一種水體表觀光譜觀測(cè)雙通道自校驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【專利說明】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水體遙感測(cè)量中，相對(duì)于法剖面法來說，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)量過程中，由于現(xiàn)場環(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，為避免太陽直射和天空光場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)；
所述的太陽追蹤裝置為一太陽光感應(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)太陽方位角的變化，輸出所述的轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于太陽轉(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)蝸輪通過所述的傳動(dòng)帶連接；所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)動(dòng)盤、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)盤下表面中心位置，所述的支撐桿設(shè)在所述的轉(zhuǎn)動(dòng)盤上表面中心位置；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)置有電源接口和過線孔；所述的電機(jī)固定板通過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一分二光纖連接到兩個(gè)所述的光路切換開關(guān)上，再由所述的兩個(gè)光路切換開關(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，其尾部光纖穿過所述的底座殼體底部設(shè)置的過線孔與所述的光路切換開關(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)線穿過過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)稱位置處開有透光通孔，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片的開口通過光纖連接地物光譜儀，所述的透光通孔在B片的開口通過光纖連接光譜探頭；所述的小電機(jī)的機(jī)身通過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有螺孔，用于將整個(gè)光路切換開關(guān)通過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)過程中主控裝置還通過讀取太陽追蹤裝置來獲取太陽入射方位相對(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入射方向成135°夾角為止；
步驟3:雙通道光譜測(cè)量，通過主控裝置控制所述的兩個(gè)第一舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來改變相對(duì)太陽光入射平面對(duì)稱的兩個(gè)光譜探頭的測(cè)量角度、控制所述的兩個(gè)光路切換開關(guān)的小電機(jī)來切斷或打開兩個(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5%的光譜波長上的點(diǎn)相對(duì)偏差超過5%的時(shí)候此次測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)確認(rèn)無效；當(dāng)整條光譜曲線上有低于5%的光譜波長上的點(diǎn)相對(duì)偏差超過5%的時(shí)候，剔除光譜測(cè)量對(duì)應(yīng)波長的光譜值，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。通過這種逐條光譜曲線逐個(gè)光譜波長值的對(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)不確定性冋題；
步驟5:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，主控裝置將通過檢驗(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)有效性只能通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)記錄、照片等等來驗(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，342-支撐轉(zhuǎn)軸，343-支撐桿，35-底座，351-頂蓋，352-底座