一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明基于微波后向反射系數(shù)與土壤介電常數(shù)具有較強(qiáng)相關(guān)性而土壤介電常數(shù)正比于墑情的規(guī)律，通過(guò)多極化微波雷達(dá)散射計(jì)以發(fā)射微波的方式在廣域范圍內(nèi)執(zhí)行測(cè)量，并且將地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備和機(jī)載檢測(cè)設(shè)備所采集的樣本墑情數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋送，從而在微波實(shí)測(cè)墑情數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)校正，最終取得反映整個(gè)廣域范圍的墑情及其中個(gè)別局部墑情的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適用于農(nóng)業(yè)的傳感信息技術(shù)，更具體地，涉及一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣 域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 墑情是土壤成份當(dāng)中水分的含量，一般以百分比表示。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，土壤墑 情是影響植物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。墑情指標(biāo)在50 %以下的土壤屬于重度干旱，會(huì)造成植物停 止發(fā)育直至干枯；墑情指標(biāo)在60 %以下的土壤屬于輕度干旱，植物生長(zhǎng)造成一定程度的不 利影響；墑情指標(biāo)處于60% -80%這一區(qū)間的土壤適宜植物生長(zhǎng)；墑情指標(biāo)大于80%則表 示土壤含水量過(guò)盛，如果有必要應(yīng)采取排水措施，否則有可能導(dǎo)致植物根部腐敗。可見，準(zhǔn) 確測(cè)量和分析土壤墑情，可以增強(qiáng)預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)旱災(zāi)的能力，并且可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水、月巴 供給提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水的精細(xì)化農(nóng)田作業(yè)具有重要意義。
[0003] 土壤墑情受到多種因素的影響，由于地形環(huán)境、氣象條件、土壤自身微觀構(gòu)成等方 面的差異，使得不同地域的墑情指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布態(tài)勢(shì)。因此，有關(guān)部門為了能 夠全面、準(zhǔn)確地了解所轄區(qū)域的土壤墑情狀況，有必要建立適用于廣域范圍的墑情檢測(cè)系 統(tǒng)。
[0004] 目前在廣域范圍上進(jìn)行土壤墑情檢測(cè)的主要方法是建立分布式的檢測(cè)站點(diǎn)針對(duì) 各個(gè)采樣點(diǎn)的土壤墑情執(zhí)行周期性測(cè)量，從而取得時(shí)間和空間上均勻分布的大量采樣點(diǎn)數(shù) 據(jù)，基于GPRS或ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到中心單元，由中心單元基于土 壤墑情的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型推算廣域范圍內(nèi)的墑情數(shù)值，生成墑情分布地圖等結(jié)果。
[0005] 在前端的檢測(cè)站點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中主要采用了根據(jù)時(shí)域反射法（TDR)或頻域反射法 (FDR)原理構(gòu)造的墑情傳感器，上述檢測(cè)方法可以測(cè)量土壤的介電常數(shù)。常溫下土壤的介電 常數(shù)主要取決于其中水份含量的大小，二者呈現(xiàn)正比關(guān)系。因此通過(guò)獲得所述介電常數(shù)可 以進(jìn)而確定采樣點(diǎn)處的墑情數(shù)值。這一檢測(cè)手段相對(duì)于烘干法等人工實(shí)驗(yàn)方法來(lái)說(shuō)，檢測(cè) 速度更快，自動(dòng)化程度更高，檢測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為電信號(hào)，因而易于實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信傳輸。
[0006] 前端的檢測(cè)站點(diǎn)只能以抽樣的形式反饋整個(gè)廣域范圍內(nèi)的少量采樣點(diǎn)處的墑情 數(shù)值。如果需要獲得反映整個(gè)廣域范圍的土壤墑情數(shù)據(jù)（例如廣域平均值、墑情分態(tài)勢(shì)地 圖等），或者需要獲得非采樣點(diǎn)位置的定點(diǎn)墑情數(shù)值，就只能基于采樣值執(zhí)行各種平均算法 和內(nèi)插算法進(jìn)行模擬。為了使這一模擬計(jì)算達(dá)到逼近實(shí)際墑情的目標(biāo)，現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行了 大量對(duì)廣域土壤墑情分布規(guī)律和變異性進(jìn)行建模的研究，例如提出了克里金法等相對(duì)成熟 的方案。
[0007] 但是，上述現(xiàn)有技術(shù)終究是基于有限的甚至是稀疏的土壤墑情抽樣樣本進(jìn)行廣域 范圍的科學(xué)推測(cè)。而土壤墑情在空間上的分布特征是極為復(fù)雜和敏感的，易受到多重因素 的影響，包括土壤成份變化、植被覆蓋、氣象溫度、地形地貌、太陽(yáng)光照、人類活動(dòng)等等，呈現(xiàn) 出明顯的易于突變和不規(guī)則分布的特點(diǎn)。因此，現(xiàn)有技術(shù)所采用的上述系統(tǒng)具有比較強(qiáng)的 不可靠性。這一不可靠性有可能表現(xiàn)為采樣點(diǎn)本身的非典型性，例如采樣點(diǎn)有可能處于積 水區(qū)，回填區(qū)，或者植被密度及土壤成份具有特殊性的個(gè)別區(qū)域，而導(dǎo)致其采樣值與周邊真 實(shí)墑情呈現(xiàn)超過(guò)正常范圍的差異性；特別是采用了 TDR或FDR測(cè)量方法的墑情傳感器，其對(duì) 外界干擾的抗性更差，甚至測(cè)量點(diǎn)鄰近位置存在石塊等因素都會(huì)造成失真，而只要少數(shù)采 樣點(diǎn)存在上述問(wèn)題，就會(huì)對(duì)整個(gè)廣域范圍的墑情計(jì)算產(chǎn)生影響。另一方面的不可靠性在于 現(xiàn)有系統(tǒng)中只是在某種通用計(jì)算模型的算法基礎(chǔ)上，結(jié)合了特定廣域范圍的條件參數(shù)值， 例如地區(qū)平均溫度、平均光照條件等，以調(diào)整算法中的某些權(quán)重，但不足以使該模型能夠與 特定廣域范圍內(nèi)墑情真實(shí)狀況達(dá)成充分的匹配。
[0008] 可見，現(xiàn)有技術(shù)中需要針對(duì)廣域范圍上的土壤墑情能夠執(zhí)行動(dòng)態(tài)、量化、實(shí)時(shí)、準(zhǔn) 確的直接測(cè)量的技術(shù)，從而從根本上克服基于采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)執(zhí)行模型演算的現(xiàn)有系統(tǒng)的缺 陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑 情檢測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明基于微波后向反射系數(shù)與土壤介電常數(shù)具有較強(qiáng)相關(guān)性而土壤介電常 數(shù)正比于墑情的規(guī)律，通過(guò)多極化微波雷達(dá)散射計(jì)以發(fā)射微波的方式在廣域范圍內(nèi)執(zhí)行測(cè) 量，并且將地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備和機(jī)載檢測(cè)設(shè)備所采集的樣本墑情數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、植被 覆蓋度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋送，從而在微波 實(shí)測(cè)墑情數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)校正，最終取得反映整個(gè)廣域范圍的墑情及其中個(gè)別局部 墑情的檢測(cè)數(shù)據(jù)。
[0010] 本發(fā)明所述基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：
[0011] 多極化微波雷達(dá)散射計(jì)，用于向作為測(cè)量目標(biāo)的廣域范圍地面發(fā)射符合測(cè)量條件 參數(shù)的微波信號(hào)，并且獲取地面散射回波的幅相信息，基于所述幅相信息取得包括后向反 射系數(shù)的微波檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且無(wú)線發(fā)送所述微波檢測(cè)數(shù)據(jù)；
[0012] 地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，包括分布于待測(cè)廣域范圍上的各個(gè)采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè) 備，所述地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備包括采樣模組和通信模組，所述采樣模組用于獲得對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn) 實(shí)測(cè)的地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；所述 通信模組用于將采樣模組采樣的數(shù)據(jù)無(wú)線上傳；
[0013] 總控中心站，接收通過(guò)所述多極化微波雷達(dá)散射計(jì)測(cè)量獲得的所述后向散射系 數(shù)，并且從所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收針對(duì)各采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)的地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征 數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；所述總控中心站用于基于所述地面檢測(cè) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)，取得關(guān)于土壤 粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值，并且向所述多極化微波雷達(dá)散射計(jì)發(fā)送根據(jù)所述預(yù)估目 標(biāo)值確定的微波收發(fā)參數(shù)；所述總控中心站用于基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的地表溫 度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)，對(duì)所述包括后向反 射系數(shù)的微波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和擬合，從而獲得表示所述廣域范圍及其中任意點(diǎn)的墑情 結(jié)果數(shù)值。
[0014] 優(yōu)選的是，所述總控中心站具體包括：通信模組，用于與所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及 多極化微波雷達(dá)散射計(jì)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；地面檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存由地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)提供的各采樣點(diǎn)的地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情 精確數(shù)據(jù)；微波檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存由多極化微波雷達(dá)散射計(jì)提供的所述廣域范圍各點(diǎn) 的包括后向反射系數(shù)的微波檢測(cè)數(shù)據(jù)；預(yù)估目標(biāo)值計(jì)算模塊，用于調(diào)用用于預(yù)估廣域范圍 的土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估計(jì)算模型，基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述地形幾 何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)計(jì)算所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估 目標(biāo)值；校正計(jì)算模塊，用于基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述地表溫度數(shù)據(jù)、地形 幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)校正因數(shù)和歸一化校正因數(shù)，并且基于所述 點(diǎn)校正因數(shù)或歸一化校正因數(shù)對(duì)所述微波檢測(cè)數(shù)據(jù)加以校正，并基于校正后的后向散射系 數(shù)，計(jì)算廣域范圍內(nèi)任意點(diǎn)的校正墑情數(shù)值；宏觀擬合計(jì)算模塊基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)提供的所述精確墑情數(shù)據(jù)，對(duì)所述校正墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行空間擬合，取得更加逼近真實(shí)墑情 值的墑情結(jié)果數(shù)值。
[0015] 優(yōu)選的是，預(yù)估目標(biāo)值計(jì)算模塊計(jì)算所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo) 值具體包括：確定當(dāng)前雷達(dá)發(fā)射微波有效覆蓋范圍的中心點(diǎn)和半徑；篩選位于上述有效覆 蓋范圍內(nèi)的相關(guān)采樣點(diǎn)，并且獲得相關(guān)采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備提供的所述地形幾何特 征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；對(duì)相關(guān)采樣點(diǎn)的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)及墑情 精確數(shù)據(jù)以相關(guān)權(quán)重因數(shù)進(jìn)行加權(quán)，獲得所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選的是，所述總控中心站利用所述預(yù)估目標(biāo)值查詢關(guān)系表，取得與所述 預(yù)估目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的微波收發(fā)參數(shù)。
[0017] 優(yōu)選的是，所述校正計(jì)算模塊計(jì)算所述點(diǎn)校正因數(shù)和歸一化校正因數(shù)具體包括： 根據(jù)位置坐標(biāo)，從所述微波檢測(cè)數(shù)據(jù)中提取與各采樣點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)；基于 各采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、土壤自身物 理屬性數(shù)據(jù)以及微波的實(shí)際測(cè)量參數(shù)，計(jì)算各采樣點(diǎn)的校正因數(shù)；針對(duì)各采樣點(diǎn)的校正因 數(shù)，通過(guò)空間內(nèi)插獲得廣域范圍內(nèi)其它點(diǎn)的點(diǎn)校正因數(shù)，并且通過(guò)空間加權(quán)平均算法獲得 整個(gè)廣域范圍中通過(guò)中心點(diǎn)和半徑所劃分的區(qū)域內(nèi)的歸一化校正因數(shù)。
[0018] 優(yōu)選的是，宏觀擬合計(jì)算模塊對(duì)所述校正墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行空間擬合具體包括：獲得 各采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備提供的精確墑情數(shù)值，并且根據(jù)位置坐標(biāo)，提取廣域范圍內(nèi) 與各采樣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的所述校正墑情數(shù)值；計(jì)算使各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精確墑情數(shù)值與校正墑情 數(shù)值的平方差值的總和最小的歸一化擬合參數(shù)；基于所述歸一化擬合參數(shù)對(duì)廣域范圍內(nèi)的 所述校正墑情數(shù)值進(jìn)行擬合。
[0019] 優(yōu)選的是，所述多極化微波雷達(dá)散射計(jì)包括微波收發(fā)模塊、收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊以 及無(wú)線通信模塊；所述微波收發(fā)模塊具有若干種預(yù)定的微波發(fā)射模式，每種模式下發(fā)射不 同波段和頻率的微波，并且各波段下微波均具有垂直極化和水平極化方式；所述無(wú)線通信 模塊接收所述總控中心站提供的微波收發(fā)參數(shù)，并且所述收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊基于微波收發(fā) 參數(shù)對(duì)微波收發(fā)模塊相應(yīng)波段的發(fā)射微波入射角和頻率進(jìn)行設(shè)置。
[0020] 優(yōu)選的是，所述地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的采樣模組具體包括：地表溫度測(cè)量?jī)x、地表紅 外測(cè)量?jī)x、土壤屬性傳感器組、土壤墑情傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊。
[0021] 優(yōu)選的是，所述地形幾何特征數(shù)據(jù)包括地表高度方差和相關(guān)長(zhǎng)度組成的二維數(shù) 組。
[0022] 優(yōu)選的是，所述總控中心站接收由機(jī)載檢測(cè)設(shè)備提供的歸一化植物指標(biāo)NDVI值， 并且利用所述歸一化植物指標(biāo)NDVI值查詢關(guān)系表，取得對(duì)應(yīng)的微波收發(fā)參數(shù)。
[0023] 可見，本發(fā)明通過(guò)以上處理，最終取得反映整個(gè)廣域范圍的墑情及其中個(gè)別局部 墑情的最終墑情數(shù)值。本發(fā)明所依據(jù)的原始數(shù)據(jù)首先來(lái)自針對(duì)廣域范圍的微波實(shí)測(cè)，而并 非如現(xiàn)有技術(shù)一樣來(lái)自基于少量采樣點(diǎn)的推算，因而其原始數(shù)據(jù)具有更加可靠的基礎(chǔ)。本 發(fā)明在廣域范圍內(nèi)地面覆蓋了執(zhí)行采樣檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò) 可以對(duì)雷達(dá)微波收發(fā)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使參數(shù)的選擇更加符合待測(cè)廣域范圍的真實(shí)特 征；而且可以對(duì)后向散射系數(shù)結(jié)合地面采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)校正和空間擬合，使得該實(shí)測(cè)值 趨近于真實(shí)值，而不是完全簡(jiǎn)化忽略土壤介電常數(shù)以外其它方面因素的影響。本發(fā)明顯著 地提升了墑情檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性，可以為大范圍尺度上的防旱預(yù)警、科學(xué)溉灌、科 學(xué)研究提供充分的墑情數(shù)據(jù)支持。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：
[0025] 圖1是本發(fā)明所述基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明所采用的多極化微波雷達(dá)散射計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明所采用的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備采樣模組的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明的總控中心站的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明對(duì)土壤粗糙度預(yù)估的流程圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明對(duì)土壤墑情預(yù)估的流程圖；
[0031] 圖7是本發(fā)明計(jì)算點(diǎn)校正因數(shù)和歸一化校正因數(shù)的流程圖；
[0032] 圖8是本發(fā)明進(jìn)行宏觀空間擬合的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合實(shí)施例及實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì) 的說(shuō)明。
[0034] 本發(fā)明的原理是基于微波后向反射系數(shù)與土壤介電常數(shù)具有較強(qiáng)相關(guān)性而土壤 介電常數(shù)正比于墑情的規(guī)律，通過(guò)多極化微波雷達(dá)散射計(jì)以發(fā)射微波的方式在廣域范圍內(nèi) 實(shí)際測(cè)量后向散射系數(shù)，進(jìn)而基于實(shí)測(cè)的該系數(shù)取得墑情數(shù)值，并進(jìn)行精細(xì)校正與宏觀擬 合。
[0035] 基于微波實(shí)測(cè)獲得的后向散射系數(shù)與以下多方面的因素有關(guān)：首先是土壤介電常 數(shù)，上面已經(jīng)介紹了其與墑情具有正比關(guān)系，可以直接反映出土壤墑情指示；其二為地表的 地形幾何特性，主要表現(xiàn)為土壤粗糙度，其中，所述土壤粗糙度是地表微觀尺度上凹凸不平 的程度，通常可以用均方根高度和相關(guān)長(zhǎng)度表征；其三是地表植物覆蓋情況，地表植物覆 蓋的密度高低對(duì)其微波散射性能具有不可忽視的影響；其四是土壤自身物理屬性，即在微 觀成份、質(zhì)地、紋理等方面差異性；其五是地表溫度；其六是雷達(dá)微波發(fā)射和接收的相關(guān)參 數(shù)，包括微波頻率、極化、入射角等。由于后向散射系數(shù)受到以上多重因素的影響，現(xiàn)有技術(shù) 中解決這一矛盾的基本思路是通過(guò)對(duì)雷達(dá)微波收發(fā)參數(shù)的選擇，以及通過(guò)對(duì)從后向散射系 數(shù)計(jì)算墑情數(shù)值的數(shù)學(xué)模型的選擇，盡量弱化和忽略其它幾方面的因素的影響，特別是需 要弱化和忽略地表的地形幾何特性的影響，而強(qiáng)化后向散射系數(shù)與土壤介電常數(shù)之間相關(guān) 性的敏感度。
[0036] 本發(fā)明在以上思路的基礎(chǔ)之上，在廣域范圍內(nèi)地面覆蓋了執(zhí)行采樣檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳 輸?shù)淖詣?dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)以下幾方面的功能：首先是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采 樣的反饋結(jié)果，可以對(duì)雷達(dá)微波收發(fā)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使參數(shù)的選擇更加符合待測(cè)廣域 范圍的真實(shí)特征；第二是對(duì)于通過(guò)接收地面散射回波而實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)所采樣的反映地表溫度、地形幾何特征、土壤自身物理屬性等方面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行精細(xì)校 正，使得該實(shí)測(cè)值趨近于真實(shí)值，而不是完全簡(jiǎn)化忽略土壤介電常數(shù)以外其它方面因素的 影響；第三是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)的真實(shí)墑情數(shù)據(jù)，對(duì)由校正之后的后向散射系數(shù)計(jì)算的實(shí) 測(cè)墑情數(shù)值進(jìn)行宏觀擬合，從而使實(shí)測(cè)墑情數(shù)值更加逼近真實(shí)值。通過(guò)以上幾方面的改進(jìn)， 顯著地提升了本系度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。
[0037] 圖1示出了本發(fā)明所述基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意 圖，包括多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1、地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2以及總控中心站3。所述多極化微 波雷達(dá)散射計(jì)1可以采用機(jī)載的方式安裝，在巡回飛行過(guò)程中進(jìn)行微波測(cè)量；也可以在待 測(cè)廣域范圍內(nèi)選擇地勢(shì)較高無(wú)嚴(yán)重障礙處分布設(shè)置若干個(gè)地面站，每個(gè)地面站負(fù)責(zé)一個(gè)分 區(qū)域的微波發(fā)射和接收。多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1用于向作為測(cè)量目標(biāo)的廣域范圍地面發(fā) 射符合測(cè)量條件參數(shù)的微波信號(hào)，并且獲取地面散射回波的幅相信息，基于所述幅相信息 提取后向反射系數(shù)，該后向反射系數(shù)作為實(shí)測(cè)值回傳至總控中心站3。地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2 由分布在待測(cè)廣域范圍上的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備以及路由中繼設(shè)備共同構(gòu)成，各地面定點(diǎn)檢 測(cè)設(shè)備包括采樣模組和通信模組兩部分，通信模組可以基于ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)將其 采樣模組獲得的數(shù)據(jù)上傳至路由中繼設(shè)備，進(jìn)而由路由中繼設(shè)備無(wú)線傳輸?shù)娇偪刂行恼?。 當(dāng)然，也完全可以采用2G或3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備至總控中心站3的 直接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，或者采用現(xiàn)有技術(shù)中已有的其它無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸手段。地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè) 備是自動(dòng)控制的無(wú)人化采樣站，通過(guò)一次布設(shè)作業(yè)安裝完成之后，能夠時(shí)間上可持續(xù)性地 對(duì)其布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，且實(shí)時(shí)上傳。通過(guò)地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2,采集廣域范圍內(nèi)一定數(shù)量的 采樣點(diǎn)的地表溫度、地形幾何特征、土壤自身物理屬性等方面的數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)的精確墑情 數(shù)據(jù)，上傳至總控中心站3。在條件許可的情況下，本發(fā)明還可以調(diào)用機(jī)載檢測(cè)設(shè)備，取得宏 觀尺度上的歸一化植被指數(shù)（NDVI)?？偪刂行恼?基于以上數(shù)據(jù)執(zhí)行精細(xì)校正與宏觀擬 合，從而獲得準(zhǔn)確和可靠反映整個(gè)廣域區(qū)域墑情的檢測(cè)結(jié)果?？偪刂行恼?還作為整個(gè)系 統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中樞，對(duì)多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1和地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān) 控，特別是反饋控制多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1的雷達(dá)微波收發(fā)參數(shù)。
[0038] 圖2是本發(fā)明所采用的多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1的結(jié)構(gòu)示意圖。所述多極化微波 雷達(dá)散射計(jì)1包括微波收發(fā)模塊101、收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊102以及無(wú)線通信模塊103。微波 收發(fā)模塊101具有若干種預(yù)定的微波發(fā)射模式，每種模式下發(fā)射不同波段和頻率的微波。 微波收發(fā)模塊101能夠發(fā)射L波段、C波段和X波段的微波，并且各波段下微波均具有垂直 極化和水平極化的雙重極化方式。實(shí)驗(yàn)證明，待測(cè)地域不同的地面幾何特征以及植被覆蓋 狀況，使其對(duì)不同波段和極化方式的微波具有不同的響應(yīng)，從而采用多模式并行微波發(fā)射， 可以增強(qiáng)對(duì)廣域范圍測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如，在植被覆蓋度比較高的地帶，L波段穿透植被覆 蓋而對(duì)地面執(zhí)行測(cè)量的性能更好；在粗糙度比較低的平坦地表，水平極化的微波所產(chǎn)生的 回波信號(hào)比較強(qiáng)，相反，在粗糙度較高的地表，垂直極化的微波能夠帶來(lái)更強(qiáng)的回波信號(hào)。
[0039] 土壤粗糙度對(duì)于上述各波段和極化方式下的微波實(shí)測(cè)結(jié)果都具有很大的影響。對(duì) 于測(cè)量土壤介電常數(shù)進(jìn)而計(jì)算墑情數(shù)值來(lái)說(shuō)，土壤精糙度是首要的干擾因素，因而有必要 將其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度盡量降低，這一目標(biāo)可以通過(guò)調(diào)整微波發(fā)射相對(duì)于地面的入射 角以及調(diào)整在波段范圍內(nèi)的微波頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，待測(cè)區(qū)域預(yù)估的墑情數(shù)值和待測(cè)區(qū)域 的植被覆蓋情況，也是上述入射角和頻率選擇的參考因素?；夭ǖ暮笙蛏⑸湎禂?shù)與土壤的 墑情數(shù)值呈正比例關(guān)系，與地表植物覆蓋率也呈現(xiàn)正比例關(guān)系；在小于30度的入射角范圍 內(nèi)，后向散射系數(shù)與土壤粗糙度呈現(xiàn)反比例關(guān)系，而在40度以上的入射角范圍內(nèi)，后向散 射系數(shù)與土壤粗糙度呈正比關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，在小于30度的小入射角的情況下，后向散射 系數(shù)對(duì)于土壤墑情的敏感度較高，而隨著入射角度增大，植被和土壤粗糙度的影響逐漸顯 著。因而，可以通過(guò)適當(dāng)選擇發(fā)射微波的入射角以及相應(yīng)的微波頻率，來(lái)盡量降低回波對(duì)土 壤粗糙度的敏感度，并且適應(yīng)地表植被的影響。在本發(fā)明中，總控中心站3通過(guò)地面檢測(cè)無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)2的各個(gè)地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備，獲得反映各個(gè)采樣點(diǎn)的土壤粗糙度及實(shí)測(cè)精確墑情數(shù) 據(jù)的采樣值，然后基于空間加權(quán)平均運(yùn)算，獲得適用于待測(cè)廣域范圍的預(yù)估目標(biāo)值?？偪刂?心站3中保存如下表1所示的微波收發(fā)參數(shù)與預(yù)估目標(biāo)值對(duì)應(yīng)關(guān)系表，該表中用地表高度 方差σ和相關(guān)長(zhǎng)度1的二維數(shù)組表示土壤粗糙度的預(yù)估目標(biāo)值，并且用百分含量表示墑情 的預(yù)估目標(biāo)值。在有條件的情況下，總控中心站3還接收由機(jī)載檢測(cè)設(shè)備通過(guò)掃描所獲得 的待測(cè)廣域范圍內(nèi)的歸一化植物指標(biāo)NDVI值，并且該值也列入到表1中作為進(jìn)行微波收發(fā) 參數(shù)選擇的考量因素。該總控中心站3利用預(yù)估目標(biāo)值（及NDVI值）通過(guò)查表取得相應(yīng)的 微波收發(fā)參數(shù)，并且向多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1傳送該參數(shù)。多極化微波雷達(dá)散射計(jì)1通過(guò) 無(wú)線通信模塊103接收所述參數(shù)，并且由收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊102基于微波收發(fā)參數(shù)對(duì)微波 收發(fā)模塊101相應(yīng)波段的發(fā)射微波入射角和頻率進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)接收和處理回波信號(hào)，微 波收發(fā)模塊101取得實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)Φ，并且將該系數(shù)與取得該系數(shù)的實(shí)際測(cè)量參數(shù) (極化方式、波段、入射角、頻率）共同封裝為遠(yuǎn)程反饋數(shù)據(jù)包，并且通過(guò)無(wú)線通信模塊103 反饋至總控中心站3。
[0040] 表1微波收發(fā)參數(shù)與預(yù)估目標(biāo)值（及NDVI值）對(duì)應(yīng)關(guān)系表
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 多極化微波雷達(dá)散射計(jì)，用于向作為測(cè)量目標(biāo)的廣域范圍地面發(fā)射符合測(cè)量條件參數(shù) 的微波信號(hào)，并且獲取地面散射回波的幅相信息，基于所述幅相信息取得包括后向反射系 數(shù)的微波檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且無(wú)線發(fā)送所述微波檢測(cè)數(shù)據(jù)； 地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，包括分布于待測(cè)廣域范圍上的各個(gè)采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備， 所述地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備包括采樣模組和通信模組，所述采樣模組用于獲得對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)實(shí)測(cè) 的地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；所述通信 模組用于將采樣模組采樣的數(shù)據(jù)無(wú)線上傳； 總控中心站，接收通過(guò)所述多極化微波雷達(dá)散射計(jì)測(cè)量獲得的所述后向散射系數(shù)，并 且從所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收針對(duì)各采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)的地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、 土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；所述總控中心站用于基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)，取得關(guān)于土壤粗糙度 和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值，并且向所述多極化微波雷達(dá)散射計(jì)發(fā)送根據(jù)所述預(yù)估目標(biāo)值確 定的微波收發(fā)參數(shù)；所述總控中心站用于基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的地表溫度數(shù) 據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)，對(duì)所述包括后向反射系 數(shù)的微波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和擬合，從而獲得表示所述廣域范圍及其中任意點(diǎn)的墑情結(jié)果 數(shù)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 總控中心站具體包括：通信模組，用于與所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及多極化微波雷達(dá)散射計(jì) 進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；地面檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存由地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的各采樣點(diǎn)的地 表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)；微波檢測(cè)數(shù)據(jù) 庫(kù)，用于保存由多極化微波雷達(dá)散射計(jì)提供的所述廣域范圍各點(diǎn)的包括后向反射系數(shù)的微 波檢測(cè)數(shù)據(jù)；預(yù)估目標(biāo)值計(jì)算模塊，用于調(diào)用用于預(yù)估廣域范圍的土壤粗糙度和土壤墑情 的預(yù)估計(jì)算模型，基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù) 據(jù)以及墑情精確數(shù)據(jù)計(jì)算所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值；校正計(jì)算模塊， 用于基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述地表溫度數(shù)據(jù)、地形幾何特征數(shù)據(jù)、土壤自身 物理屬性數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)校正因數(shù)和歸一化校正因數(shù)，并且基于所述點(diǎn)校正因數(shù)或歸一化校 正因數(shù)對(duì)所述微波檢測(cè)數(shù)據(jù)加以校正，并基于校正后的后向散射系數(shù)，計(jì)算廣域范圍內(nèi)任 意點(diǎn)的校正墑情數(shù)值；宏觀擬合計(jì)算模塊基于所述地面檢測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的所述精確墑情 數(shù)據(jù)，對(duì)所述校正墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行空間擬合，取得更加逼近真實(shí)墑情值的墑情結(jié)果數(shù)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)估 目標(biāo)值計(jì)算模塊計(jì)算所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值具體包括：確定當(dāng)前雷 達(dá)發(fā)射微波有效覆蓋范圍的中心點(diǎn)和半徑；篩選位于上述有效覆蓋范圍內(nèi)的相關(guān)采樣點(diǎn)， 并且獲得相關(guān)采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)以 及墑情精確數(shù)據(jù)；對(duì)相關(guān)采樣點(diǎn)的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)及墑情精確數(shù)據(jù)以相關(guān)權(quán)重因數(shù) 進(jìn)行加權(quán)，獲得所述關(guān)于土壤粗糙度和土壤墑情的預(yù)估目標(biāo)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 總控中心站利用所述預(yù)估目標(biāo)值查詢關(guān)系表，取得與所述預(yù)估目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的微波收發(fā)參 數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 校正計(jì)算模塊計(jì)算所述點(diǎn)校正因數(shù)和歸一化校正因數(shù)具體包括：根據(jù)位置坐標(biāo)，從所述微 波檢測(cè)數(shù)據(jù)中提取與各采樣點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)；基于各采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè) 設(shè)備提供的所述地形幾何特征數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、土壤自身物理屬性數(shù)據(jù)以及微波的實(shí) 際測(cè)量參數(shù)，計(jì)算各采樣點(diǎn)的校正因數(shù)；針對(duì)各采樣點(diǎn)的校正因數(shù)，通過(guò)空間內(nèi)插獲得廣域 范圍內(nèi)其它點(diǎn)的點(diǎn)校正因數(shù)，并且通過(guò)空間加權(quán)平均算法獲得整個(gè)廣域范圍中通過(guò)中心點(diǎn) 和半徑所劃分的區(qū)域內(nèi)的歸一化校正因數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，宏觀 擬合計(jì)算模塊對(duì)所述校正墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行空間擬合具體包括：獲得各采樣點(diǎn)的地面定點(diǎn)檢測(cè) 設(shè)備提供的精確墑情數(shù)值，并且根據(jù)位置坐標(biāo)，提取廣域范圍內(nèi)與各采樣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的所述 校正墑情數(shù)值；計(jì)算使各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精確墑情數(shù)值與校正墑情數(shù)值的平方差值的總和最 小的歸一化擬合參數(shù)；基于所述歸一化擬合參數(shù)對(duì)廣域范圍內(nèi)的所述校正墑情數(shù)值進(jìn)行擬 合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 多極化微波雷達(dá)散射計(jì)包括微波收發(fā)模塊、收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊以及無(wú)線通信模塊；所述微 波收發(fā)模塊具有若干種預(yù)定的微波發(fā)射模式，每種模式下發(fā)射不同波段和頻率的微波，并 且各波段下微波均具有垂直極化和水平極化方式；所述無(wú)線通信模塊接收所述總控中心站 提供的微波收發(fā)參數(shù)，并且所述收發(fā)參數(shù)設(shè)置模塊基于微波收發(fā)參數(shù)對(duì)微波收發(fā)模塊相應(yīng) 波段的發(fā)射微波入射角和頻率進(jìn)行設(shè)置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 地面定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備的采樣模組具體包括：地表溫度測(cè)量?jī)x、地表紅外測(cè)量?jī)x、土壤屬性傳感 器組、土壤墑情傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 地形幾何特征數(shù)據(jù)包括地表高度方差和相關(guān)長(zhǎng)度組成的二維數(shù)組。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣域土壤墑情檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 總控中心站接收由機(jī)載檢測(cè)設(shè)備提供的歸一化植物指標(biāo)NDVI值，并且利用所述歸一化植 物指標(biāo)NDVI值查詢關(guān)系表，取得對(duì)應(yīng)的微波收發(fā)參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01S13/02GK104267045SQ201410446955
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】陳渝陽(yáng), 朱旭華 申請(qǐng)人:浙江托普儀器有限公司