專利名稱：一種用數(shù)碼相機(jī)測量地物波譜特性的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜輻射度測量領(lǐng)域，涉及一種用于地物(地面上各種物質(zhì))波譜特性的測量裝置和方法。
本發(fā)明之前，地物波譜輻射度或反射率隨波長變化而改變的特性稱之為地物波譜特性。地物波譜特性測量基本上分為實驗室測量和野外測量兩類。目前，測定地物反射波譜特性的儀器有分光光度計、光譜儀、攝譜儀等。這類儀器一般由收集器、分光器、探測器和顯示記錄器組成。
為了實現(xiàn)較高精度的地物波譜測量，一般都需采用昂貴、專用的儀器設(shè)備，而且其操作過程往往是十分繁復(fù)的。此外，大多數(shù)方法通常都是以非成像的方式進(jìn)行的。這種方法要求在儀器的觀測視場內(nèi)，地物樣品保持均勻，且要避免大面積的陰影存在。非成像方式測量對于野外測量，尤其是多角度的二向反射特性測量而言，顯得極為不便。
本發(fā)明的目的在于克服通常地物波譜特性測量方法的設(shè)備復(fù)雜、操作不便和適用范圍窄的缺點，將提供一種用數(shù)碼相機(jī)測量地物波譜特性的裝置及方法。
本發(fā)明測量系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容如圖2所示，它包括光源1、分光器2、數(shù)碼相機(jī)3、轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)4和計算機(jī)5，把光源置于地物樣品上方，在轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)上端固定安裝有數(shù)碼相機(jī)，在數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)鏡頭本體上安裝有分光器，分光器的光軸與數(shù)碼相機(jī)的光軸相重合，數(shù)碼相機(jī)通過通用串行總線與計算機(jī)相聯(lián)結(jié)。
本發(fā)明的測量方法是測量之前，首先對數(shù)碼相機(jī)的物鏡光圈數(shù)、曝光時間參數(shù)進(jìn)行測試；再對數(shù)碼相機(jī)的光譜響應(yīng)、噪聲特性、像元均勻性進(jìn)行光譜輻射定標(biāo)；用定標(biāo)的數(shù)據(jù)對地物進(jìn)行波譜特性的測量測量時，首先將光源照在待測量的地物上，然后根據(jù)多角度測量需要選擇觀測視角(高低角和方位角)來調(diào)整轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)，使數(shù)碼相機(jī)的鏡頭對準(zhǔn)地物目標(biāo)；根據(jù)研究地物不同光譜特性的需要選擇分光器的光譜響應(yīng)波段或光譜帶寬；利用數(shù)碼相機(jī)的鏡頭分別收集所需地物和標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜輻亮度信號，在數(shù)碼相機(jī)鏡頭的焦平面上聚焦生成圖像；由數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的面陣CCD探測器獲取地物的圖像光信號，同時數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的面陣CCD探測器把圖像光信號轉(zhuǎn)換成時序電信號；數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的信號處理器把時序電信號模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并以一定格式的數(shù)字圖像文件形式存儲在芯片中；最后，由數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像送入計算機(jī)進(jìn)行圖像采樣和處理，便可得到所需的地物波譜特性數(shù)據(jù)或曲線。
本發(fā)明主要優(yōu)點是采用成像方式，利用經(jīng)過定標(biāo)的、價格相對便宜的商品化數(shù)碼相機(jī)，以及個人計算機(jī)，就能實現(xiàn)過去只有利用價格昂貴的專門儀器裝置才能得到的較高精度的地物波譜特性數(shù)據(jù)。選用了目前商品化的普通數(shù)碼相機(jī)(Digital Camera)作為一種集探測器、收集器和顯示記錄器于一體的攝像測量系統(tǒng)。采用數(shù)碼相機(jī)的模式設(shè)置、圖像采集、傳輸和計算機(jī)處理等技術(shù)簡便易行；具有可供選擇的光圈數(shù)、曝光時間，以及相對穩(wěn)定的焦平面光譜響應(yīng)特性。數(shù)碼相機(jī)可以用于精度較高和可重復(fù)性的測量，并且本發(fā)明一旦定標(biāo)后，便可用作簡單的成像光譜測量系統(tǒng)。投入成本低廉、裝置簡單實用、操作方便易行、測量精度較高。利用這一測量方法及裝置，既可以在實驗室的環(huán)境下進(jìn)行嚴(yán)格的測量，同時更適合于在野外條件下對于各種作物、植被、巖礦、水體、建筑物以及其它感興趣的地物進(jìn)行測量和研究。此外，由該方法構(gòu)成的測量裝置，不僅能用于地面測量，而且還能用于其它平臺，如氣球和直升飛機(jī)等等。這對于地物輻射現(xiàn)象研究、目標(biāo)探測、識別和分類及航空、航天遙感中目標(biāo)仿真研究等諸多領(lǐng)域的科學(xué)研究具有重要的應(yīng)用價值。


圖1是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實例的結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明的實施例如圖2、圖3所示本發(fā)明裝置的實施例它包括光源1、分光器2、數(shù)碼相機(jī)3、轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)4和計算機(jī)5。光源1采用溴鎢燈或自然光源如太陽和天空，光源作為測量裝置的照明來源；分光器2采用一個濾光片組件，是一種可拆卸的分光器；數(shù)碼相機(jī)3采用柯達(dá)公司生產(chǎn)的Kodak DC265變焦距彩色數(shù)碼相機(jī)；轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)4采用陀螺轉(zhuǎn)臺或普通的三腳架云臺；計算機(jī)5采用臺式PC機(jī)或或便攜式電腦。
本發(fā)明方法的實施例首先利用已知標(biāo)準(zhǔn)硅光電池探測器的絕對光譜響應(yīng)為Rs(λ)數(shù)據(jù)，調(diào)整單色儀的輸出波長為λ，設(shè)單色儀出射狹縫的單色光輻亮度為L(λ)。對應(yīng)這一波長，測得硅光電池輸出電流為is(λ)，則有
is(λ)＝Rs(λ)L(λ)(1)把數(shù)碼相機(jī)放在單色儀的透鏡組50倍焦距以外，并對單色儀的出射狹縫譜拍照。設(shè)置數(shù)碼相機(jī)光圈數(shù)為F，曝光時間為τ，光譜響應(yīng)為R(λ)。對所得數(shù)字RGB圖象作8×8采樣并求得平均量化數(shù)字DN(λ)DN(λ)=π4F2·L(λ)·τ·R(λ)---(2)]]>由公式(1)、(2)，可求得該單色儀的輸出波長λ對應(yīng)的數(shù)碼相機(jī)光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)R(λ)=4F2π·1τ·Rs(λ)·1is(λ)·DN(λ)---(3)]]>其次，對數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝像模式設(shè)置，主要包括設(shè)定光圈數(shù)、曝光時間和圖像格式。在測量過程中，既可以采用數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部菜單驅(qū)動的模式進(jìn)行，也可采用計算機(jī)控制觸發(fā)的模式進(jìn)行。
利用本發(fā)明進(jìn)行地物光譜輻亮度測量利用圖2所示的示意圖，可以用于測量地物的地物光譜輻亮度測量。由公式(2)，設(shè)地物光譜輻亮度為Lg(λ)，可求得Lg(λ)=4F12π·1τ1·1R(λ)·DNg(λ)---(4)]]>式中，F(xiàn)1為拍攝時的光圈數(shù)，τ1為拍攝時的曝光時間，DNg(λ)為處理后的地物量化數(shù)字對應(yīng)的光譜值。
利用本發(fā)明進(jìn)行地物光譜漫反射率測量利用公式(4)，如果在同一條件下測量標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜量化數(shù)字DNw(λ)，則對于漫反射地物，可間接測得其光譜漫反射率ρg(λ)ρg(λ)=DNg(λ)DNw(λ)---(5)]]>利用本發(fā)明進(jìn)行地物二向反射率測量通常，地面大多數(shù)物體的反射特性會偏離理想Lambert漫射體的假設(shè)，同太陽光的入射角，以及遙感器的觀測視角密切相關(guān)。因而，地物的二向反射特性對于目標(biāo)的探測、識別和分類有十分重要的意義。尤其在航空和航天遙感領(lǐng)域，這一特性測量有著更為重要的應(yīng)用價值。
利用標(biāo)準(zhǔn)白板和上述裝置，對于每一太陽光入射角(θs，ψs)和數(shù)碼相機(jī)觀測視角(θv，ψv)，可以測得地物的二向反射率
權(quán)利要求
1.一種用數(shù)碼相機(jī)測量地物波譜特性的裝置，它包括光源1，其特征在于還包括分光器2、數(shù)碼相機(jī)3、轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)4和計算機(jī)5，把光源置于地物樣品上方，在轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)上端固定安裝有數(shù)碼相機(jī)，在數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)鏡頭本體上安裝有分光器，分光器的光軸與數(shù)碼相機(jī)的光軸相重合，數(shù)碼相機(jī)通過通用串行總線與計算機(jī)相聯(lián)結(jié)。
2.一種用數(shù)碼相機(jī)測量地物波譜特性的方法，其特征在于測量之前，首先對數(shù)碼相機(jī)的物鏡光圈數(shù)、曝光時間參數(shù)進(jìn)行測試；再對數(shù)碼相機(jī)的光譜響應(yīng)、噪聲特性、像元均勻性進(jìn)行光譜輻射定標(biāo)；用定標(biāo)的數(shù)據(jù)對地物進(jìn)行波譜特性的測量測量時，首先將光源照在待測量的地物上，然后根據(jù)多角度測量需要選擇觀測視角(高低角和方位角)來調(diào)整轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)，使數(shù)碼相機(jī)的鏡頭對準(zhǔn)地物目標(biāo)；根據(jù)研究地物不同光譜特性的需要選擇分光器的光譜響應(yīng)波段或光譜帶寬；利用數(shù)碼相機(jī)的鏡頭分別收集所需地物和標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜輻亮度信號，在數(shù)碼相機(jī)鏡頭的焦平面上聚焦生成圖像；由數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的面陣CCD探測器獲取地物的圖像光信號，同時數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的面陣CCD探測器把圖像光信號轉(zhuǎn)換成時序電信號；數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的信號處理器把時序電信號模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并以一定格式的數(shù)字圖像文件形式存儲在芯片中；最后，由數(shù)碼相機(jī)采集數(shù)字圖像送入計算機(jī)進(jìn)行圖像采樣和處理，便可得到所需的地物波譜特性數(shù)據(jù)或曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于地物波譜特性的測量裝置和方法。它包括光源、分光器、數(shù)碼相機(jī)、轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)和計算機(jī)。首先,測試數(shù)碼相機(jī)光圈數(shù)、曝光時間;其次,對數(shù)碼相機(jī)的光譜響應(yīng)、噪聲特性、像元均勻性進(jìn)行光譜輻射定標(biāo);最后,用定標(biāo)的數(shù)據(jù)對地物進(jìn)行測量。可在實驗室的進(jìn)行測量,并適合在野外對作物、植被、巖礦、水體、建筑物以及其它地物進(jìn)行測量和研究。能用于地面測量、還可用于氣球和直升飛機(jī)等平臺上的測量。對地物輻射現(xiàn)象研究、目標(biāo)探測、識別和分類及航空、航天遙感中目標(biāo)仿真研究等諸多領(lǐng)域的科學(xué)研究具有重要的應(yīng)用價值。
文檔編號G03B19/02GK1357753SQ0012808
公開日2002年7月10日 申請日期2000年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月6日
發(fā)明者王剛 申請人:中國科學(xué)院長光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所