本發明專利技術提供了一種天基GNSS?S與光學協同土壤濕度監測系統，由地面測控與數據處理中心通過北斗短報文接收來自地基土壤濕度監測模塊測量的實際土壤濕度信息，然后將低軌土壤濕度監測衛星一定時間內的觀測數據與實測土壤濕度信息進行時空匹配后，通過深度學習方法訓練GNSS?S觀測量特征、基于光學數據提取的植被參數與實測土壤濕度信息的映射模型，然后將該映射模型上傳至低軌土壤濕度監測衛星，從而基于觀測數據實現土壤濕度的在軌協同智能實時反演。如此，本發明專利技術具有土壤濕度反演精度高、實時性強、監測范圍廣、可靠性高、系統成本低等有益效果。
1、土壤濕度是調控陸地與大氣之間的水循環、生態系統的平衡以及能量交換的關鍵因素，其波動會對全球氣候變化產生重大影響。此外，土壤濕度信息在農業、氣象學、水文學等多個領域中都扮演著重要角色。因此，實時精確地監測土壤濕度對于氣候變化預測、全球變化研究、農業干旱監測以及農作物產量估算等方面具有重要的意義。傳統的原位測量方法雖然是估計土壤濕度的最準確的方法，但存在高成本、耗時長，且只提供點位數據的限制，難以實現區域和全球尺度上的高重訪高效率土壤濕度監測。
2、隨著衛星遙感技術的快速發展，以更低成本和低耗實現土壤濕度更高時空分辨率監測提供了可能。自20世紀70年代遙感監測土壤濕度的方法提出以來，光學遙感及微波遙感已成為土壤濕度衛星監測的主要手段。光學遙感反演土壤濕度通常是基于熱慣量和植被指數的方法獲得地表信息，并與土壤水分之間構建轉換關系。光學遙感影像具有高空間分辨率和豐富的光譜信息，但是穿透能力差，容易受惡劣天氣影響，不適用于長期監測。微波遙感很好地彌補了這一缺陷，由于較長的波長，微波輻射具有更強的穿透能力，且不受天氣條件和采集時間的影響，因此可以全天時、全天候進行實時監測，但是微波遙感相比于光學遙感的空間分辨率更差，且會受到地表植被散射的干擾。因此，相關學者結合二者的優勢，利用光學遙感消除植被層影響，繼而研究微波雷達散射系數與土壤水分之間的轉化關系，通過多源遙感數據定量反演土壤濕度具有重要的科學意義。
>3、然而，土壤濕度作為監測實時性要求較高的動態變量，目前使用的遙感監測手段具有較長的滯后性，無法滿足災害監測管理、農業決策支持、水資源管理、水科學研究等方面對土壤濕度實時獲取的需求，因此，亟需建立一種低軌土壤濕度監測系統及在軌智能實時反演方法。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統及在軌智能實時反演方法，能夠改善土壤濕度信息獲取的時效性，提升gnss-s技術等遙感手段在農業決策支持、災害監測管理等陸地應用領域的潛力。
2、為了實現上述目的，一方面，本專利技術提供了一種天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，包括有：
3、低軌土壤濕度監測衛星，用于捕獲與跟蹤探測區域內導航衛星地面散射信號以及采集高分辨率圖像，并結合探測系統狀態參數實時處理所述地面散射信號和所述高分辨率圖像，以獲得時延多普勒圖和多光譜高分辨率圖像；將所述系統狀態參數和包含有所述時延多普勒圖和所述多光譜高分辨率圖像的第一觀測數據定期下傳至地面測控與數據處理中心，以及接收來自所述地面測控與數據處理中心上傳的觀測數據特征與實測土壤濕度信息的映射模型，并通過所述映射模型根據在軌觀測數據實時反演獲得全球范圍內的土壤濕度信息；
4、地基土壤濕度監測模塊，用于持續測量土壤濕度及其對應的時空信息，并將包含所述土壤濕度和所述時空信息的第二觀測數據通過第一北斗短報文終端上傳至所述地面測控與數據處理中心；其中，所述時空信息包括有采集時間和采集位置；
5、所述地面測控與數據處理中心，用于定期接收所述低軌土壤濕度監測衛星下傳的所述第一觀測數據及所述系統狀態參數，以及接收來自所述地基土壤濕度監測模塊實測的所述第二觀測數據，并將所述第一觀測數據與所述第一觀測數據進行時空匹配以構成訓練集，并基于所述訓練集通過深度學習訓練gnss-s觀測量特征、基于光學數據提取的植被參數與實測土壤濕度信息的所述映射模型，以及將所述映射模型上傳至所述低軌土壤濕度監測衛星。
6、可選的，所述低軌土壤濕度監測衛星包括有：
7、低軌gnss-s系統，用于接收、跟蹤和分析gnss衛星的直射信號及相關的散射信號，以獲取所述gnss衛星的狀態數據、散射點位置信息和散射信號的時延和多普勒信息；
8、低軌光學系統，用于同步獲取gnss信號在地面散射區域的多光譜高分辨率圖像，提取所述地面散射區域的植被參數；
9、星載計算模塊，用于根據所述地面測控與數據處理中心定期上傳的gnss-s觀測量特征、基于光學數據提取的植被參數與實測土壤濕度信息的所述映射模型，在軌實時完成土壤濕度監測；
10、星地鏈路，用于向所述地面測控與數據處理中心定期下傳的所述第一觀測數據及所述系統狀態參數，以及上傳所述地面測控與數據處理中心經過深度學習網絡訓練后的所述映射模型；
11、星載存儲模塊，用于存儲所述低軌gnss-s系統和所述低軌光學系統采集的數據、以及所述星載計算模塊分析獲得的土壤濕度數據；
12、星載電源模塊，用于對所述低軌土壤濕度監測衛星的各模塊進行供電。
13、可選的，所述低軌土壤濕度監測衛星還包括有：
14、gnss-s天線，用于同時接收雙頻導航衛星散射信號，所述雙頻導航衛星散射信號的頻點分別為1575.42mhz和1227.60mhz，帶寬均為20.46mhz，所述gnss-s天線極化方式為左旋圓極化，采用相控陣天線體制，天線法向增益大于22dbi，波束數量不少于4個；
15、多光譜高分辨率相機，用于采集gnss信號散射區域內的多光譜高分辨率圖像。
16、進一步的，所述多光譜高分辨率相機安裝于轉臺設備上，并通過所述轉臺設備基于所述gnss-s天線的波束指向動態調整拍攝區域，以使所述多光譜高分辨率相機的覆蓋區域與所述gnss-s天線的觀測區域保持一致。
17、可選的，所述地基土壤濕度監測模塊包括有：
18、土壤濕度檢測儀，用于采集地面6～10cm范圍內的土壤濕度；
19、衛星定位模塊，用于獲取所述土壤濕度檢測儀測量土壤濕度的位置及測量時間；
20、數據存儲器，用于存儲所述土壤濕度檢測儀的采集數據和所述衛星定位模塊獲取的所述時空信息；
21、太陽能電源模塊，用于為所述地基土壤濕度監測模塊持續供電；
22、所述第一北斗短報文終端，用于將所述土壤濕度檢測儀和所述衛星定位模塊采集的數據信息上傳至所述地面測控與數據處理中心。
23、進一步的，包括有若干所述地基土壤濕度監測模塊，且若干所述地基土壤濕度監測模塊分布于全球范圍內的典型植被覆蓋場景中。
24、可選的，所述地面測控與數據處理中心包括有：
25、高性能服務器，用于將所述低軌gnss-s系統采集的gnss散射信號數據、基于所述低軌光學系統采集圖像反演的土壤粗糙度、植被指數與所述地基土壤濕度監測模塊實際采集的土壤濕度真值通過時空匹配構成訓練集；并基于所述訓練集通過深度學習網絡持續訓練gnss-s觀測量特征、基于光學數據提取的植被參數與實測土壤濕度信息的映射模型；
26、星地鏈路，用于接收所述低軌土壤濕度監測衛星下傳的第一觀測數據及系統狀態參數，并向所述低軌土壤濕度監測衛星上傳經過深度學習網絡訓練后的所述映射模型；
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【技術保護點】
1.一種天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，包括有：
2.根據權利要求1所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述低軌土壤濕度監測衛星包括有：
3.根據權利要求2所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述低軌土壤濕度監測衛星還包括有：
4.根據權利要求3所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述多光譜高分辨率相機安裝于轉臺設備上，并通過所述轉臺設備基于所述GNSS-S天線的波束指向動態調整拍攝區域，以使所述多光譜高分辨率相機的覆蓋區域與所述GNSS-S天線的觀測區域保持一致。
5.根據權利要求1所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述地基土壤濕度監測模塊包括有：
6.根據權利要求5所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，包括有若干所述地基土壤濕度監測模塊，且若干所述地基土壤濕度監測模塊分布于全球范圍內的典型植被覆蓋場景中。
7.根據權利要求2所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述地面測控與數據處理中心包括有：
8.根據權利要求1所述的天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述地面測控與數據處理中心具體用于根據積累預設時間收集的所述第一觀測數據和所述第二觀測數據構建訓練集，并基于所述訓練集通過深度學習網絡持續訓練GNSS-S觀測量特征、基于光學數據提取的植被參數與實測土壤濕度信息之間的映射關系，以獲得所述映射模型并上傳至所述低軌土壤濕度監測衛星；以及持續接收所述低軌土壤濕度監測衛星的所述第一觀測數據和所述地基土壤濕度監測模塊的第二觀測數據并對所述映射模型進行定期更新后上傳至所述低軌土壤濕度監測衛星。
9.一種基于權利要求1～8任一項所述天基GNSS-S與光學協同土壤濕度監測系統實現的在軌智能實時反演方法，其特征在于，包括步驟：
10.根據權利要求9所述的在軌智能實時反演方法，其特征在于，通過地面測控與數據處理中心的高性能服務器對所述映射模型進行訓練與評估；通過所述低軌土壤濕度監測衛星的星載計算模塊利用所述映射模型根據實際測量的GNSS-S數據和多光譜高分辨率數據進行土壤濕度在軌協同智能實時反演。
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【技術特征摘要】
1.一種天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，包括有：
2.根據權利要求1所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述低軌土壤濕度監測衛星包括有：
3.根據權利要求2所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述低軌土壤濕度監測衛星還包括有：
4.根據權利要求3所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述多光譜高分辨率相機安裝于轉臺設備上，并通過所述轉臺設備基于所述gnss-s天線的波束指向動態調整拍攝區域，以使所述多光譜高分辨率相機的覆蓋區域與所述gnss-s天線的觀測區域保持一致。
5.根據權利要求1所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，所述地基土壤濕度監測模塊包括有：
6.根據權利要求5所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測系統，其特征在于，包括有若干所述地基土壤濕度監測模塊，且若干所述地基土壤濕度監測模塊分布于全球范圍內的典型植被覆蓋場景中。
7.根據權利要求2所述的天基gnss-s與光學協同土壤濕度監測...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉宗強，夏正歡，李思佳，薛長虎，王文良，張闖，劉新，張濤，趙志龍，張瑤，高文寧，金世超，
申請(專利權)人：北京衛星信息工程研究所，
類型：發明
國別省市：
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