一種輕便高光譜地表發(fā)射率無損測定裝置及優(yōu)化測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測定裝置及優(yōu)化測定方法，尤其涉及一種輕便高光譜地表發(fā)射率 無損測定裝置及優(yōu)化測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地表發(fā)射率作為遙感科學(xué)中的關(guān)鍵參數(shù)之一，涉及了眾多基礎(chǔ)學(xué)科和重大領(lǐng)域。 地表發(fā)射率是反映物體熱輻射性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，隨物質(zhì)的介電常數(shù)、表面粗糙度、溫 度、波長、觀測方向等條件的不同而變化。地表發(fā)射率不僅在全球蒸散發(fā)，氣候變化以及水 循環(huán)方面扮演著重要角色，還是植被監(jiān)測，城市氣候效應(yīng)以及環(huán)境研究中的關(guān)鍵參數(shù)，因 此，地表發(fā)射率的精準(zhǔn)遙感測定具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，地表發(fā)射率的野外測量主 要是建立在地表輻射傳輸方程的基礎(chǔ)上。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：1、采用手工方式切換觀測目標(biāo)地表和參考板的現(xiàn)有測量方法， 過程繁瑣，干擾因素多，且觀測時(shí)間過長導(dǎo)致觀測條件的改變嚴(yán)重影響了地表發(fā)射率的測 定精度;2、采用自動(dòng)方式切換觀測目標(biāo)地表和參考板的現(xiàn)有測量方法，由于輔助裝置的移 動(dòng)平臺距離較短，導(dǎo)致在測量的過程中需要將設(shè)備放置于目標(biāo)地表的邊緣地區(qū)，且裝置自 身的占地體積相對較大，這就必然會對目標(biāo)地表產(chǎn)生一定的輻射影響，給測量結(jié)果帶來不 穩(wěn)定因素。此外，輔助裝置采用的是移動(dòng)平臺的切換方式，這就需要測量人員在每次測量工 作前，根據(jù)太陽位置來進(jìn)行位置調(diào)整，以最大程度的避免裝置在目標(biāo)地表產(chǎn)生陰影的情況， 但即便如此，在某些時(shí)刻，陰影仍會覆蓋于接近目標(biāo)地表的區(qū)域，導(dǎo)致測量精度下降；3、無 論是采用手工方式還是自動(dòng)方式切換觀測目標(biāo)地表和參考板的現(xiàn)有測量方法，當(dāng)目標(biāo)物具 有一定高度時(shí)，均無法有效實(shí)現(xiàn)無損目標(biāo)地表的高精度地表發(fā)射率的測定。例如，對于長勢 較高的植被，由于將參考板放置于目標(biāo)地表頂部同一高度處存在困難，為了確保環(huán)境輻射 的準(zhǔn)確獲取，現(xiàn)有測量方法只能采用破壞植被的方式，提取部分植被樣本，并將其置于地 表，進(jìn)而完成后續(xù)地表發(fā)射率的測定;4、現(xiàn)有通過地表溫度和發(fā)射率分離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地表 發(fā)射率的測定方法存在各種局限性，例如基于地表溫度黑體擬合的地表發(fā)射率估算法以及 基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系的地表發(fā)射率分離法對于先驗(yàn)知識和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系的依賴性強(qiáng)。先驗(yàn)知 識和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系的正確程度直接決定了地表發(fā)射率測定的精度;而基于分段線性假設(shè)的 地表發(fā)射率分離法雖然不依賴于先驗(yàn)知識和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，但該方法需要事先設(shè)定子區(qū)間 的劃分長度。如何合理的選擇劃分區(qū)間大小，也將影響到地表發(fā)射率的測定精度。子區(qū)間劃 分太長，會違背地表發(fā)射率分段線性變化假設(shè)的合理性，從而降低地表發(fā)射率的測定精度； 而子區(qū)間劃分太短，又會加劇觀測噪聲對地表發(fā)射率測定的影響。此外，由于劃分的子區(qū)間 各自獨(dú)立，未有效緊密聯(lián)系起來，這使得對于地表發(fā)射率波譜變化較大的地表，最后測定的 地表發(fā)射率波譜會表現(xiàn)出明顯的斷點(diǎn)，即譜線表現(xiàn)出不連續(xù)性。因此，現(xiàn)有的測定裝置和方 法嚴(yán)重影響測定的精度，使用測定效果差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種輕便高光譜地表發(fā)射率 無損測定裝置及優(yōu)化測定方法。
[0005]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種輕便高光譜地表發(fā)射率 無損測定裝置，它由參考板托板、延長臂、配重砣、轉(zhuǎn)動(dòng)組件、三角支撐架和中央控制系統(tǒng)組 成；
[0006]轉(zhuǎn)動(dòng)組件由步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺的一側(cè);轉(zhuǎn)動(dòng)組件設(shè) 置在三角支撐架的上端，轉(zhuǎn)動(dòng)組件用于帶動(dòng)延長臂橫向轉(zhuǎn)動(dòng);轉(zhuǎn)動(dòng)組件由中央控制系統(tǒng)進(jìn) 行控制，并通過航空插頭與中央控制系統(tǒng)相連接;旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動(dòng)精度為0.1°，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 360° ;
[0007]參考板托板用于放置和固定參考板，參考板托板的尺寸為14cm*10cm，14cm為固定 長度邊，10cm為可擴(kuò)展邊，通過更換配套的L型固定夾實(shí)現(xiàn)長度的擴(kuò)展;參考板托板通過螺 絲固定于延長臂的一端；
[0008]配重砣設(shè)置在和參考板托板相對應(yīng)的延長臂的另一端，用于對延長臂與參考板托 板的平衡配重，配重砣的標(biāo)準(zhǔn)重量為lkg/個(gè);延長臂裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)組件的旋轉(zhuǎn)臺上；
[0009]中央控制系統(tǒng)由中芯控制器、供電模塊，遙控模塊和機(jī)箱組成。
[00?0] 延長臂的全長為1.2m，單側(cè)最大伸展臂長為1.0m。
[0011]中芯控制器的主面板配有LED顯示屏；中芯控制器的主操作面板外露于機(jī)箱上表 面。供電模塊用于對整個(gè)中央控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)動(dòng)組件進(jìn)行供電，使用的為鋰電池組，工作電壓 為24V;供電模塊通過機(jī)箱后側(cè)的充電接口直接進(jìn)行充電。
[0012] 遙控模塊是外置的；機(jī)箱的前、后兩個(gè)側(cè)面分別設(shè)計(jì)有電源開關(guān)、轉(zhuǎn)動(dòng)組件、航空 插頭以及充電接口；機(jī)箱尺寸為20cmX15cm，重量為lkg〇
[0013] 測定裝置的優(yōu)化測定方法的具體步驟為：
[0014] a、準(zhǔn)備工作：
[0015]首先，針對目標(biāo)地表擺放熱紅外光譜儀，然后，放置輔助測量裝置并進(jìn)行角度、轉(zhuǎn) 速、運(yùn)行模式初始化設(shè)置;在放置輔助測量裝置時(shí)，需滿足延長臂的高度恰好位于對應(yīng)地表 的高度位置，并且三腳支撐架要盡可能的遠(yuǎn)離熱紅外光譜儀，以避免對目標(biāo)地表及附近區(qū) 域的破壞，保證測量過程中的環(huán)境輻射足夠穩(wěn)定;之后，將參考板放置于參考板托板中，調(diào) 整參考板托板的位置，使得參考板位于鏡頭正下方，并能夠充滿整個(gè)熱紅外光譜儀測量視 場，避免在之后的測量中對位置進(jìn)行調(diào)整，縮短測量的整體時(shí)間；最后，通過中央控制系統(tǒng) 控制旋轉(zhuǎn)臺，使其轉(zhuǎn)動(dòng)90度，切換觀測目標(biāo)，使得熱紅外光譜儀對準(zhǔn)待測的目標(biāo)地表，完成 準(zhǔn)備工作；
[0016] b、目標(biāo)地表離地輻亮度測量：
[0017] 在完成步驟a中的準(zhǔn)備工作后，此時(shí)的熱紅外光譜儀已對準(zhǔn)待測目標(biāo)地表，直接操 作熱紅外光譜儀進(jìn)行測量，完成目標(biāo)地表的離地輻亮度的采集；目標(biāo)地表離地輻亮度Rs,i的 公式表示如下：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，i表示熱紅外光譜儀的第i個(gè)波譜通道;es,i為通道i的目標(biāo)地表發(fā)射率;Ts為 目標(biāo)地表的溫度；為目標(biāo)地表觀測時(shí)通道i的環(huán)境輻亮度ddTs)為地表溫度Ts下的通 道普朗克函數(shù);其中，C1 =1.191X108W·um4 ·sr-1 ·m-2，C2 =1.439X104ym·Κ;λ?為第i個(gè) 波譜通道對應(yīng)的等效中心波長；
[0021] c、參考板的離地輻亮度測量：
[0022] 通過中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制旋轉(zhuǎn)臺向步驟a中旋轉(zhuǎn)的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)90度，以滿足反 向旋轉(zhuǎn)后，參考板正好位于熱紅外光譜儀的鏡頭下方且滿足測量視場要求，即完成了參考 板與目標(biāo)地表的切換，然后，直接操作熱紅外光譜儀，完成參考板的離地輻亮度采集;參考 板離地輻亮度Rg,:的公式表示如下：
[0023]
(3)
[0024]其中，i表示熱紅外光譜儀的第i個(gè)波譜通道;ερ為通道i的參考板發(fā)射率;Tg為參 考板的表面溫度;Bi(Tg)為參考板溫度Tg下的通道普朗克函數(shù)；為參考板觀測時(shí)通道i 的環(huán)境輻亮度；
[0025]d、環(huán)境輻亮度的估算：
[0026] 當(dāng)對目標(biāo)地表與參考板觀測的時(shí)間間隔較短時(shí)，可以近似假設(shè)兩次觀測過程中環(huán) 境輻亮度基本沒有發(fā)生變化，即兩次觀測的環(huán)境輻亮度近似相等，即/? = ;因此，通過 步驟c測量得到參考板的離地輻亮度后，利用獲取的參考板的發(fā)射率hi和溫度Tg，利用公 式(4)，計(jì)算得到環(huán)境輻亮度:
[0027]
[0028] 其中，i表示熱紅外光譜儀的第i個(gè)波譜通道；為目標(biāo)地表觀測時(shí)通道i的環(huán)境 輻亮度；為參考板觀測時(shí)通道i的環(huán)境輻亮度；Ag，,·為參考板的通道離地輻亮度;Tg為 參考板的表面溫度;Bi(Tg)為參考板溫度Tg下的通道普朗克函數(shù);eg,i為通道i的參考板發(fā)射 率；
[0029]參考板的發(fā)射率可在實(shí)驗(yàn)室中測量得到，通常取值為￡^ = 0.04;同時(shí)，由于參考 板的發(fā)射率很低，表面溫度的誤差對環(huán)境輻亮度估算結(jié)果的影響較小，所以可直接通過接 觸式測溫儀近似得到參考板的表面溫度Tg;
[0030] e、地表發(fā)射率的迭代優(yōu)化算法：
[0031] i、根據(jù)觀測的目標(biāo)輻亮度波譜，通過普朗