一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置及优化测定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置，它由参考板托板、延长臂、配重砣、转动组件、三角支撑架和中央控制系统组成；转动组件由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的一侧；转动组件设置在三角支撑架的上端，转动组件用于带动延长臂横向转动；转动组件由中央控制系统进行控制，并通过航空插头与中央控制系统相连接；旋转台的转动精度为0.1°，转动的角度为360°。优化测定方法的步骤为：准备工作、目标地表离地辐亮度测量、参考板的离地辐亮度测量、环境辐亮度的估算、地表发射率的迭代优化算法：本发明专利技术可以有效配合高光谱热红外光谱仪在不破坏目标地表的前提下，快速的获取高精度环境辐射，测定精度高，使用效果更好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测定装置及优化测定方法，尤其涉及一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置及优化测定方法。
技术介绍
地表发射率作为遥感科学中的关键参数之一，涉及了众多基础学科和重大领域。地表发射率是反映物体热辐射性质的一个重要参数，随物质的介电常数、表面粗糙度、温度、波长、观测方向等条件的不同而变化。地表发射率不仅在全球蒸散发，气候变化以及水循环方面扮演着重要角色，还是植被监测，城市气候效应以及环境研究中的关键参数，因此，地表发射率的精准遥感测定具有十分重要的应用价值。目前，地表发射率的野外测量主要是建立在地表辐射传输方程的基础上。现有技术的缺点：1、采用手工方式切换观测目标地表和参考板的现有测量方法，过程繁琐，干扰因素多，且观测时间过长导致观测条件的改变严重影响了地表发射率的测定精度；2、采用自动方式切换观测目标地表和参考板的现有测量方法，由于辅助装置的移动平台距离较短，导致在测量的过程中需要将设备放置于目标地表的边缘地区，且装置自身的占地体积相对较大，这就必然会对目标地表产生一定的辐射影响，给测量结果带来不稳定因素。此外，辅助装置采用的是移动平台的切换方式，这就需要测量人员在每次测量工作前，根据太阳位置来进行位置调整，以最大程度的避免装置在目标地表产生阴影的情况，但即便如此，在某些时刻，阴影仍会覆盖于接近目标地表的区域，导致测量精度下降；3、无论是采用手工方式还是自动方式切换观测目标地表和参r>考板的现有测量方法，当目标物具有一定高度时，均无法有效实现无损目标地表的高精度地表发射率的测定。例如，对于长势较高的植被，由于将参考板放置于目标地表顶部同一高度处存在困难，为了确保环境辐射的准确获取，现有测量方法只能采用破坏植被的方式，提取部分植被样本，并将其置于地表，进而完成后续地表发射率的测定；4、现有通过地表温度和发射率分离技术来实现地表发射率的测定方法存在各种局限性，例如基于地表温度黑体拟合的地表发射率估算法以及基于经验统计关系的地表发射率分离法对于先验知识和经验统计关系的依赖性强。先验知识和经验统计关系的正确程度直接决定了地表发射率测定的精度；而基于分段线性假设的地表发射率分离法虽然不依赖于先验知识和经验统计关系，但该方法需要事先设定子区间的划分长度。如何合理的选择划分区间大小，也将影响到地表发射率的测定精度。子区间划分太长，会违背地表发射率分段线性变化假设的合理性，从而降低地表发射率的测定精度；而子区间划分太短，又会加剧观测噪声对地表发射率测定的影响。此外，由于划分的子区间各自独立，未有效紧密联系起来，这使得对于地表发射率波谱变化较大的地表，最后测定的地表发射率波谱会表现出明显的断点，即谱线表现出不连续性。因此，现有的测定装置和方法严重影响测定的精度，使用测定效果差。
技术实现思路
为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置及优化测定方法。为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置，它由参考板托板、延长臂、配重砣、转动组件、三角支撑架和中央控制系统组成；转动组件由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的一侧；转动组件设置在三角支撑架的上端，转动组件用于带动延长臂横向转动；转动组件由中央控制系统进行控制，并通过航空插头与中央控制系统相连接；旋转台的转动精度为0.1°，转动的角度为360°；参考板托板用于放置和固定参考板，参考板托板的尺寸为14cm*10cm，14cm为固定长度边，10cm为可扩展边，通过更换配套的L型固定夹实现长度的扩展；参考板托板通过螺丝固定于延长臂的一端；配重砣设置在和参考板托板相对应的延长臂的另一端，用于对延长臂与参考板托板的平衡配重，配重砣的标准重量为1kg/个；延长臂装置在转动组件的旋转台上；中央控制系统由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组成。延长臂的全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。中芯控制器的主面板配有LED显示屏；中芯控制器的主操作面板外露于机箱上表面。供电模块用于对整个中央控制系统及转动组件进行供电，使用的为锂电池组，工作电压为24V；供电模块通过机箱后侧的充电接口直接进行充电。遥控模块是外置的；机箱的前、后两个侧面分别设计有电源开关、转动组件、航空插头以及充电接口；机箱尺寸为20cm×15cm，重量为1kg。测定装置的优化测定方法的具体步骤为：a、准备工作：首先，针对目标地表摆放热红外光谱仪，然后，放置辅助测量装置并进行角度、转速、运行模式初始化设置；在放置辅助测量装置时，需满足延长臂的高度恰好位于对应地表的高度位置，并且三脚支撑架要尽可能的远离热红外光谱仪，以避免对目标地表及附近区域的破坏，保证测量过程中的环境辐射足够稳定；之后，将参考板放置于参考板托板中，调整参考板托板的位置，使得参考板位于镜头正下方，并能够充满整个热红外光谱仪测量视场，避免在之后的测量中对位置进行调整，缩短测量的整体时间；最后，通过中央控制系统控制旋转台，使其转动90度，切换观测目标，使得热红外光谱仪对准待测的目标地表，完成准备工作；b、目标地表离地辐亮度测量：在完成步骤a中的准备工作后，此时的热红外光谱仪已对准待测目标地表，直接操作热红外光谱仪进行测量，完成目标地表的离地辐亮度的采集；目标地表离地辐亮度Rs，i的公式表示如下：Rs,i=ϵs,iBi(Ts)+(1-ϵs,i)Rs,iE---(1)]]>Bi(Ts)=c1λi5(ec2/λiTs-1)---(2)]]>其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；εs，i为通道i的目标地表发射率；Ts为目标地表的温度；为目标地表观测时通道i的环境辐亮度；Bi(Ts)为地表温度Ts下的通道普朗克函数；其中，c1＝1.191×108W·um4·sr-1·m-2，c2＝1.439×104μm·K；λi为第i个波谱通道对应的等效中心波长；c、参考板的离地辐亮度测量：通过中央控制系统远程控制旋转台向步骤a中旋转的反方向转动90度，以满足反向旋转后，参考板正好位于热红外光谱仪的镜头下方且满足测量视场要求，即完成了参考板与目标地表的切换，然后，直接操作热红外光谱仪，完成参考板的离地辐亮度采集；参考板离地辐亮度Rg，i的公式表示如下：Rg,i=ϵg,iBi(Tg)+(1-ϵg,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：它由参考板托板(1)、延长臂(2)、配重砣(3)、转动组件(4)、三角支撑架(5)和中央控制系统(6)组成；所述转动组件(4)由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的一侧；所述转动组件(4)设置在三角支撑架(5)的上端，转动组件4用于带动延长臂(2)横向转动；转动组件(4)由中央控制系统(6)进行控制，并通过航空插头与中央控制系统(6)相连接；所述旋转台的转动精度为0.1°，转动的角度为360°；所述参考板托板(1)用于放置和固定参考板，参考板托板的尺寸为14cm*10cm，14cm为固定长度边，10cm为可扩展边，通过更换配套的L型固定夹实现长度的扩展；所述参考板托板(1)通过螺丝固定于延长臂(2)的一端；所述配重砣(3)设置在和参考板托板(1)相对应的延长臂(2)的另一端，用于对延长臂(2)与参考板托板(1)的平衡配重，配重砣(3)的标准重量为1kg/个；所述延长臂(2)装置在转动组件(4)的旋转台上；所述中央控制系统(6)由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组成。

【技术特征摘要】
1.一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：它由参考板
托板(1)、延长臂(2)、配重砣(3)、转动组件(4)、三角支撑架(5)
和中央控制系统(6)组成；
所述转动组件(4)由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的
一侧；所述转动组件(4)设置在三角支撑架(5)的上端，转动组件4用于带
动延长臂(2)横向转动；转动组件(4)由中央控制系统(6)进行控制，并
通过航空插头与中央控制系统(6)相连接；所述旋转台的转动精度为0.1°，
转动的角度为360°；
所述参考板托板(1)用于放置和固定参考板，参考板托板的尺寸为
14cm*10cm，14cm为固定长度边，10cm为可扩展边，通过更换配套的L型固定
夹实现长度的扩展；所述参考板托板(1)通过螺丝固定于延长臂(2)的一
端；
所述配重砣(3)设置在和参考板托板(1)相对应的延长臂(2)的另一
端，用于对延长臂(2)与参考板托板(1)的平衡配重，配重砣(3)的标准
重量为1kg/个；所述延长臂(2)装置在转动组件(4)的旋转台上；
所述中央控制系统(6)由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组
成。
2.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在
于：所述延长臂(2)的全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。
3.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在
于：所述中芯控制器的主面板配有LED显示屏；中芯控制器的主操作面板外露
于机箱上表面。
4.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在
于：所述供电模块用于对整个中央控制系统(6)及转动组件(4)进行供电，

\t使用的为锂电池组，工作电压为24V；供电模块通过机箱后侧的充电接口直接
进行充电。
5.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在
于：所述遥控模块是外置的；机箱的前、后两个侧面分别设计有电源开关、转
动组件、航空插头以及充电接口；所述机箱尺寸为20cm×15cm，重量为1kg。
6.根据权利要求1-5任一项所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，
其特征在于：所述测定装置的优化测定方法的具体步骤为：
a、准备工作：
首先，针对目标地表摆放热红外光谱仪，然后，放置辅助测量装置并进行
角度、转速、运行模式初始化设置；在放置辅助测量装置时，需满足延长臂
(2)的高度恰好位于对应地表的高度位置，并且三脚支撑架(5)要尽可能的
远离热红外光谱仪，以避免对目标地表及附近区域的破坏，保证测量过程中的
环境辐射足够稳定；之后，将参考板放置于参考板托板(1)中，调整参考板
托板(1)的位置，使得参考板位于镜头正下方，并能够充满整个热红外光谱
仪测量视场，避免在之后的测量中对位置进行调整，缩短测量的整体时间；最
后，通过中央控制系统(6)控制旋转台，使其转动90度，切换观测目标，使
得热红外光谱仪对准待测的目标地表，完成准备工作；
b、目标地表离地辐亮度测量：
在完成步骤a中的准备工作后，此时的热红外光谱仪已对准待测目标地
表，直接操作热红外光谱仪进行测量，完成目标地表的离地辐亮度的采集；目
标地表离地辐亮度Rs，i的公式表示如下：
Rs,i=ϵs,iBi(Ts)+(1-ϵs,i)Rs,iE---(1)]]>Bi(Ts)=c1λi5(ec2/λiTs-1)---(2)]]>其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；εs，i为通道i的目标地表发
射率；Ts为目标地表的温度；为目标地表观测时通道i的环境辐亮度；
Bi(Ts)为地表温度Ts下的通道普朗克函数；其中，
c1＝1.191×108W·um4·sr-1·m-2，c2＝1.439×104μm·K；λi为第i个波谱通道对应的等效
中心波长；
c、参考板的离地辐亮度测量：
通过中央控制系统(6)远程控制旋转台向步骤a中旋转的反方向转动90
度，以满足反向旋转后，参考板正好位于热红外光谱仪的镜头下方且满足测量
视场要求，即完成了参考板与目标地表的切换，然后，直接操作热红外光谱
仪，完成参考板的离地辐亮度采集；参考板离地辐亮度Rg，i的公式表示如下：
Rg,i=ϵg,iBi(Tg)+(1-ϵg,i)Rg,iE---(3)]]>其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴骅，张雨泽，倪丽，李召良，唐伯惠，唐荣林，房世峰，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11