无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统的制作方法

本实用新型涉及遥感技术领域，特别涉及无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统。

背景技术：

遥感技术是最为有效的一种快速、动态获取大范围目标电磁辐射信息，进而推断地物物理属性与状态的技术手段，在农业、林业、资源、城市、测绘、气象等多个领域具有广阔的应用前景。随着遥感定量化应用的不断发展，各应用领域对于精准、可靠、一致的定量遥感产品要求越来越高。当前的星载遥感载荷通常采用光电技术，将传感器接收到光信号转变为电信号并进行记录，然而，遥感载荷在运行的过程中，受到震动、环境变化、仪器老化等原因，其辐射性能会随之变化，例如美国EO-1/Hyperion载荷，在其入轨运行前两年间可见光-近红外谱段出现8％的漂移，短波红外谱段漂移更是高达18％。因而，对遥感载荷进行高频次的辐射定标，并有效的监测遥感载荷运行过程中性能动态变化、精确检测变化程度、准确发现变化的原因并制定针对性的补救措施，成为保障遥感载荷数据获取质量的关键。

对遥感载荷实施在轨定标与性能监测主要有星上定标、交叉定标以及外场定标三种方式。星上定标主要利用星上搭载的定标源，但考虑到星上定标器性能也会随时间退化，难以为长时间载荷性能检测提供一致的测试基准；星星交叉定标主要通过对比同时过境的参考载荷和待评价载荷获取的数据，对待评价载荷的性能进行评价，但这种方式需要高精度、高稳定的参考载荷的支持，并且由于两个载荷很难做到以同样的时间、角度、空间分辨率和光谱对地面成像，也限制了该方法的应用；近年来，国内外开展了大量的外场定标工作，外场定标利用地球表面的均匀目标或场景，基于经过严格实验室标定的测量设备，在卫星过境时刻同步获取地表以及大气状态参数，结合辐射传输模型推算出卫星入瞳处的能量，与实际数据相对比得到相应的定标参数。外场定标是现阶段实现可溯源的载荷定标与数据产品验证的一条可行的方式，但开展星地同步试验来获取相应的测量数据，人力、物力与财力等方面的消耗较大，同步试验中操作人员、设备仪器等方面的变化也会引入较大的不确定性，从而影响载荷在轨定标的精度与一致性。

为了进一步提高载荷外场定标与性能测试的精确性与一致性，提升外场定标的观测频次以满足遥感载荷性能动态监测的需求，国内外近年来逐步开展了自动式辐射定标技术研究，特别是国际对地观测委员会(CEOS)定标与真实性检验工作组(WGCV)于2014年提出并建设了全球自主辐射定标场网(RadCalNet)计划，旨在通过优选分布于全球的具备自动化地面和大气参数观测能力的测试场，联合开展常态化运行的外场自动定标技术研究，构建具备全球统一质量标准的定标数据处理中心，进行定标数据共享和典型卫星载荷定标示范应用。其中，研制可对地面目标的反射率光谱进行自动观测的装置成为实现该计划的关键。但国内外尚无成熟完善的装置可满足自主辐射定标的需求，目前法国空间研究中心(CNES)和美国亚利桑那州立大学尝试了野外无人值守条件下的目标特性自动观测。其中，法国空间研究中心(CNES)采用改进商业用自动太阳光度计(Sunphotometer，型号CIMEL CE318)的方式，使得太阳光度计可旋转至对地观测方向，利用其自身配备的9通道探测器得到通道目标反射率；美国亚利桑那州立大学则利用通道式光电二极管获取8个通道的地表反射辐亮度。法国和美国的目标特性自动观测装置都需要对获取的数据进行光谱插值，在一定程度上影响到最终获取的目标反射光谱特性的精度。

综上所述，遥感载荷定标技术的主要技术缺陷包括：当前外场定标需要开展卫星同步外场试验，以获取靶标表面光谱反射率，难以满足卫星遥感载荷性能动态监测对于高频次地表目标特性观测的要求；当前主要采用人工手持野外光谱仪的方式采集地表反射率，人员操作习惯的差异、观测设备的不同等都导致获取数据的不一致性，导致载荷定标不确定性的增加；观测装置通常布置在很远的野外，依靠人力拷贝光谱数据既费时费力，又不能满足实时数据发布的需求；目前国内外在自动目标特性方面开展了一些尝试性工作，但尚未实现连续光谱数据的采集，需要后续数据处理中进行光谱插值，影响到特性获取的精度。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供了一种无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种无人值守的地物光谱辐亮度自动测量系统，包括：至少一个地物光谱辐亮度自动测量装置；所述地物光谱辐亮度自动测量装置包括：光谱仪1、数据收集与控制装置3；其中，所述数据收集与控制装置3连接所述光谱仪1，所述光谱仪1在所述数据收集与控制装置3的控制下进行数据采集，并将采集的数据传送给所述数据收集与控制装置3，所述数据收集与控制装置3将采集的数据存储。

优选地，所述数据收集与控制装置3包括：指令发送模块、数据接收模块和存储模块；所述光谱仪1包括：指令接收模块、数据采集模块和数据发送模块；所述指令发送模块发送采集指令，所述指令接收模块接收采集指令，所述数据采集模块采集数据，所述数据发送模块将采集的数据发送至所述数据接收模块，所述存储模块将采集的数据存储。

优选地，所述地物光谱辐亮度自动测量装置还包括：目标反射光谱特性自动观测架7，所述光谱仪1、数据收集与控制装置3共同集成在所述目标反射光谱特性自动观测架7上。

优选地，所述目标反射光谱特性自动观测架7包括：立柱8、横臂9、工控箱10和过渡件11；其中，所述立柱8固定于地表，所述横臂9与立柱8垂直固定连接，所述工控箱10固定在立柱8上，所述数据收集与控制装置3布置在工控箱10中，所述过渡件11设置在横臂的远离立柱的一端，所述光谱仪1通过过渡件11固定在横臂9上。

优选地，所述地物光谱辐亮度自动测量装置还包括：供电转换模块和温度控制设备，二者均布置在工控箱10中。

优选地，还包括：数据汇集中心4，所述地物光谱辐亮度自动测量装置与数据汇集中心4构成目标反射光谱特性自动观测网络。

优选地，所述数据汇集中心4和数据收集与控制装置3均包括RS485收发模块，所述数据收集与控制装置3通过RS485收发模块接收数据汇集中心4发送的远程控制指令，所述数据汇集中心4通过RS485收发模块，获取存储在数据收集和控制装置本地的地表反射辐亮度光谱数据。

优选地，还包括：数据发布服务器6，数据汇集中心4还包括：无线收发模块5；所述数据汇集中心4通过所述无线收发模块5接收所述数据发布服务器6发送的远程指令，并将地表反射辐亮度光谱数据发送给数据发布服务器6，所述数据发布服务器6将地表反射辐亮度光谱数据备份，并对外发布。

优选地，所述数据收集与控制装置3为工控机。

优选地，所述无线收发模块5为GPRS收发模块。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型的无人值守的地物光谱辐亮度自动测量系统具有以下有益效果：

(1)本实用新型能够实现无人值守条件下地物辐亮度光谱数据的自动采集，克服了传统外场定标需要大量人工外场作业所带来的人力及财力等方面的消耗；

(2)可提供高频次的地表反射辐亮度光谱数据，可以有效提高卫星载荷在轨辐射性能监测的频次；

(3)采用本实用新型的系统对场地进行监测，克服了因人员操作习惯差异、观测设备不同导致的数据不一致，能够保证测量仪器与测量数据的一致性，降低遥感载荷辐射定标的不确定性；

(4)本实用新型的立柱采用挖空结构，内部设置走线槽，可以避免线缆长期暴漏在空气中，从而提高了使用寿命；

(5)通过RS485总线互联数据汇集中心和地物光谱辐亮度自动测量装置，使得系统具有很高的扩展性，可以根据需要动态扩充地物光谱辐亮度自动测量装置的数量；

(6)数据发布服务器实现数据的备份和发布，这样不仅能够满足远程数据服务的需求，也能保证现场实验人员实时分析数据；

(7)GPRS收发模块具有较低的功耗，并能周期自复位，防止意外死机情况的发生，能够可靠、实时的传输光谱数据。

附图说明

图1为本实用新型实施例的无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统简明结构图；

图2为本实用新型实施例的地物光谱辐亮度自动测量装置物理结构图。

【符号说明】

1-光谱仪；2-地表反射辐亮度光谱数据；3-数据收集与控制装置；4-数据汇集中心；5-无线收发模块；6-数据发布服务器；7-目标反射光谱特性自动观测架；8-立柱；9-横臂；10-工控箱；11-过渡件。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供了无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统，包括：一个或多个地物光谱辐亮度自动测量装置，每一地物光谱辐亮度自动测量装置包括：光谱仪1以及数据收集与控制装置3，其中，数据收集与控制装置3连接光谱仪1，光谱仪1在数据收集与控制装置3的控制下进行数据采集，并将采集的数据传送给数据收集与控制装置3，数据收集与控制装置3将采集的数据存储。

其中，数据收集与控制装置3包括指令发送模块、数据接收模块和存储模块，光谱仪1包括指令接收模块、数据采集模块和数据发送模块。

数据收集与控制装置3的指令发送模块连接光谱仪的指令接收模块，数据收集与控制装置3的数据接收模块连接光谱仪的数据发送模块，指令发送模块发送采集指令，指令接收模块接收采集指令，数据采集模块采集数据，数据发送模块将采集的数据发送至数据接收模块，存储模块将采集的数据存储。

为了满足遥感载荷辐射定标对地面观测光谱数据的需求，光谱仪需要覆盖一定的有效波长并具有较高的光谱分辨率，由于地物光谱辐亮度自动测量装置需要在野外场景下长期运行，因此必须选择结构紧凑、功耗低、环境适应性强的光谱仪。本实用新型优选Colorimetry Research公司的一款CR光谱仪，该款光谱仪有效波长覆盖380-1080nm，光谱分辨率2nm，光谱测量精度2％，仪器测量稳定度1％，工作温度范围-10℃～50℃，功耗600mW，重量0.54kg，能够满足应用需求。

数据收集与控制装置3优选为工控机，其存储模块为本地磁盘，工控机具有丰富的系统资源和外围接口，工作功耗低，能够很好的支持系统功能扩展。工控机上定时控制光谱仪1进行数据采集，并将采集的数据保存在本地磁盘。

本实用新型中，数据收集与控制装置3通过上述方式触发光谱仪1周期性采集地表反射辐亮度光谱数据2，并将获取的地表反射辐亮度光谱数据2暂时存储在本地硬盘上，完成地物光谱辐亮度的自动观测。

由此可见，本实用新型能够实现无人值守条件下地表反射辐亮度光谱数据的自动采集，克服了传统外场定标需要大量人工外场作业所带来的人力及财力等方面的消耗；并且可提供高频次的地表反射辐亮度光谱数据，可以有效提高卫星载荷在轨辐射性能监测的频次；采用本实用新型的系统对场地进行监测，克服了因人员操作习惯差异、观测设备不同导致的数据不一致，能够保证测量仪器与测量数据的一致性，降低遥感载荷辐射定标的不确定性。

地物光谱辐亮度自动测量装置还包括：目标反射光谱特性自动观测架7，光谱仪1、数据收集与控制装置3共同集成在目标反射光谱特性自动观测架7上。如图2所示，目标反射光谱特性自动观测架7包括：立柱8、横臂9、工控箱10和过渡件11，其中，

立柱8固定于地表，对地物光谱辐亮度自动测量装置起支撑作用，立柱8的高度优选1-2m，也可根据场地自身的环境进行调整；进一步地，立柱8采用挖空结构，内部设置走线槽，容纳光谱仪1和数据收集与控制装置3间的线缆，避免线缆长期暴漏在空气中，降低使用寿命。

横臂9与立柱8垂直固定连接，横臂9的长度优选不小于0.5m。

工控箱10固定在立柱8上，优选为不锈钢制箱体结构，数据收集与控制装置3布置在工控箱10中。

过渡件11设置在横臂9的远离立柱8的一端，光谱仪1通过过渡件11固定在横臂9上。

在本实施例中，地物光谱辐亮度自动测量装置还包括：供电转换模块和温度控制设备，二者均布置在工控箱10中。其中，

温度控制模块包括：西门子PLC、温度传感器、加热器和风扇，当温度低于设定下限值时，PLC启动加热器加热，当温度高于设定上限值时，PLC启动风扇，加快空气流通，从而保证设备工作在合适的工作范围内。

供电转换模块将220V市电转换为光谱仪1、数据收集与控制装置3以及温度控制模块需要的工作电压。

在本实用新型的另一实施例中，如图1所示，无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统还包括：数据汇集中心4，数据汇集中心4包括RS485收发模块，图1中有N个地物光谱辐亮度自动测量装置，地物光谱辐亮度自动测量装置的数据收集与控制装置3均包括RS485收发模块，数据收集与控制装置3与数据汇集中心4通过各自的RS485收发模块互联，N个地物光谱辐亮度自动测量装置与数据汇集中心4构成地物光谱辐亮度自动观测网络。

数据收集与控制装置3通过RS485收发模块接收数据汇集中心4发送的远程控制指令，远程控制指令包括查询设备状态、工作参数设置、数据传输等，并依照远程控制指令执行相关的动作。

数据汇集中心4通过RS485收发模块，获取存储在各个数据收集和控制装置本地的地表光谱辐亮度数据和工作参数。

其中，本实用新型选择高性能的RS485收发模块，该模块内置光电隔离器及DC/DC电源隔离模块，能够提供高达2500Vrms的隔离电压，带有快速的瞬态电压抑制保护器及放电管，能够有效地抑制闪电和ESD，提供每线1500W的雷击、浪涌保护功率以及各种原因在线路上产生的浪涌电压和瞬态过压；极小的极间电容保证了RS485接口的高速传输，在传输距离为300M范围内时，波特率达到128000bps，传输距离为2.4KM范围内时，波特率达到38400bps，传输距离在5KM范围内时，波特率为9600bps；该模块的工作温度为-25℃到75℃，相对湿度为5％到95％，保证了RS485收发模块在野外复杂环境下可靠的运行，由于RS485总线支持多设备挂载，使得地物光谱辐亮度自动测量系统具有很高的扩展性，可以根据需要动态扩充地物光谱辐亮度自动测量装置的数量。

随着无线通信网络的发展，手机信号基本实现了全覆盖，借助无线通信网实现光谱数据的远程传输是一种便捷的手段。在本实用新型的其他实施例中，如图1所示，无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统还包括：数据发布服务器6，数据汇集中心4还包括无线收发模块5。

为了远程实时获取光谱数据，在带宽允许的范围内，数据汇集中心4通过无线收发模块5接收数据发布服务器6发送的远程指令，并将地表反射辐亮度光谱数据和工作参数等本地数据发送给数据发布服务器6，数据发布服务器6通过接收数据汇集中心4发送的本地数据，拷贝到本地实现数据的备份，并对外发布，这样不仅能够满足远程数据服务的需求，也能保证现场实验人员实时分析数据。

其中，无线收发模块5优选为GPRS收发模块，该GPRS收发模块能够在温度范围为-30℃到75℃、相对湿度为5％到95％的环境下工作，具有较低的功耗，并能周期自复位，防止意外死机情况的发生，能够可靠、实时的传输光谱数据。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型的无人值守地物光谱辐亮度自动测量系统有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本实用新型提供的一种无人值守的地物光谱辐亮度自动测量系统，能够实现无人值守条件下地表反射辐亮度光谱数据的自动采集，克服了传统外场定标需要大量人工外场作业所带来的人力及财力等方面的消耗；并且可提供高频次的地表反射辐亮度光谱数据，可以有效提高卫星载荷在轨辐射性能监测的频次；采用本实用新型的系统对场地进行监测，克服了因人员操作习惯差异、观测设备不同导致的数据不一致，能够保证测量仪器与测量数据的一致性，降低遥感载荷辐射定标的不确定性。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。