一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置制造方法
【专利摘要】一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，由全自动样本旋转平台，地表离地红外辐射亮度测量装置以及地表精细发射率谱反演模块三部分组成。全自动样本旋转平台通过搭载在可移动式桌面上的电动旋转台实现快速旋转，可以远程控制旋转平台按设定的旋转角度和步速自动快速的在样本和金板之间进行旋转切换；地表离地红外辐射亮度测量装置主要由傅立叶变换红外波谱仪进行观测，装置配合全自动样本旋转平台采集并存储3-16微米波长范围内样本和金板的离地辐射亮度数据；将测量到的离地红外辐射亮度数据输入到构建的地表精细发射率谱反演模块中，获得样本在3-16微米波长范围内的发射率谱线。
【专利说明】一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，可实现自动采集 和存储不同观测角度条件下样本的红外离地辐射亮度谱，经计算得到不同观测角度所对应 的红外波谱区样本的精细发射率谱线，可以在地表温度和发射率遥感反演与验证等领域发 挥重要作用。
【背景技术】
[0002] 地表发射率定义为地表向外发射的热辐射与同温度下黑体向外发射热辐射的比 值。它与地表组成成分，地表粗糙度，波长以及土壤湿度等因素有关。地表发射率是热红外 遥感反演中的一个关键特征参数，与地表温度有着同等重要的作用。它是气候模型研究中 的一个重要输入参数，能够有效地预测地表向大气传输的辐射能量，是地球表层系统过程 中一个非常重要的特征物理量，被广泛应用于陆面过程研究、能量平衡研究、气候模式、短 期以及中长期天气预报等研究领域。
[0003] 由红外辐射传输方程可知，地表发射率与地表温度和大气参数总是耦合在一起， 即使在地面上也不能用仪器直接测量出地表发射率。因为红外仪器测量到的地表离地红外 辐射亮度不仅包含地表的发射辐射，还包含地表反射大气的下行辐射。而且，在中红外波谱 区还包括白天中太阳直射辐射的贡献以及大气向下散射太阳辐射的贡献。故要想从地面波 谱仪测量数据中得到地物的发射率曲线，首先要去除大气的影响（中红外波谱区还要去除 太阳辐射贡献的影响），其次要进行地表温度和发射率的分离。
[0004] 在去除大气影响方面，可以借助于一些外部条件，如金板等。因为金板的发射率是 已知的，只要在测量时获得金板的温度，就可以结合测量的金板的红外辐射亮度谱数据，根 据红外辐射传输方程，计算得到相应的大气参数。在温度和发射率分离方面，由普朗克方 程可知，某个通道接收到辐射能是温度和发射率的函数，N个通道观测到的辐射亮度，总有 N+1个未知数（N个发射率和1个温度），温度和发射率始终耦合在一起，导致了温度和发射 率的反演始终是一个欠定问题。因此，如何从红外仪器测量的辐射亮度数据中分离地表温 度和发射率，从而获得地表发射率谱，这是本发明的主要出发点之一。
[0005] 众所周知，热辐射是有方向性的，特别是对于非同温非同质的混合像元，热辐射的 方向性效应更为明显。有研究指出天顶方向的亮温和斜视方向的亮温可能会相差5度，特 别在植被冠层温度和裸土表面温度相差大的地区，这种方向性尤其明显。此外，对于同温同 质的地物，也存在热辐射的方向性问题。有实验表明这种热辐射方向性主要是由发射率的 方向性所导致。因此，可以说目前利用卫星遥感数据反演的地表温度和发射率都代表的是 某个观测方向上的测量值。由于不同卫星传感器具有不同的观测角度，所以利用不同卫星 数据反演的地表温度和发射率不具有可比性，限制了地表温度和发射率的应用。故此，开展 不同方向性地表发射率的测量试验，获取不同观测角度条件下地物的发射率曲线，对于地 表温度和发射率的反演与验证、热红外的辐射传输机理以及各种陆面与水文过程模型而言 具有非常重要的意义。
[0006] 然而，在热红外多角度测量中，当观测角度发生变化时，红外仪器观测到的地物也 随之发生变化，导致了红外观测数据的非一致性，严重限制了红外遥感的辐射传输机理研 究。如何设置一种设备，在观测角度发生变化的情况下，红外仪器测量的仍然是同一地物， 这也是本发明的主要出发点之一。
[0007] 目前尚未有相关文献报道。
【发明内容】
[0008] 本发明技术解决问题：克服了热红外多角度地面测量时仪器镜头对准的是非同一 地物问题，实现了不同观测角度条件下红外仪器测量数据的一致性和准确性；解决了红外 测量数据中地表温度、地表发射率以及大气参数相互耦合问题，实现了红外测量数据中地 表精细发射率谱的全自动提取；提供了一种可远程控制、集数据采集、存储、计算于一体的 全自动地表发射率谱测量系统，减少了人为等外部因素对热红外辐射测量的影响。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多角度全自动地表精细发射率谱采 集系统装置，包括：全自动样本旋转平台、地表离地红外辐射亮度测量装置、地表精细发射 率谱反演模块；其中：
[0010] 所述全自动样本旋转平台装置：负责对样本进行不同角度的旋转，由可移动式的 桌面平台、电动旋转台、夹持工具和样本铝盘组成。其中电动旋转台安装在桌面平台上，由 两个电机控制，通过无线模块远程操作。夹持工具将样本铝盘夹持在旋转平台内，铝盘内两 端可分别放置样本和金板，通过旋转平台的旋转来实现对样本和金板的自动快速旋转； [0011] 所述地表离地红外辐射亮度测量装置：负责采集和存储样本和金板的离地红外辐 射亮度数据。主要由三脚架、便携式傅立叶变换红外波谱仪以及金板组成。利用红外波谱 仪分别对样本和金板进行观测，采集和存储样本以及金板在3-16微米（热红外5-16微米 和中红外3-5微米）的离地红外辐射亮度数据；
[0012] 所述地表精细发射率谱反演模块：由热红外发射率谱反演和中红外发射率谱反演 两部分组成；负责反演得到样本的精细发射率谱，分别针对热红外（5-16微米）和中红外 (3-5微米）实现了不同的反演算法；对于热红外波谱区测量数据，首先对金板的测量数据 进行计算，获得大气下行辐射谱数据，然后代入到样本测量数据中，再利用地表温度和发射 率分离的分段线性法来反演得到样本的发射率波谱；对于中红外波谱区测量数据，利用对 金板的测量数据，计算得到地面上中红外波谱区大气自身的下行辐射谱和大气向下散射的 太阳辐射谱，然后结合热红外波谱区反演的地表温度（T s)，即可根据中红外辐射传输方程， 计算得到中红外波谱区样本的发射率波谱，具体过程如下：
[0013] (1)对于热红外波谱区，在局地热平衡的晴空大气条件下，仪器在地面上观测到样 本的热红外辐射亮度为：
[0014]
【权利要求】
1. 一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：包括全自动样本 旋转平台、地表离地红外辐射亮度测量装置、地表精细发射率谱反演模块；其中： 所述全自动样本旋转平台装置：负责对样本进行不同角度的旋转，它包括可移动式的 桌面平台、电动旋转台、夹持工具和样本铝盘；其中电动旋转台安装在桌面平台上，由两个 电机控制，通过无线模块远程操作；夹持工具将样本铝盘夹持在电动旋转台内，样本铝盘内 两端分别放置样本和金板，通过电动旋转台的旋转来实现对样本和金板的自动快速旋转； 所述地表离地红外辐射亮度测量装置：负责采集和存储样本和金板的离地红外辐射亮 度数据，利用红外波谱仪分别对样本和金板进行观测，采集和存储样本以及金板在热红外 (5-16微米）和中红外（3-5微米）的离地红外辐射亮度数据； 所述地表精细发射率谱反演模块：由热红外发射率谱反演和中红外发射率谱反演两部 分组成；负责反演得到样本的精细发射率谱，分别针对热红外（5-16微米）和中红外（3-5 微米）实现了不同的反演算法；对于热红外波谱区测量数据，首先对金板的测量数据进行 计算，获得大气下行辐射谱数据，然后代入到样本测量数据中，再利用地表温度和发射率分 离的分段线性法来反演得到样本的发射率波谱；对于中红外波谱区测量数据，利用对金板 的测量数据，计算得到地面上中红外波谱区大气自身的下行辐射谱和大气向下散射的太阳 辐射谱，然后结合热红外波谱区反演的地表温度（T s)，即可根据中红外辐射传输方程，计算 得到中红外波谱区样本的发射率波谱，具体过程如下： (1)热红外发射率谱反演的实现为：对于热红外波谱区，在局地热平衡的晴空大气条 件下，在地面上观测到样本的热红外辐射亮度为：
式中，Θ和φ分别代表观测方向的天顶角和方位角，
表示为在观测天顶角为 Θ，观测方位角为Φ的条件下所观测到波长λ处样本的红外辐射亮度，ε λ为观测天顶角 为Θ，观测方位角为φ的条件下波长λ处样本的发射率，Βλ为波长λ处的普朗克函数，Ts 为样本的表面温度，
为波长λ处大气向下辐射的热红外辐射亮度； 1) 大气下行辐射亮度
估算： 首先利用地表离地红外辐射亮度测量装置测量得到金板的离地辐射亮度谱，然后利 用接触式点温仪测量得到金板的表面温度Tfld，再结合已知的金板发射率谱，根据方程式 (1)计算得到大气下行辐射亮度谱：
式中，
为观测到波长λ处金板的红外辐射亮度，sfld为波长λ处金板的发射 率； 2) 地表温度和发射率分离： ①温度初值估算：根据测量得到的地表离地红外辐射亮度谱数据，设Βλ (T) =RA，则根 据普朗克方程计算出红外辐射亮度谱中最大值所对应波长λ e处时的辐射温度Τλ^
式中，心为第一辐射常数，等于1. 191X108W· (ym)V(Sr ·ι?2)，(：2*第二辐射常数，等 于1. 439 X ΙΟ4 μ m · Κ，该温度作为后面地表温度和发射率分离算法中输入的初始温度； ② 假设地表发射率谱曲线用一个分段线性函数来表示，将整个发射率谱分为Μ段，其 中第k段有mk个通道，则：
式中，系数ak和bk分别为对应第k段线性拟合函数的斜率和截距；如果整个发射率谱 段的通道数为N，那么要求每一段的通道数目必须为mk彡3,即Μ彡N/3 ; 将方程式（4)代入方程式（1)，得：
考虑一个有m个通道的分段区间，将方程式（5)写成矩阵形式为：
为了书写方 便，方程式中省略了观测天顶角和方位角的符号Θ和φ; ③ 将方程式（2)计算的大气下行辐射亮度谱、方程式（3)计算的初始温度Τ；以 及地表离地红外辐射亮度测量装置测量到的辐射亮度RA代入方程式￠)，即可利用最小二 乘法拟合得到系数a，b值，进而根据拟合系数恢复整个发射率谱：
④ 定义代价函数E为估算的地表离地辐射亮度与实际测量的辐射亮度差值的平方和， 即：
⑤ 当得到了某一温度下的发射率估值谱之后，将该温度以及相应的发射率谱代入方程 式（8)，并利用代价函数的值得到温度估值的改变量：
进而得到改进后的温度：
利用前后两次的代价函数数值和温度改变量，判断迭代过程是否收敛； ⑥ 如果迭代过程收敛，重复③-⑤步，直至温度改变量
小于一个设定的阈值，即得 到最终的反演温度1；值； ⑦ 如果迭代过程不收敛，设置一个大小合适的温度区间，尽量使真实温度处于区间中， 在该区间内利用黄金分割算法找到代价函数最小值对应的温度； ⑧ 如果寻找到的温度落在了区间的端点上，扩大温度区间范围，重复第⑦步。否则，寻 找到的温度就为最终的反演温度Ts; ⑨ 利用最终反演的地表温度Ts、大气下行辐射亮度谱
以及观测的地表离地红外辐 射亮度谱RA，根据方程式（1)，即可反演得到整个热红外波谱区间样本的发射率波谱为：
(2)中红外发射率谱反演为：对于中红外波谱区，由于白天太阳辐射的贡献很大，故方 程式（1)中必须要考虑太阳的辐射贡献，因此在白天，观测到的中红外波谱区地表辐射亮 度应该是：
式中，Θ 3和％分别为太阳的天顶角和方位角，
为大气对太阳辐射能的散射所产生 的向下辐射亮度，pb;l为波长λ处样本表面的双向反射率，
代表在太阳天顶角 为θ s、方位角为q>s的情况下到达地面上波长λ处的太阳直射辐射能，其他项与方程式a) 中的相同； 1)中红外波谱区大气参数的估算： 为了消除方程式（12)中很难获取的太阳直射辐射能，实际测量金板和样本时，需利用 遮阳物如伞等遮住太阳直射辐射，于是方程式（12)就变为：
这样，就可与热红外波谱区计算大气下行辐射项类似，即利用金板测量值，计算出中红 外波谱区大气下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和：
2)中红外波谱区样本的发射率谱计算： 结合热红外波谱区反演的样本表面温度Ts和中红外波谱区的大气下行辐射和大气向 下散射的太阳辐射之和
，根据方程式（13)，即可计算出中红外波谱区样本的发 射率谱为：
2. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述电动旋转台搭载在离地40厘米的可移动式桌面平台上，桌面平台由四个支撑柱支 撑离地，桌面与地面平行，支撑柱底部安装有滚轮，使桌面平台以及电动旋转台可方便的在 地面上移动。
3. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述电动旋转台为直径30厘米的圆形样本台，圆形样本台水平时离地高度为60厘米， 圆形样本台上能够夹持直径为27厘米、深度为2厘米的圆形铝制容器来盛装样本。
4. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述电动旋转台由两个电机控制，带动旋转台上的样本容器按照设定的旋转角度和步 速进行旋转，范围可达水平方向360°旋转和垂直方向360°翻转，且重复定位精度优于 0.005。。
5. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述全自动样本旋转平台由笔记本电脑远程模式控制，无线数字模块传输，在中间无障 碍物情况下传输距离可达30米，由可以进行友好交互的软件来设定电动旋转台旋转的角 度和步速。
6. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述地表离地红外辐射亮度测量装置包括三脚架、便携式傅立叶变换红外波谱仪以及 金板；由便携式傅立叶变换红外波谱仪测量样本和金板的红外辐射亮度，便携式傅立叶变 换红外波谱仪架设在三脚架上，便携式傅立叶变换红外波谱仪的旋转镜置于全自动样本旋 转平台上方，旋转镜的镜头垂直向下正对样本或金板中心，测量距离应小于50厘米，以保 证样本旋转时镜头仍然对准样本或金板中心。
7. 根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在 于：所述地表离地红外辐射亮度测量装置由电源、蓄电池或汽车点烟器供电，可由笔记本电 脑远程控制数据的采集和存储，方便在室外操作。
【文档编号】G01J3/443GK104155007SQ201410441813
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】唐伯惠, 彭硕, 李召良, 吴骅, 唐荣林, 王界 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所