一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)及方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于水色遙感現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)及方法，可用于檢驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)的有效性。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]對(duì)于江河、湖泊以及近海等二類(lèi)水體遙感測(cè)量中，相對(duì)于法剖面法來(lái)說(shuō)，采用水面以上測(cè)量法是比較可行、有效的。但在實(shí)際的水面上法測(cè)量過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，受到各種各樣的干擾因素的影響，比如水面鏡面反射、天空光的輻射以及波浪和太陽(yáng)耀斑都是影響測(cè)量精度和數(shù)據(jù)有效性的重要因素。雖然NASA、國(guó)際水色SMB1S組織等對(duì)水面上測(cè)量幾何和測(cè)量方法進(jìn)行了深入的研宄，并給出了相對(duì)合理的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方案，為避免太陽(yáng)直射和天空光場(chǎng)的影響提供了解決思路。
[0005]但是在研宄中，僅用這些方法剔除異常數(shù)據(jù)在一定程度上是保證了測(cè)量的有效性，可實(shí)際處理后仍然有許多不正確的數(shù)據(jù)，這就迫切需要提出更多的檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有效性的方法輔助水色遙感現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析研宄工作。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)及方法，可用于檢驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)的有效性，剔除異常數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析研宄工作。
[0008]本發(fā)明的系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是:一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:包括主控裝置、太陽(yáng)追蹤裝置、轉(zhuǎn)臺(tái)和雙通道光譜測(cè)量裝置；所述的主控裝置分別與所述的太陽(yáng)追蹤裝置、轉(zhuǎn)臺(tái)和雙通道光譜測(cè)量裝置電連接，用于控制所述的太陽(yáng)追蹤裝置、向所述的轉(zhuǎn)臺(tái)下達(dá)調(diào)整觀測(cè)方位命令，并控制所述的雙通道光譜測(cè)量裝置完成雙通道水體表觀光譜的采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
所述的太陽(yáng)追蹤裝置為一太陽(yáng)光感應(yīng)傳感器，安裝在所述的轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置的支撐桿頂部上，隨所述的轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，用于感應(yīng)太陽(yáng)方位角的變化，輸出所述的轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；
所述的轉(zhuǎn)臺(tái)包括第一電機(jī)、蝸輪傳動(dòng)裝置、電機(jī)固定板、旋轉(zhuǎn)臺(tái)和底座；所述的第一電機(jī)與所述的主控裝置電連接，所述的第一電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝配蝸輪傳動(dòng)裝置并通過(guò)螺紋連接件與電機(jī)固定板下表面固定連接；所述蝸輪傳動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪、從動(dòng)蝸輪和傳動(dòng)帶組成；所述的第一電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與安裝在所述的電機(jī)固定板上表面的轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定連接，所述的轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪和從動(dòng)蝸輪通過(guò)所述的傳動(dòng)帶連接；所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、支撐轉(zhuǎn)軸和支撐桿，所述的支撐轉(zhuǎn)軸固定連接于所述的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)下表面中心位置，所述的支撐桿設(shè)在所述的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上表面中心位置；所述的底座是由頂蓋和底座殼體裝配構(gòu)成的中空結(jié)構(gòu)，所述的頂蓋中央安裝有旋轉(zhuǎn)軸承，所述的底座殼體底部設(shè)置有電源接口和過(guò)線孔；所述的電機(jī)固定板通過(guò)螺紋連接件固定安裝在所述的頂蓋下表面，使所述的第一電機(jī)和所述的蝸輪傳動(dòng)裝置處于所述的底座的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述的支撐轉(zhuǎn)軸穿過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承與所述的從動(dòng)蝸輪固定連接；
所述的雙通道光譜測(cè)量裝置包括一個(gè)地物光譜儀、兩個(gè)光路切換開(kāi)關(guān)、兩個(gè)光譜探頭、一塊參考板、兩條支撐臂、兩個(gè)第一舵機(jī)、兩個(gè)探頭固定架和一個(gè)直射太陽(yáng)光遮擋機(jī)構(gòu)；所述的地物光譜儀安裝在所述的底座殼體內(nèi)，所述的地物光譜儀的數(shù)據(jù)接口與所述的主控裝置電連接，所述的地物光譜儀的采光口通過(guò)一分二光纖連接到兩個(gè)所述的光路切換開(kāi)關(guān)上，再由所述的兩個(gè)光路切換開(kāi)關(guān)分別連接到所述的兩個(gè)光譜探頭上；所述的兩個(gè)光路切換開(kāi)關(guān)用于切換不同的光譜探頭采集的光線進(jìn)入所述的地物光譜儀；所述的兩個(gè)光譜探頭分別安裝在所述的兩個(gè)探頭固定架上，其尾部光纖穿過(guò)所述的底座殼體底部設(shè)置的過(guò)線孔與所述的光路切換開(kāi)關(guān)連接；所述的兩條支撐臂一端分別固定安裝在所述的支撐桿上，另一端分別與所述的兩個(gè)第一舵機(jī)固定連接；所述的兩個(gè)探頭固定架用于將兩個(gè)光譜探頭分別固定到所述的兩個(gè)第一舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸上；所述的兩個(gè)第一舵機(jī)分別用導(dǎo)線穿過(guò)過(guò)線孔電連接到所述的主控裝置上，便于主控裝置分別控制其轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的參考板固定安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上，位置正好處于其中一個(gè)光譜探頭下面；所述的直射太陽(yáng)光遮擋機(jī)構(gòu)包括第二舵機(jī)、連接臂和遮光板；所述的第二舵機(jī)安裝在所述的參考板一側(cè)，軸向與所述的其中一個(gè)光譜探頭水平方向成45°夾角；所述的遮光板通過(guò)所述的連接臂固定安裝在所述的第二舵機(jī)轉(zhuǎn)軸上。
[0009]作為優(yōu)選，所述的由頂蓋和底座殼體裝配構(gòu)成的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有內(nèi)部安裝架，所述的主控裝置和地物光譜儀分別通過(guò)螺紋連接件固定安裝在所述的內(nèi)部安裝架上。
[0010]作為優(yōu)選，所述的光路切換開(kāi)關(guān)包括安裝板、固定板、小電機(jī)和一組光纖連接器，所述的安裝板有A、B兩片，均垂直平行固定安裝在所述的固定板表面上，A、B兩片安裝板與固定板之間構(gòu)成封閉的中空夾層；A、B兩片安裝板上對(duì)稱(chēng)位置處開(kāi)有透光通孔，使A、B兩片安裝板及中空夾層相通；所述的中空夾層內(nèi)設(shè)有遮光片，所述的透光通孔旁邊裝有所述的小電機(jī)，所述的小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)安裝孔伸入所述的中空夾層內(nèi)；所述的遮光片一端緊密套接在所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，另一端能在所述的中空夾層平面內(nèi)圍繞所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的遮光片的寬度大于所述的透光通孔直徑，所述的遮光片轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大于所述的轉(zhuǎn)動(dòng)軸到所述的透光通孔的距離，使得所述的遮光片轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)能夠阻斷所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的開(kāi)口通過(guò)光纖連接地物光譜儀，所述的透光通孔在B片的開(kāi)口通過(guò)光纖連接光譜探頭；所述的小電機(jī)的機(jī)身通過(guò)螺紋連接件和固定塊固定安裝在所述的固定板上，其尾部導(dǎo)線與所述的主控裝置電連接；所述的固定板表面還開(kāi)有螺孔，用于將整個(gè)光路切換開(kāi)關(guān)通過(guò)螺紋連接件固定安裝在底座殼體內(nèi)。
[0011]作為優(yōu)選，所述的兩條支撐臂之間成90°夾角水平安裝在所述的支撐桿上。
[0012]本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是:一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟1:前期部署，在待測(cè)目標(biāo)水域上安裝所述的水體表觀光譜觀測(cè)雙通道測(cè)量系統(tǒng)，并將外部電源接入到所述的電源接口；
步驟2:觀測(cè)方位調(diào)整，主控裝置根據(jù)(40°，135° )的觀測(cè)幾何控制所述的第一電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而由所述的蝸輪傳動(dòng)裝置帶動(dòng)所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)及其上的所有部件轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中主控裝置還通過(guò)讀取太陽(yáng)追蹤裝置來(lái)獲取太陽(yáng)入射方位相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的改變量，直到所述的兩個(gè)光譜探頭的朝向與太陽(yáng)入射方向成135°夾角為止；
步驟3:雙通道光譜測(cè)量，通過(guò)主控裝置控制所述的兩個(gè)第一舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變相對(duì)太陽(yáng)光入射平面對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)光譜探頭的測(cè)量角度、控制所述的兩個(gè)光路切換開(kāi)關(guān)的小電機(jī)來(lái)切斷或打開(kāi)兩個(gè)光譜探頭各自進(jìn)入地物光譜儀的采光通道和讀取兩個(gè)光譜探頭的光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成雙通道水體表觀光譜的同步測(cè)量；
步驟4:數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，以時(shí)間索引為基礎(chǔ)，確定同步測(cè)量得到的雙通道的水體表觀光譜數(shù)據(jù)，確定5%的偏差范圍限值，對(duì)每個(gè)光譜波長(zhǎng)的測(cè)量值進(jìn)行逐一對(duì)比，當(dāng)整條光譜曲線上有超過(guò)5%的光譜波長(zhǎng)上的點(diǎn)相對(duì)偏差超過(guò)5%的時(shí)候此次測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)效；當(dāng)整條光譜曲線上有低于5%的光譜波長(zhǎng)上的點(diǎn)相對(duì)偏差超過(guò)5%的時(shí)候，剔除光譜測(cè)量對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜值，再保存該條光譜，并將該光譜標(biāo)記為中等質(zhì)量光譜；當(dāng)整條曲線所有的光譜波長(zhǎng)上的值都低于5%的偏差閾值時(shí)候，確認(rèn)此時(shí)的測(cè)量光譜是最優(yōu)光譜，可用于后續(xù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)大氣校正比對(duì)或者水色參數(shù)反演建模；當(dāng)最優(yōu)光譜不夠用時(shí)，選用中等質(zhì)量光譜進(jìn)行后續(xù)分析。通過(guò)這種逐條光譜曲線逐個(gè)光譜波長(zhǎng)值的對(duì)比，可以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地比較各自通道的光譜數(shù)據(jù)，從而剔除掉有差異的、不一致性的測(cè)量值，避免了單通道測(cè)量的數(shù)據(jù)不確定性?xún)疹}；
步驟5:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，主控裝置將通過(guò)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0013]作為優(yōu)選，步驟3中所述的雙通道水體表觀光譜的測(cè)量包括暗電流測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)量、遮擋直射陽(yáng)光的標(biāo)準(zhǔn)板測(cè)量、目標(biāo)水體測(cè)量、天空光測(cè)量。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)中單個(gè)方位角(單通道)的水體表觀光譜測(cè)量后的數(shù)據(jù)有效性只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)記錄、照片等等來(lái)驗(yàn)證，而利用本發(fā)明可以為數(shù)據(jù)有效性的判斷增加非常重要的參考依據(jù)，為水表觀光譜數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)提供一種新的方法和工具。
[0015]
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1:為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)原理圖；
圖2:為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3:為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4:為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的雙通道光譜測(cè)量裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5:為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的光路切換開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)剖視示意圖；
圖6:為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖。
[0017]圖中:1-主控裝置，2-太陽(yáng)追蹤裝置，3-轉(zhuǎn)臺(tái)，31-第一電機(jī)、32-蝸輪傳動(dòng)裝置，321-轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪，322-從動(dòng)蝸輪，323-傳動(dòng)帶，33-電機(jī)固定板，34-旋轉(zhuǎn)臺(tái)，341-轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，342-支撐轉(zhuǎn)軸，343-支撐桿，35-底座，351-頂蓋，352-底座