Faisabilité de l'estimation de l'humidité du sol par réflectométrie GNSS grâce aux récepteurs low-cost

Abstract

Soil moisture is a crucial variable in various fields such as agriculture, hydrology, and climatology. This study aims at determining the feasibility of studying this parameter using low-cost GNSS receivers (< €300). To achieve this, there exists a technique that involves analysing the signal-to-noise ratio (SNR) to extract the interference caused by the interaction between the signal directly coming from the satellite and the one reflected from the ground: this is known as interferometric reflectometry. Scientific literature has shown that the amplitude and phase of this interference are sensitive to soil moisture variations. However, until now, studies have used data from fixed reference stations consisting of geodetic receivers. Thus, the interference was produced by the movement of the satellite over time. Moreover, a recent scientific article has shown that this interference can be observed by performing a vertical displacement of the GNSS antenna. In this context, this work has established the feasibility of detecting variations in soil moisture through interferometric reflectometry using the vertical displacement of a low-cost receiver. A ublox F9P and various smartphone models were tested. The theoretical model related to this interference reconstruction technique was defined. Additionally, two processing methods were developed to: only use SNR measurements corresponding to reflections located in the study area and to eliminate unwanted interferences based on the Lomb-Scargle periodogram. Various acquisitions were made using a setup that allowed vertical displacement of the receivers. Ultimately, this study demonstrated that it is possible to detect soil moisture variations with low-cost receivers by exploiting the amplitude but not the phase of the interference. The latter proves to be ambiguous and too sensitive to any errors in the reflection geometry. Furthermore, this work has also provided several contributions to the field of interferometric reflectometry.

L’humidité du sol constitue une variable essentielle dans une variété de domaines comme l’agriculture, l’hydrologie ou la climatologie. Cette étude vise donc à déterminer la faisabilité de l’étude de ce paramètre grâce à des récepteurs GNSS low-cost (< 300 €). Pour ce faire, il existe une technique qui consiste à analyser le signal-to-noise ratio (SNR) afin d’en extraire l’interférence liée à l’interaction entre le signal provenant directement du satellite et celui réfléchi sur le sol : c’est la réflectométrie interférométrique. La littérature scientifique a montré que l’amplitude et la phase de cette interférence étaient sensibles aux variations de l’humidité du sol. Néanmoins, jusqu’ici, les études ont exploité des données issues de stations de référence fixes constituées par des récepteurs géodésiques. Ainsi, l’interférence était produite par le déplacement du satellite au cours du temps. Par ailleurs, un article scientifique a récemment montré que cette dernière pouvait être observée en réalisant un déplacement vertical de l’antenne GNSS. Dans ce contexte, ce travail a établi la faisabilité de la détection de variations dans l’humidité du sol par réflectométrie interférométrique grâce au déplacement vertical d’un récepteur low-cost. Un ublox F9P et différents modèles de smartphones ont été testés. Ainsi, le modèle théorique relatif à cette technique de reconstitution de l’interférence a été défini. En outre, deux traitements ont été élaborés afin : de n’exploiter que les mesures de SNR correspondant à une réflexion située dans de la zone d’étude et de supprimer les interférences indésirables sur base du périodogramme de Lomb-Scargle. Différentes acquisitions ont été réalisées grâce à un montage permettant d’effectuer un déplacement vertical des récepteurs. Finalement, cette étude a montré qu’il était possible de détecter une variation de l’humidité du sol avec des récepteurs low-cost en exploitant l’amplitude mais pas la phase de l’interférence. Cette dernière s’avère être ambiguë et trop sensible à la moindre erreur sur la géométrie de la réflexion. Par ailleurs, ce travail a aussi fourni plusieurs apports au domaine de la réflectométrie interférométrique.