[論文レビュー] Soil Moisture Monitorization Using GNSS Reflected Signals

Alejandro Egido, Giulio Ruffini+4 more|ArXiv.org|May 13, 2008

Soil Moisture and Remote Sensing参考文献 11被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、土壌の誘電率の変化に起因する信号の反射率の変化を活用して、反射した全球測位衛星システム（GNSS）信号を用いた新しい土壌水分モニタリング技術を提案する。GNSS反射計測（GNSS-R）において、将来のガリレオ信号を用いることで、高い信号対雑音比（SNR）と多周波数解析が可能となり、表面粗さや植生の影響を考慮することで、土壌水分の推定精度が著しく向上することを示している。

ABSTRACT

The use of GNSS signals as a source of opportunity for remote sensing applications, GNSS-R, has been a research area of interest for more than a decade. One of the possible applications of this technique is soil moisture monitoring. The retrieval of soil moisture with GNSS-R systems is based on the variability of the ground dielectric properties associated to soil moisture. Higher concentrations of water in the soil yield a higher dielectric constant and reflectivity, which incurs in signals that reflect from the Earth surface with higher peak power. Previous investigations have demonstrated the capability of GPS bistatic scatterometers to obtain high enough signal to noise ratios in order to sense small changes in surface reflectivity. Furthermore, these systems present some advantages with respect to others currently used to retrieve soil moisture. Upcoming satellite navigation systems, such as the European Galileo, will represent an excellent source of opportunity for soil moisture remote sensing for various reasons. First, the existence of pilot signals will provide the possibility to extend coherent integration times, which will contribute to the increase of received signals SNR. In addition, the availability of Galileo L1 and L5 signals will allow the multi-spectral analysis of the reflected signals and the development of inversion models which will be able to account more precisely for adverse effects, such as surface roughness and vegetation canopy. In this paper we present some of the recent theoretical work and experiments carried out at Starlab focusing on the development of dedicated Soil Moisture GNSS-R systems.

研究の動機と目的

• 既存のGNSS信号を活用して、費用対効果に優れた受動的リモートセンシング手法を確立すること。
• 近い将来のガリレオ信号が持つ整合性と多バンド特性を活用することで、現在の土壌水分センシング手法の限界を克服すること。
• L1およびL5周波数を用いた多スペクトル解析により、表面粗さや植生被覆の影響を分離・補正することで、推定精度を向上させること。
• 専用GNSS-Rシステムが運用可能な土壌水分モニタリングに適しているかを検証すること。

提案手法

• GNSS衛星から送信された信号が地球の表面で反射され、地上の受信機で受信される2パスレーダ構成を採用する。
• 土壌の誘電率と反射率の変化に伴い、反射信号の電力を測定する。
• ガリレオ信号に組み込まれたパイロット信号を活用して、整合的積分技術を強化し、信号対雑音比（SNR）を向上させる。
• ガリレオのL1およびL5周波数を用いた多スペクトル解析により、表面粗さや植生の影響を分離・補正する。
• 誘電率や環境要因を考慮した、測定された信号電力と土壌水分との関係を表す逆問題モデルを構築する。
• 理論的モデリングとスターラボでの実験的検証により、システムの性能と土壌水分変動に対する感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNSS反射信号は、水分含量に関連する微小な表面反射率変化を検出するのに十分な信号対雑音比（SNR）を提供できるか？
• RQ2 ガリレオの多周波数信号は、単一周波数システムと比較して、土壌水分推定精度をどのように向上させるか？
• RQ3 多スペクトルGNSS-Rデータを用いることで、表面粗さや植生被覆の影響はどの程度軽減可能か？
• RQ4 専用GNSS-Rシステムは、運用的で大規模な土壌水分モニタリングにどの程度の可能性を秘めているか？
• RQ5 ガリレオ信号に組み込まれたパイロット信号は、GNSS-R応用における整合的積分と信号検出をどのように向上させるか？

主な発見

• ガリレオのパイロット信号の利用により、より長い整合的積分時間が可能となり、反射GNSS信号の信号対雑音比（SNR）が著しく向上する。
• L1およびL5周波数を用いた多スペクトル解析により、表面粗さや植生の干渉から生じる土壌水分効果をより効果的に分離できる。
• 理論的および実験的結果から、土壌水分の変化が誘電率の変化に起因して、反射信号電力に測定可能な変化を引き起こすことが確認された。
• 本システムは微小な土壌水分変化に対しても高い感度を示し、運用モニタリング用途に適している。
• 複数の信号帯域の統合により、逆問題モデルのロバスト性が向上し、環境要因による誤差が低減された。
• 本研究は、便宜的なGNSS信号を用いた信頼性の高い受動的でコスト効果の高い土壌水分モニタリングの実現可能性を確認した。