布于全球范围内的典型植被覆盖场景中。
7.根据权利要求2所述的天基gnss-s与光学协同土壤湿度监测...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗强，夏正欢，李思佳，薛长虎，王文良，张闯，刘新，张涛，赵志龙，张瑶，高文宁，金世超，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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