一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，它由步進(jìn)機(jī)械導(dǎo)軌、樣本平臺(tái)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和機(jī)箱組成；機(jī)箱上表面的一側(cè)設(shè)置有水平氣泡、底部設(shè)置有四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲；水平氣泡與四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲相配合用于調(diào)整機(jī)箱的水平位置；機(jī)箱上表面和水平氣泡相對(duì)應(yīng)的一側(cè)設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)水平導(dǎo)軌和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)相連接；水平導(dǎo)軌貫穿導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)；步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器相連接，驅(qū)動(dòng)器連接在單片機(jī)上；單片機(jī)和供電模塊、遙控模塊進(jìn)行有線連接，和PC端發(fā)送模塊進(jìn)行無(wú)線連接。利用本裝置進(jìn)行高光譜地表發(fā)射率的測(cè)量可分為多個(gè)步驟。本發(fā)明的使用，縮短了采集時(shí)間，提高了采集的效率，測(cè)量更加精準(zhǔn)，非常實(shí)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置及測(cè)量方法，尤其涉及一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]地表發(fā)射率是地球表層系統(tǒng)過(guò)程中一個(gè)非常重要的特征物理量，表征了物體向外發(fā)射熱輻射的能力，受到地表覆蓋類(lèi)型，土壤水分，土壤理化性質(zhì)，植被濃密程度和結(jié)構(gòu)，表面粗糙度和地表起伏等眾多因素的影響。地表發(fā)射率是研究全球變化、地表和大氣之間物質(zhì)和能量交換、全球海洋環(huán)流等方面不可或缺的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，涉及眾多基礎(chǔ)學(xué)科和重大應(yīng)用領(lǐng)域。目前，地表發(fā)射率的野外測(cè)量主要還是基于地表的輻射傳輸方程，利用熱紅外光譜儀獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)，其缺點(diǎn)為:1、人工手動(dòng)操作，測(cè)量步驟繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，觀測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及觀測(cè)過(guò)程繁瑣容易導(dǎo)致環(huán)境輻亮度發(fā)生變化，進(jìn)而使得地表發(fā)射率的測(cè)量精度具有較大的不確定性；2、地表發(fā)射率的測(cè)量需要同時(shí)去除地表溫度和環(huán)境輻亮度的影響，亦即需要獲取觀測(cè)時(shí)對(duì)應(yīng)的地表溫度和環(huán)境輻亮度。由于地表發(fā)射率和地表溫度的高度耦合性，導(dǎo)致目前地表溫度的黑體擬合確定方法需要測(cè)量者具備一定的地表發(fā)射率先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)于缺乏先驗(yàn)知識(shí)且發(fā)射率光譜變異性較大的地物無(wú)法有效保證測(cè)量精度，可能會(huì)導(dǎo)致較大的地表發(fā)射率測(cè)量誤差。基于上述測(cè)量地表發(fā)射率存在的缺陷本發(fā)明提供了一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置及方法


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率鋪助測(cè)量裝置及方法。
[0004]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率鋪助測(cè)量裝置，它由步進(jìn)機(jī)械導(dǎo)軌、樣本平臺(tái)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和機(jī)箱五部分組成；
[0005]機(jī)箱上表面的一側(cè)設(shè)置有水平氣泡、底部設(shè)置有四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲；水平氣泡與四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲相配合用于調(diào)整機(jī)箱的水平位置；
[0006]機(jī)箱上表面和水平氣泡相對(duì)應(yīng)的一側(cè)設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)水平導(dǎo)軌和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)相連接；水平導(dǎo)軌貫穿導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)；
[0007]步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器相連接，驅(qū)動(dòng)器連接在單片機(jī)上；單片機(jī)和供電模塊、遙控模塊進(jìn)行有線連接，和PC端發(fā)送模塊進(jìn)行無(wú)線連接。
[0008]導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)的上面設(shè)置有樣本平臺(tái)，樣本平臺(tái)上設(shè)置有兩個(gè)樣本托盤(pán)；樣本托盤(pán)各自固定在樣本平臺(tái)上挖空形成兩個(gè)矩形框內(nèi)。
[0009]樣本平臺(tái)通過(guò)螺絲固定在導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)上，利用水平導(dǎo)軌的水平移動(dòng)控制樣本托盤(pán)的水平切換。
[0010]機(jī)箱上水平氣泡的左側(cè)從左向右依次設(shè)置有模式切換開(kāi)關(guān)、電源5V開(kāi)關(guān)和電源24V開(kāi)關(guān)，上水平氣泡右側(cè)設(shè)置有電壓顯示表。
[0011]機(jī)箱步進(jìn)機(jī)械導(dǎo)軌由水平導(dǎo)軌、導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。
[0012]供電系統(tǒng)由電池組和電線構(gòu)成,裝于機(jī)箱內(nèi)部,位于電壓顯不表的一側(cè)。
[0013]控制系統(tǒng)由無(wú)線PC控制模塊、遙控模塊和驅(qū)動(dòng)器組成；無(wú)線PC控制模塊由具有接收功能的單片機(jī)和PC端發(fā)送模塊組成。
[0014]測(cè)量步驟如下:
[0015]a、目標(biāo)樣本離地輻亮度觀測(cè):
[0016]首先，安裝樣品平臺(tái)并將其放置于紅外光譜儀旁邊，通過(guò)模式切換開(kāi)關(guān)選擇操作模式，打開(kāi)5V和24V電源開(kāi)關(guān)；然后根據(jù)目標(biāo)樣本是否需要放置在樣本托盤(pán)上，進(jìn)行觀測(cè)；
[0017]b、參考板離地輻亮度觀測(cè):
[0018]通過(guò)遠(yuǎn)程遙控方式或者無(wú)線PC控制方式遠(yuǎn)程控制樣本平臺(tái)的水平移動(dòng)，使得樣本平臺(tái)向靠近導(dǎo)軌電機(jī)的方向水平移動(dòng)，使得參考板的樣本托盤(pán)移動(dòng)至原目標(biāo)樣本的位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樣本和參考板位置的自動(dòng)切換，操作熱紅外光譜儀進(jìn)行參考板離地輻亮度的觀測(cè)；其中，遠(yuǎn)程遙控的方式是通過(guò)小型遙控器來(lái)完成平臺(tái)的移動(dòng)控制，距離需操作人員手動(dòng)控制；無(wú)線PC控制是通過(guò)連接在PC端的發(fā)送模塊，以PC指令方式控制平臺(tái)的移動(dòng)，可設(shè)定移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)移動(dòng)；
[0019]C、環(huán)境輻亮度估算:
[0020]在通過(guò)步驟b測(cè)量得到參考板的離地輻亮度數(shù)據(jù)后，輸入?yún)⒖及宓陌l(fā)射率以及參考板的表面溫度，利用公式

【權(quán)利要求】
1.一種野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:它由步進(jìn)機(jī)械導(dǎo)軌、樣本平臺(tái)(2)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和機(jī)箱(1)五部分組成； 所述機(jī)箱(1)上表面的一側(cè)設(shè)置有水平氣泡(8)、底部設(shè)置有四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲(10)；水平氣泡(8)與四個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲(10)相配合用于調(diào)整機(jī)箱的水平位置； 所述機(jī)箱(1)上表面和水平氣泡(8)相對(duì)應(yīng)的一側(cè)設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)(11)和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)(12)，步進(jìn)電機(jī)(11)通過(guò)水平導(dǎo)軌⑷和導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)(12)相連接；水平導(dǎo)軌⑷貫穿導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)(12)； 所述步進(jìn)電機(jī)(11)和驅(qū)動(dòng)器相連接，驅(qū)動(dòng)器連接在單片機(jī)上；單片機(jī)和供電模塊、遙控模塊進(jìn)行有線連接，和PC端發(fā)送模塊進(jìn)行無(wú)線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述軌移動(dòng)臺(tái)(12)的上面設(shè)置有樣本平臺(tái)(2)，樣本平臺(tái)(2)上設(shè)置有兩個(gè)樣本托盤(pán)(3)；樣本托盤(pán)(3)各自固定在樣本平臺(tái)(2)上挖空形成兩個(gè)矩形框內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述樣本平臺(tái)(2)通過(guò)螺絲固定在導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)(12)上，利用水平導(dǎo)軌(4)的水平移動(dòng)控制樣本托盤(pán)(3)的水平切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述機(jī)箱(1)上水平氣泡(8)的左側(cè)從左向右依次設(shè)置有模式切換開(kāi)關(guān)(5)、電源5V開(kāi)關(guān)(6)和電源24V開(kāi)關(guān)(7)，上水平氣泡(8)右側(cè)設(shè)置有電壓顯示表(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述機(jī)箱步進(jìn)機(jī)械導(dǎo)軌由水平導(dǎo)軌(4)、導(dǎo)軌移動(dòng)臺(tái)(12)和步進(jìn)電機(jī)(11)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述供電系統(tǒng)由電池組和電線構(gòu)成，裝于機(jī)箱內(nèi)部，位于電壓顯不表(9)的一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置，其特征在于:所述控制系統(tǒng)由無(wú)線PC控制模塊、遙控模塊和驅(qū)動(dòng)器組成；無(wú)線PC控制模塊由具有接收功能的單片機(jī)和PC端發(fā)送模塊組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的野外便攜式高光譜地表發(fā)射率輔助測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于:測(cè)量步驟如下: a、目標(biāo)樣本離地輻亮度觀測(cè): 首先，安裝樣品平臺(tái)并將其放置于紅外光譜儀旁邊，通過(guò)模式切換開(kāi)關(guān)選擇操作模式，打開(kāi)5V和24V電源開(kāi)關(guān)；然后根據(jù)目標(biāo)樣本是否需要放置在樣本托盤(pán)上，進(jìn)行觀測(cè)； b、參考板離地輻亮度觀測(cè): 通過(guò)遠(yuǎn)程遙控方式或者無(wú)線PC控制方式遠(yuǎn)程控制樣本平臺(tái)的水平移動(dòng)，使得樣本平臺(tái)向靠近導(dǎo)軌電機(jī)的方向水平移動(dòng)，使得參考板的樣本托盤(pán)移動(dòng)至原目標(biāo)樣本的位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樣本和參考板位置的自動(dòng)切換，操作熱紅外光譜儀進(jìn)行參考板離地輻亮度的觀測(cè)；其中，遠(yuǎn)程遙控的方式是通過(guò)小型遙控器來(lái)完成平臺(tái)的移動(dòng)控制，距離需操作人員手動(dòng)控制；無(wú)線PC控制是通過(guò)連接在PC端的發(fā)送模塊，以PC指令方式控制平臺(tái)的移動(dòng)，可設(shè)定移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)移動(dòng)； C、環(huán)境輻亮度估算: 在通過(guò)步驟b測(cè)量得到參考板的離地輻亮度數(shù)據(jù)后，輸入?yún)⒖及宓陌l(fā)射率以及參考板的表面溫度，利用公式片
求取環(huán)境輻亮度；

d、地表發(fā)射率及地表溫度的迭代優(yōu)化分離 .1、初值估算 采用線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系1，利用測(cè)量得到的目標(biāo)樣本離地輻亮度與環(huán)境輻亮度來(lái)進(jìn)行紅外光譜儀每個(gè)通道地表發(fā)射率初值<的估算，可表示如下: ￡,° =C0+C1P5+C2^-,(8) 其中，Ps為目標(biāo)樣本離地輻亮度€主成分變換后的前10個(gè)主成分構(gòu)成的矩陣，Ps的每一列對(duì)應(yīng)著<的主成分。PE,s為環(huán)境輻亮度Zfv主成分變換后的前10個(gè)主成分構(gòu)成的矩陣，PE,s的每一列對(duì)應(yīng)著片，''的主成分KtlX1和C2都是轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中C1和C2為矩陣；轉(zhuǎn)換系數(shù)都是事先通過(guò)對(duì)大量包含地表和大氣各種情況組合的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸后獲取的常數(shù)； 在得到每個(gè)通道發(fā)射率的初始值 < 后，通過(guò)普朗克反函數(shù)估算每個(gè)通道的地表溫度Ti，即:
其中，Ai是紅外光譜儀通道i的波長(zhǎng)，Λ,.=(Ι；-(1-^)Ζ^)/^0，C1 =.1.19104.18W.μ m. 2.sf1，c2 = 1.43877.104μ m.K ;選擇每個(gè)通道的地表溫度的最大值作為地表溫度初始值Ttl: T0 = max (Ti)(10) i 1、發(fā)射率和溫度的迭代分離 利用(i)步得到的每個(gè)通道發(fā)射率初始值4除以發(fā)射率的均值，得到相對(duì)發(fā)射率Yi,進(jìn)一步降低地表溫度初始值對(duì)地表發(fā)射率測(cè)量的影響，即:
其中η為參與相對(duì)發(fā)射率計(jì)算的熱紅外光譜儀的通道個(gè)數(shù)； 接著，獲取相對(duì)發(fā)射率的最小值Yi, _和，即: Y1.min = Hiin(Yi)(12)
Yi,max = maX ( Y i) 利用最小發(fā)射率與最小相對(duì)發(fā)射率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系2可得到每個(gè)通道的發(fā)射率:
其中，a和b都是轉(zhuǎn)換系數(shù)，可通過(guò)對(duì)地表發(fā)射率的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸的方式獲??； 進(jìn)行迭代條件的判斷，如果前后兩次計(jì)算的最小發(fā)射率的差值Λ ε i =max( ε J-min( ε D小于給定的閾值(如0.01)，或者迭代次數(shù)N達(dá)到一定的次數(shù)(如N≥100)，則迭代停止，否則將計(jì)算得到的發(fā)射率ε i作為下一輪的發(fā)射率初始值<，繼續(xù)下一輪迭代； e、地表發(fā)射率與地表溫度的獲取 在完成步驟d中的迭代算法后，將此時(shí)得到的發(fā)射率ε i與溫度Ttl作為最終值，完成地表發(fā)射率與地表溫度 的迭代優(yōu)化分離，輸出并保存地表發(fā)射率ε it)
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK104075804SQ201410332475
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】吳驊, 張雨澤, 房世峰, 李召良, 姜小光, 唐伯惠, 唐榮林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所