一種三通道水體表觀光譜觀測和分析裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜測量、遙感反演技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三通道水體表觀光譜觀測和分析裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水體表觀光學(xué)參數(shù)主要有離水輻亮度、歸一化離水輻亮度和遙感反射率等，它們是海洋水色遙感的基礎(chǔ)物理量，也是水體色素成分的光學(xué)表現(xiàn)。現(xiàn)場精確獲取表觀光學(xué)參數(shù)將有利于生物光學(xué)算法、大氣校正算法的開發(fā)，以及對星載遙感器的輻射校正及其數(shù)據(jù)的真實性檢驗。在現(xiàn)有技術(shù)中，遙感反射率1^通過公式R?=Lw/Ed(0+)計算得到。因此，要先確定水體的離水輻亮度Lw和下行輻照度Ed (0+)，而Lw= Lt-PLp所以，現(xiàn)場需要獲取水體的輻亮度Lt、天空光輻亮度Li和下行輻照度E d(0+)。目前國內(nèi)測量遙感反射率較多的是應(yīng)用【文獻I】中描述的方法，通過一臺輻亮度傳感器測量水面、天空以及標準參考板反射的光譜。當使用一臺傳感器測量時，就需要不斷改變傳感器的測量方向。如果此過程中氣象條件不穩(wěn)定，那測得的水體輻亮度光譜、天空輻亮度光譜和下行輻照度光譜3者就難以匹配，最終導(dǎo)致計算的遙感反射率和離水輻亮度LwF準確?！疚墨Il】:Tang J W，Tian GL.The Methods of Water Spectra Measurement and Analysis 1:Above-ffater Method.Journal of Remote Sensing, 2004.1.[唐軍武，田國良，水體光譜測量與分析1:水面以上測量法.遙感學(xué)報，2004.1o

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種三通道水體表觀光譜觀測和分析裝置及方法。
[0004]本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是:一種三通道水體表觀光譜觀測和分析裝置，其特征在于:包括光譜儀傳感器組、主支撐架、輻照度傳感器支撐臂和兩組結(jié)構(gòu)相同的輻亮度傳感器支撐臂；所述的光譜儀傳感器組包括兩個輻亮度傳感器和一個輻照度傳感器；所述的主支撐架由垂直的安裝板和水平的底座構(gòu)成；所述的安裝板垂直固定在水平的底座上；所述的安裝板上開有多個安裝孔，用于安裝所述的輻照度傳感器支撐臂和輻亮度傳感器支撐臂；所述的輻照度傳感器垂直朝向天空地固定安裝在所述的輻照度傳感器支撐臂上；所述的兩個輻亮度傳感器均位置可調(diào)地分別安裝在所述的兩組結(jié)構(gòu)相同的輻亮度傳感器支撐臂上、按照預(yù)設(shè)的天頂角分別指向天空和水面。
[0005]作為優(yōu)選，所述的輻照度傳感器支撐臂由垂直于底座的第一支撐桿和第一儀器壓塊構(gòu)成；所述的第一支撐桿通過螺紋連接件固定安裝在所述的安裝板上，所述的第一儀器壓塊通過螺紋連接件固定安裝在所述的第一支撐桿頂端，所述的輻照度傳感器固定安裝在所述的第一儀器壓塊上。
[0006]作為優(yōu)選，所述的輻亮度傳感器支撐臂包括第二支撐桿、第三支撐桿、第二儀器壓塊和合頁；所述的第二支撐桿和第三支撐桿均帶有滑動槽結(jié)構(gòu)，所述的第二支撐桿的一端通過合頁固定安裝在所述的安裝板上；所述的第三支撐桿的一端與所述的安裝板側(cè)邊緣成可調(diào)節(jié)的滑動連接、另一端與所述的第二支撐桿的另一端通過滑動連接輔助部件形成可滑動連接；兩組第二儀器壓塊分別通過螺紋連接件固定安裝在兩個第二支撐桿上；所述的兩個輻亮度傳感器分別固定安裝在所述的兩組第二儀器壓塊上。
[0007]作為優(yōu)選，所述的輻亮度光譜儀傳感器和輻照度光譜儀傳感器外形均呈圓柱狀。
[0008]作為優(yōu)選，所述的第一儀器壓塊由兩塊對稱的半圓凹槽構(gòu)成，半圓凹槽直徑剛好與所述的輻照度傳感器的粗細相等，每塊半圓凹槽在對應(yīng)的地方都設(shè)置有螺孔，第一儀器壓塊通過螺紋連接件將所述的輻照度傳感器套緊并固定安裝在所述的第一支撐桿頂端上。
[0009]作為優(yōu)選，所述的兩組第二儀器壓塊均由兩塊對稱的半圓凹槽構(gòu)成，半圓凹槽直徑剛好與所述的輻亮度傳感器的粗細相等，每塊半圓凹槽在對應(yīng)的地方都設(shè)置有螺孔，第二儀器壓塊通過螺紋連接件將所述的輻亮度傳感器套緊并固定在所述的第二支撐桿頂端上。
[0010]作為優(yōu)選，所述的底座由兩片具有一定寬度的長條狀底板構(gòu)成，兩片底板相距與所述的安裝板寬度相等的距離平行排列，所述的安裝板底部與所述的兩片底板上表面中部固定連接。
[0011]本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是:一種三通道水體表觀光譜觀測和分析的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0012]步驟1:部署；將所述的三通道水體表觀光譜觀測裝置水平放置在水面上的某一建筑物或者船板邊緣上，確保觀測時目標水體不受周圍建筑陰影、太陽耀斑、水體泡沫、白帽的影響，確保觀測時目標天空不受云層、建筑的影響；
[0013]步驟2:確定觀測幾何(θ，φ) = (40°，135° );將所述的兩個輻亮度傳感器預(yù)設(shè)天頂角分別為40度和-40度，其中一個輻亮度傳感器(11)以40度天頂角指向水面，另一個輻亮度傳感器(11)以-40度天頂角指向天空；
[0014]步驟3:確定采樣模式；每一次觀測都嚴格遵循現(xiàn)場觀測幾何[40°，135° ]，并且同時采集兩個輻亮度傳感器和一個輻照度傳感器的光譜數(shù)據(jù)，每個傳感器采集若干條光譜數(shù)據(jù)；
[0015]步驟4:濾波處理；將每個傳感器測量得到的若干條光譜數(shù)據(jù)進行濾波與修正處理來消除殘余太陽耀斑和天空光反射成分以及對云、周圍建筑物的影響；
[0016]步驟5:計算得到遙感反射率和離水輻亮度L ff?
[0017]作為優(yōu)選，步驟4中所述的濾波與修正處理，其具體實現(xiàn)過程為:令水體的輻亮度光譜為Lt、天空的輻亮度光譜為Li和下行輻照度光譜為E d (0+)，每次傳感器測量得到的數(shù)據(jù)量為K條LT、K條Lp K條Ed(0+)，分別用LT[1?《山[1?k]和Ed(0+) [I?k]表示；
[0018]則先剔除Lt[I?k]、Li [I?k]和Ed(0+) [I?k]中各自的最大值Lt[max]和最小值LT[min];然后余下的M條(K條數(shù)據(jù)中最大或最小的可能有多條，若有多條，就剔除多條)光譜數(shù)據(jù)Lt [η?N]、Li [η?N]和Ed (0+) [η?N]分別求平均，LTmean = (LT[n]+......+LT[N])/M；
[0019]LiHiean= (Li [η] +......+Li [N]) /M ；
[0020]Ed(0+)mean = (Ed(0+) [η]+……+Ed(0+) [N])/M ；
[0021]最終得到三個平均值LTmean、LiHiearu Ed (0+)mean。
[0022]作為優(yōu)選，步驟5中所述的計算得到遙感反射率和離水輻亮度L w，其具體實現(xiàn)過程為:
[0023]將步驟4的處理后得到的2個平均值LTmean、LiHiean代入以下公式計算離水輻亮度Lw，
[0024]Lff — L Tmean_ P Limean;
[0025]其中為P氣水界面對天空的反射率，其取值范圍在0.026?0.12之間；
[0026]最后將得到的離水輻亮度M5P E d (0+)mean代入公式Rre= L W/Ed (0+)到遙感反射率Rrs。
[0027]本發(fā)明能夠通過搭載的三個TR1S RAMSES系列光譜儀傳感器按照預(yù)設(shè)的[40°，135° ]觀測幾何同時采集3個目標的光譜數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了三通道水體表觀光譜觀測和分析?？朔藛瓮ǖ烙^測中需要人為改變傳感器的測量方向等帶來的局限性。不僅節(jié)省了人力成本，更重要的是保證了三個目標數(shù)據(jù)的同時性和提高它們的匹配度，能夠使水體表觀光譜觀測和分析結(jié)果更加準確。
【附圖說明】
[0028]圖1:為本發(fā)明實施例的裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2:為本發(fā)明實施例的裝置的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3:為本發(fā)明實施例的裝置的觀測方位示意圖，可體現(xiàn)儀器觀測方位與太陽直射方位的關(guān)系；
[0031]圖4:為本發(fā)明實施例的裝置的光譜儀傳感器組在垂直面內(nèi)的觀測角度示意圖，可體現(xiàn)3個TR1S RAMSES系列傳感器測量的物理量及各自與水面法線的關(guān)系；
[0032]圖5:為本發(fā)明實施例的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應(yīng)當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]請見圖1和圖2，本實施例提供的一種三通道水體表觀光譜觀測和分析裝置，包括光譜儀傳感器組1、主支撐架2、輻照度傳感器支撐臂3和兩組結(jié)構(gòu)相同的輻亮度傳感器支撐臂4 ;光譜儀傳感器組I包括兩個輻亮度傳感器11和一個輻照度傳感器12 ;主支撐架2由垂直的安裝板21和水平的底座22構(gòu)成；底座22由兩片具有一定寬度的長條狀底板221構(gòu)成，兩片底板221相距與安裝板21寬度相等的距離平行排列，安裝板21底部與兩片底板221上表面中部固定連接；安裝板21上開有多個安裝孔，用于安裝輻照度傳感器支撐臂3和輻亮度傳感器支撐臂4 ;輻照度傳感器支撐臂3由垂直于底座22的第一支撐桿31和第一儀器壓塊32構(gòu)成；第一支撐桿31通過螺紋連接件固定安裝在安裝板21上，第一儀器壓塊32通過螺紋連接件固定安裝在第一支撐桿31頂端，輻照度傳感器12固定安裝在第一儀器壓塊32上；輻亮度傳感器支撐臂4包括第二支撐桿41、第三支撐桿42、第二儀器壓塊43和合頁44 ;第二支撐桿41和第三支撐桿42均帶有滑動槽結(jié)構(gòu)，第二支撐桿41的一端通過合頁44固定安裝在安裝板21上；第三支撐桿42的一端與安裝板21側(cè)邊緣成可調(diào)節(jié)的滑動連接、另一端與第二支撐桿41的另一端通過滑動連接輔助部件形成可滑動連接；兩組第二儀器壓塊43分別通過螺紋連接件固定安裝在兩個第二支撐桿41上；兩個輻亮度傳感器11分別固定安裝在兩組第二儀器壓塊43上；輻亮度光譜儀傳感器11和輻照度光譜儀傳感器12外形均呈圓柱狀；第一儀器壓塊32由兩塊對稱的半圓凹槽構(gòu)成，半圓凹槽直徑剛好與輻照度傳感器12的粗細相等，每塊半圓凹槽在對應(yīng)的地方都設(shè)置有螺孔，第一儀器壓塊32通過螺紋連接件將輻照度傳感器12套緊并固定安裝在第一支撐桿31頂端上；兩組第二儀器壓塊43均由兩塊對稱的半圓凹槽構(gòu)成，半圓凹槽直徑剛好與輻亮度傳感器11的粗細相等，每塊半圓凹槽在對應(yīng)的地方都設(shè)置有螺孔，第二儀器壓塊43通過螺紋連接件將將輻亮度傳感器11套緊并固定在第二支撐桿41頂端上，兩個輻亮度傳感器11均按照預(yù)設(shè)的天頂角分別指向天空和水面。
[0035]請見圖3、圖4和圖5，本實施例提供的一種行三通道水體表觀光譜觀測和分析的方法，包括以下步驟:
[0036]步驟1:部署；
[0037]將三通道水體表觀光譜觀測裝置水平放置在水面上的某一建筑物或者船板邊緣上，確保觀測時目標水體不受周圍建筑陰影、太陽耀斑、水體泡沫、白帽的影響，確保觀測時目標天空不受云層、建筑的影響；
[0038]步驟2:確定觀測幾何；
[0039]通過裝置中的三個TR1S RAMSES系列光譜儀傳感器分別同時測量水體的輻亮度光譜Lt、天空的輻亮度光譜Li和下