一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，它由步进机械导轨、样本平台、控制系统、供电系统和机箱组成；机箱上表面的一侧设置有水平气泡、底部设置有四个水平调节螺丝；水平气泡与四个水平调节螺丝相配合用于调整机箱的水平位置；机箱上表面和水平气泡相对应的一侧设置有步进电机和导轨移动台，步进电机通过水平导轨和导轨移动台相连接；水平导轨贯穿导轨移动台；步进电机和驱动器相连接，驱动器连接在单片机上；单片机和供电模块、遥控模块进行有线连接，和PC端发送模块进行无线连接。本实用新型的使用，缩短了采集时间，提高了采集的效率，测量更加精准，非常实用。
【专利说明】一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种地表发射率辅助测量装置，尤其涉及一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置。
【背景技术】
[0002]地表发射率是地球表层系统过程中一个非常重要的特征物理量，表征了物体向外发射热辐射的能力，受到地表覆盖类型，土壤水分，土壤理化性质，植被浓密程度和结构，表面粗糙度和地表起伏等众多因素的影响。地表发射率是研究全球变化、地表和大气之间物质和能量交换、全球海洋环流等方面不可或缺的一个关键参数，涉及众多基础学科和重大应用领域。目前，地表发射率的野外测量主要还是基于地表的辐射传输方程，利用热红外光谱仪获得测量的数据，其缺点为:1、人工手动操作，测量步骤繁琐，费时费力，观测时间过长以及观测过程繁琐容易导致环境辐亮度发生变化，进而使得地表发射率的测量精度具有较大的不确定性；2、地表发射率的测量需要同时去除地表温度和环境辐亮度的影响，亦即需要获取观测时对应的地表温度和环境辐亮度。由于地表发射率和地表温度的高度耦合性，导致目前地表温度的黑体拟合确定方法需要测量者具备一定的地表发射率先验知识，对于缺乏先验知识且发射率光谱变异性较大的地物无法有效保证测量精度，可能会导致较大的地表发射率测量误差。基于上述测量地表发射率存在的缺陷本实用新型提供了一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置实用新型内容
[0003]为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置。
[0004]为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是:一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，它由步进机械导轨、样本平台、控制系统、供电系统和机箱五部分组成；
[0005]机箱上表面的一侧设置有水平气泡、底部设置有四个水平调节螺丝；水平气泡与四个水平调节螺丝相配合用于调整机箱的水平位置；
[0006]机箱上表面和水平气泡相对应的一侧设置有步进电机和导轨移动台，步进电机通过水平导轨和导轨移动台相连接；水平导轨贯穿导轨移动台；
[0007]步进电机和驱动器相连接，驱动器连接在单片机上；单片机和供电模块、遥控模块进行有线连接，和PC端发送模块进行无线连接。
[0008]导轨移动台的上面设置有样本平台，样本平台上设置有两个样本托盘；样本托盘各自固定在样本平台上挖空形成的两个矩形框内。
[0009]样本平台通过螺丝固定在导轨移动台上，利用水平导轨的水平移动控制样本托盘的水平切换。
[0010]机箱上水平气泡的左侧从左向右依次设置有模式切换开关、电源5V开关和电源24V开关，水平气泡右侧设置有电压显示表。
[0011]步进机械导轨由水平导轨、导轨移动台和步进电机构成。
[0012]供电系统由电池组和电线构成,装于机箱内部,位于电压显不表的一侧。
[0013]控制系统由无线PC控制模块、遥控模块和驱动器组成；无线PC控制模块由具有接收功能的单片机和PC端发送模块组成。
[0014]本实用新型的使用，缩短了地表发射率采集时间，提高了采集的效率，并极大降低了两次观测过程中环境辐亮度变化对地表发射率测量的影响，从而提高了高光谱地表发射率的野外测量的自动化程度和精度；其所对应的测量方法，摆脱了对地表发射率先验知识的依赖，在获取环境辐亮度的基础上，通过迭代优化的方式，逐步消除地表温度对地表发射率测量的影响，从而实现地表温度和地表发射率的高效分离和精确获取。
[0015]
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型(辅助测量装置)的结构示意图。
[0017]图2为图1的电路原理框图。
[0018]图3为本实用新型测量方法的流程图。
[0019]图4为本实用新型地表发射率和地表温度的迭代优化分离流程图。
[0020]图5为目前的地表发射率的测量步骤流程图。
[0021]图中:1.机箱；2.样本平台；3.样本托盘；4.水平导轨；5.模式切换开关；6.电源5V开关；7.电源24V开关；8.水平气泡；9.电压显示表；10.水平调节螺丝；11:步进电机；12:导轨移动台；13:充电接口
[0022]
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0024]如图1所示，本实用新型由步进机械导轨、样本平台2、控制系统、供电系统和机箱I五部分组成。
[0025]机箱I上表面的一侧设置有水平气泡8、底部设置有四个水平调节螺丝10，水平气泡8与四个水平调节螺丝10相配合用于调整机箱的水平位置。机箱I上水平气泡8的左侧从左向右依次设置有模式切换开关5、电源5V开关6和电源24V开关7，右侧设置有电压显示表9。
[0026]机箱I上表面和水平气泡8相对应的一侧设置有步进电机11和导轨移动台12，步进电机11通过水平导轨4和导轨移动台12相连接；水平导轨4贯穿导轨移动台12。机箱I主要用于固定并集成步进机械导轨、电池组和电机控制器等部件。
[0027]如图2所示步进电机11和驱动器相连接，驱动器连接在单片机上；单片机和供电模块、遥控模块进行有线连接，和PC端发送模块进行无线连接。
[0028]导轨移动台12的上面设置有样本平台2，样本平台2上设置有两个样本托盘3。样本托盘3各自固定在样本平台2上挖空形成的两个矩形框内。样本托盘3用于分别放置目标样本与参考板。样本平台2通过螺丝固定在导轨移动台12上，利用水平导轨4的水平移动控制样本托盘3的水平切换，有效避免了传统测量过程中对目标样本和参考板位置的反复手动放置和位置调整，减少了操作时间，降低了操作人员和仪器相对位置的变化以及环境热辐射变化等因素所导致的环境辐亮度变化带来的发射率测量误差。此外，由于样本平台上设计了中空的矩形框，因此当不放置目标样本托盘时，可以对样本平台下的目标样本进行测量，进而能够实现无需对目标样本进行采样，在不破坏目标样本原始状态下的直接观测。
[0029]步进机械导轨由水平导轨4、导轨移动台12和步进电机11构成。步进机械导轨可通过控制步进电机的转动来完成水平导轨的定距离移动。
[0030]供电系统由电池组和电线构成，装于机箱内部，位于电压显示表9的一侧。电池组共设计有三条接线，两条作为电压输出，可同时提供5V和24V两组电压。其中5V电压用于单片机供电，以插头方式与单片机连接；24V电压用于电机驱动器部分，通过正负接线接入驱动器相应引脚。另一条接线为充电接线，固定在机箱侧面的充电接口，可直接对电池组进行充电，无须拆卸，提升了供电系统的灵活性，同时，若野外实验中，直接充电不便，电池组同样具有简单拆卸的功能设计，更利于野外携带与更换。
[0031]控制系统整合了整套装置的控制单元，同样封装在机箱内部，主要负责完成电机的操控。控制系统由三部分功能模块组成，即无线PC控制模块(由具有接收功能的单片机和PC端发送模块组成)，遥控模块和驱动器，其电路原理框图如图2所示，
[0032]电机的驱动部分设计有两种不同的操作方式，一种为远程遥控方式，另一种为无线PC控制方式。远程遥控的操作方式简单快捷，可人为采用遥控器的方式控制水平导轨的水平行进距离。无线PC控制采用了计算机编程的方式，通过耦合热红外光谱仪的远程控制，更适合实现热红外光谱仪的观测和地表发射率测量的一体化完成。
[0033]远程遥控功能模块由遥控模块和电机驱动器组成，可实现步进电机的双向移动。选择使用远程遥控方式时，模式切换开关选择为遥控方式，利用手持小型遥控器进行移动控制。无线PC控制功能模块由发送端与接收端两部分构成。发送端由单片机,USB串口转换模块和NRF24L01无线模块组成；接收端由单片机、NRF24L01无线模块以及电机驱动器组成，接收端设计有串口读写线，可在后期按需要进行内部参数的修改与设置，如距离和方向的参数设置等，可提高设备的适用性。选择使用无线PC控制方式时，需将发送端连接在PC机上，同时将模型切换开关选择为无线PC控制方式，利用PC发送指令实现电机控制。
[0034]目前，现有的地表发射率测量方法为:
[0035]地表发射率的野外测量主要还是基于地表的辐射传输方程。在局地热平衡条件下，热红外光谱仪第i个通道获取到的离地辐亮度可以表示为:
[0036]Li = ε,Β, (T) + [l-￡jzf(I)
[0037]其中，Li是红外光谱仪观测获取的离地辐亮度；ε i是被测样本对应的地表发射率Ai(T)是被测样本在温度T下的黑体辐亮度，可以由普朗克函数表示；Zf为反射的环境辐亮度。
[0038]根据公式(I)，第i个通道的地表发射率可以表示为:
[_] ε'=Τ^?ι ⑵
[0040]由公式(2)可知，如果需要从观测的离地辐亮度Li中获取地表发射率，必须事先知道地表温度T和环境辐亮度Zf。地表温度和环境辐亮度的获取精度直接影响到地表发射率的测量精度，然而由于地表发射率、地表温度以及环境辐亮度的高度耦合，导致了直接获取地表温度和环境辐亮度并非易事，这也是野外地表发射率测量困难的主要原因。
[0041]现有地表发射率测量技术主要通过手动分步获取环境辐亮度和地表温度的方式，通过公式(2)来实现地表发射率的测量。比如美国Designs&Prototypes公司针对自行研制的便携式红外仪器给出了地表发射率的测量方法，其中测量包括5个步骤，如图5所示；
[0042]1、目标样本离地辐亮度观测
[0043]将目标样本手动放置于仪器镜头下方，不断调整样本位置直至充满整个镜头，操作热红外光谱仪对目标样本的离地辐亮度进行测量。在实际测量的过程中，由于目标与仪器间的测量距离很短，透过率值可近似为I且可忽略环境向上的散射影响，因此，目标样本第i个通道的离地辐亮度C可近似表示如下:
[0044]Lsi ^ Ss1-Bi(Ts)+ {1-Ssl)-Le^s(3)
[0045]其中，<是目标样本的发射率，Ts为目标样本表面温度，Zfi为目标样本观测时对应的环境辐亮度。
[0046]2、参考板(镀金漫反射板)离地辐亮度观测
[0047]将参考板手动放置于目标样本相同位置，并尽量保持操作人员和仪器与前步目标样本观测中的相对位置不变，操作热红外光谱仪对参考版的离地辐亮度进行测量，参考板第i个通道的离地辐亮度If可表示为:
[0048]Lci = ε?.B1 (T0) + (1- <).Lffi(4)
[0049]其中，<为参考板的发射率，Tg为参考板的表面温度，^々为参考板观测时对应的环境辐亮度。
[0050]3、环境辐亮度估算
[0051]当对目标样本与参考板观测的时间间隔较短时，可以近似假设两次观测过程中通道i的环境辐亮度基本没有发生变化，即两次观测的环境辐亮度近似相等，即:
[0052]if,G = Zf(5)
[0053]通过公式(4)，输入参考板的发射率以及表面温度，即可得到所需的环境辐亮度，即:
[0054]LEt'G = Li ~g< ?、(6)
[0055]其中，参考板的发射率约为0.04，可在实验室中测量得到。由于参考板的发射率很低，参考板表面温度的误差对环境辐亮度估算结果的影响较小，所以可直接通过接触式测温仪近似得到参考板的表面温度。
[0056]4、目标样本地表温度的黑体拟合估算
[0057]目标样本地表温度的黑体拟合估算法需事先假设大多数的地类在某一波段范围内(如7.0?7.5 μ m)发射率基本保持不变，且为已知常数ε°。首先，根据经验确定出目标样本表面温度分布的上下限(最大和最小值)，然后在样本温度上下限内通过遍历的方式不断的设置目标样本的地表温度，当在选定的波段范围内利用公式(2)计算的发射率与事先已知的发射率￡°相一致时(均方根最小)，将设置的目标样本的地表温度作为目标样本表面温度的真值Ts。
[0058]5、目标样本地表发射率
[0059]利用上面几步估算出环境辐亮度和目标样本的表面温度后，结合公式(3)-(6)可得:
5 Ls1-(Zf -sf.Bi(Tr))/(1-ε°)
[0060]ε.=——!~- 1 r 1 r 1 G -l^t-(7)
Bi(Ts)-^-Sf-B1(T0))/^-ε^)
[0061]本实用新型的测量方法步骤如下:
[0062]a、目标样本离地辐亮度观测:
[0063]首先，安装样品平台并将其放置于红外光谱仪旁边，通过模式切换开关选择操作模式，打开5V和24V电源开关；然后根据目标样本是否需要放置在样本托盘上，观测可分为两种不同的方式:
[0064]方式1:用样本托盘观测；复位导轨移动平台位置(即移至导轨无电机一侧)，将目标样本安放在样本托盘上，并放置于靠近导轨电机的中空矩形中，将参考板安放在样本托盘上，并放置于远离导轨电机的中空矩形中，微调便携式辅助测量装置，使得放置目标样本的样本托盘完全充满热红外光谱仪的视场，操作热红外光谱仪进行目标样本离地辐亮度的观测。
[0065]方式2:无样本托盘观测；将便携式辅助测量装置放置于目标样本上，复位导轨移动平台位置(即移至导轨无电机一侧)，微调便携式辅助测量装置，使得靠近步进电机的中空矩形完全位于被观测目标样本的上方，将参考板安放在样本托盘上，并放置于远离导轨电机的中空矩形中，微调热红外光谱仪，使得热红外光谱仪镜头对准靠近导轨电机的中空矩形，并使得目标样本完全充满热红外光谱仪的视场，操作热红外光谱仪进行目标样本离地辐亮度的观测。
[0066]b、参考板(镀金漫反射板)离地辐亮度观测:
[0067]通过远程遥控方式或者无线PC控制方式远程控制样本平台的水平移动(具体操作方式由步骤a中的模式开关决定)，使得样本平台向靠近导轨电机的方向水平移动，使得参考板的样本托盘移动至原目标样本的位置，实现目标样本和参考板位置的自动切换，操作热红外光谱仪进行参考板离地辐亮度的观测。其中，远程遥控的方式是通过小型遥控器来完成平台的移动控制，距离需操作人员手动控制；无线PC控制是通过连接在PC端的发送模块，以PC指令方式控制平台的移动，可设定移动距离，实现精准移动。
[0068]C、环境辐亮度估算:
[0069]在通过步骤b测量得到参考板的离地辐亮度数据后，输入参考板的发射率以及参考板的表面温度，利用公式= L>~ SLB^Tg).(6)求取环境辐亮度。
1-A
[0070]d、地表发射率及地表温度的迭代优化分离
[0071]地表发射率和地表温度的迭代优化分离流程如图4所示:
[0072]1、初值估算
[0073]采用线性统计关系1，利用测量得到的目标样本离地辐亮度与环境辐亮度来进行红外光谱仪每个通道地表发射率初值4的估算，可表示如下:
[0074]ε° =C0 + ClPs + C2Pes(8)
[0075]其中，Ps为目标样本离地辐亮度4主成分变换后的前10个主成分构成的矩阵，Ps的每一列对应着I;的主成分。PE, s为环境辐亮度Zfi主成分变换后的前10个主成分构成的矩阵，PE,s的每一列对应着Zfi的主成分AX1和C2都是转换系数(其中C1和C2为矩阵);转换系数都是事先通过对大量包含地表和大气各种情况组合的模拟数据进行统计回归后获取的常数；
[0076]在得到每个通道的发射率的初始值 < 后，通过普朗克反函数估算每个通道的地表温度Ti,即:
(f ο 、丫1
[0077]Ti=^2-1n -c^i , +1(9)
Λ V V π i^i 人
[0078]其中，Ai是红外光谱仪通道i的波长，彳
1.19104.18W.μ m.πΓ2.sf1，c2 = 1.43877.104μ m.K ;选择每个通道的地表温度的最大值作为地表温度初始值Ttl:
[0079]T0 = max (Ti)(10)
[0080]i1、发射率和温度的迭代分离
[0081]利用(i)步得到的每个通道发射率初始值<除以发射率的均值，得到相对发射率Y i，进一步降低地表温度初始值对地表发射率测量的影响，即:
ε0
y.= —^~(11)
[0082]Λ I 夺。v ^
~Χ,ε?
η Y
[0083]其中η为参与相对发射率计算的热红外光谱仪的通道个数；
[0084]接着，获取相对发射率的最小值、,_和Yiiniax，即:
[0085]Y i,min = min( Y J(12)
[0086]Y ijmax = max(y i)
[0087]利用最小发射率与最小相对发射率的统计关系2可得到每个通道的发射率:
r.?.a + b{yimax -γ?Μα)/10、
[0088]Si = Y1-:-:--(13)
? (,min
[0089]其中，a和b都是转换系数，可通过对地表发射率的光谱数据进行统计回归的方式获取；
[0090]进行迭代条件的判断，如果前后两次计算的最小发射率的差值Aei =max( ε J-min( ε D小于给定的阈值(如0.01)，或者迭代次数N达到一定的次数(如N彡100)，则迭代停止，否则将计算得到的发射率ε i作为下一轮的发射率初始值4，继续下一轮迭代。
[0091]e、地表发射率与地表温度的获取
[0092]在完成步骤d中的迭代算法后，将此时得到的发射率ε i与温度Ttl作为最终值，完成地表发射率与地表温度的迭代优化分离，输出并保存地表发射率ε it)
[0093]上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本【技术领域】的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:它由步进机械导轨、样本平台(2)、控制系统、供电系统和机箱(I)五部分组成； 所述机箱(I)上表面的一侧设置有水平气泡(8)、底部设置有四个水平调节螺丝(10)；水平气泡(8)与四个水平调节螺丝(10)相配合用于调整机箱的水平位置； 所述机箱(I)上表面和水平气泡(8)相对应的一侧设置有步进电机(11)和导轨移动台(12)，步进电机(11)通过水平导轨⑷和导轨移动台(12)相连接；水平导轨⑷贯穿导轨移动台(12)； 所述步进电机(11)和驱动器相连接，驱动器连接在单片机上；单片机和供电模块、遥控模块进行有线连接，和PC端发送模块进行无线连接。
2.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述导轨移动台(12)的上面设置有样本平台(2)，样本平台(2)上设置有两个样本托盘(3);样本托盘(3)各自固定在样本平台(2)上挖空形成的两个矩形框内。
3.根据权利要求2所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述样本平台(2)通过螺丝固定在导轨移动台(12)上，利用水平导轨(4)的水平移动控制样本托盘(3)的水平切换。
4.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述机箱(I)上水平气泡(8)的左侧从左向右依次设置有模式切换开关(5)、电源5V开关(6)和电源24V开关(7)，水平气泡(8)右侧设置有电压显示表(9)。
5.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述步进机械导轨由水平导轨(4)、导轨移动台(12)和步进电机(11)构成。
6.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述供电系统由电池组和电线构成，装于机箱内部，位于电压显不表(9)的一侧。
7.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于:所述控制系统由无线PC控制模块、遥控模块和驱动器组成；无线PC控制模块由具有接收功能的单片机和PC端发送模块组成。
【文档编号】G01J3/28GK204027699SQ201420385980
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】吴骅, 张雨泽, 房世峰, 李召良, 姜小光, 唐伯惠, 唐荣林 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所