[논문 리뷰] Soil Moisture Monitorization Using GNSS Reflected Signals

Alejandro Egido, Giulio Ruffini외 4명|ArXiv.org|2008. 05. 13.

Soil Moisture and Remote Sensing참고 문헌 11인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 지반의 비례율 변화에 따라 변화하는 신호 반사율을 활용하여 반사된 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 신호를 이용한 새로운 토양 수분 모니터링 기술을 제안한다. GNSS-반사도측정(GNSS-R) 기술이 향후 발사 예정인 갈레일레오(Galileo) 위성 신호를 활용할 경우, 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 다중 주파수 분석이 가능하여 표면 거칠기 및 식생 영향을 고려함으로써 토양 수분 추정 정확도가 크게 향상됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 GNSS 신호를 기회적 자원으로 활용하여 비용 효율적이고 수동적인 원격 감지 방법을 개발한다.
• 향후 갈레일레오 신호의 일관성과 다중 대역 특성을 활용하여 기존 토양 수분 측정 방법의 한계를 보완한다.
• 다중 스펙트럼 분석을 통해 표면 거칠기 및 식생 캄라 영향을 보정함으로써 추정 정확도를 향상시킨다.
• 전용 GNSS-R 시스템이 운영용 토양 수분 모니터링에 가능하다는 것을 검증한다.

제안 방법

• 위성에서 송신된 GNSS 신호가 지구 표면에서 반사되어 지상 수신기에서 수신되는 이중 레이더 구성을 사용한다.
• 토양 수분에 따라 토양의 비례율 및 반사율이 변화하므로 반사 신호의 세기를 측정한다.
• 갈레일레오 신호에 내장된 테스트 신호를 활용하여 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키는 일관성 통합 기법을 적용한다.
• 갈레일레오의 L1 및 L5 주파수를 사용하여 다중 스펙트럼 분석을 수행함으로써 표면 거칠기 및 식생 간섭 영향을 분리하고 보정한다.
• 비례율 특성과 환경 요인을 고려하여 측정된 신호 세기를 토양 수분과 연결하는 역모델링 기법을 개발한다.
• 이론적 모델링과 스타랩(Starlab)에서의 실험적 검증을 통해 시스템 성능 및 토양 수분 변화에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNSS-반사 신호는 수분 함량과 관련된 표면 반사율의 미세한 변화를 감지하기에 충분한 신호 대 잡음비(SNR)를 제공할 수 있는가?
• RQ2 갈레일레오의 다중 주파수 신호는 단일 주파수 시스템 대비 토양 수분 추정 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 다중 스펙트럼 GNSS-R 데이터를 활용할 경우 표면 거칠기 및 식생 캄라 영향을 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ4 전용 GNSS-R 시스템은 운영용 대규모 토양 수분 모니터링에 어떤 잠재력을 지니는가?
• RQ5 갈레일레오 신호에 포함된 테스트 신호가 GNSS-R 응용에서 일관성 통합 및 신호 탐지 능력을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 갈레일레오의 테스트 신호를 활용하면 더 긴 일관성 통합 시간을 확보할 수 있어 반사 GNSS 신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 크게 향상된다.
• L1 및 L5 주파수를 사용한 다중 스펙트럼 분석을 통해 표면 거칠기 및 식생 간섭 영향을 효과적으로 분리하고 보정할 수 있다.
• 이론적 및 실험적 결과는 토양 수분 변화가 비례율 특성 변화로 인해 반사 신호 세기에 측정 가능한 변화를 유도함을 확인한다.
• 시스템은 토양 수분의 미세한 변화에 매우 민감하게 반응하여 운영용 모니터링 응용에 적합함을 입증한다.
• 다양한 신호 대역을 통합함으로써 역모델링의 강인성이 향상되어 환경적 혼란 요인에 의한 오차가 감소한다.
• 이 연구는 기회적 GNSS 신호를 활용하여 신뢰성 있고 수동적이며 비용 효율적인 토양 수분 모니터링이 가능하다는 것을 확인한다.