一种三通道水体表观光谱观测和分析装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光谱测量、遥感反演技术领域，尤其涉及一种三通道水体表观光谱观测和分析装置及方法。
【背景技术】
[0002]水体表观光学参数主要有离水辐亮度、归一化离水辐亮度和遥感反射率等，它们是海洋水色遥感的基础物理量，也是水体色素成分的光学表现。现场精确获取表观光学参数将有利于生物光学算法、大气校正算法的开发，以及对星载遥感器的辐射校正及其数据的真实性检验。在现有技术中，遥感反射率1^通过公式R?=Lw/Ed(0+)计算得到。因此，要先确定水体的离水辐亮度Lw和下行辐照度Ed (0+)，而Lw= Lt-PLp所以，现场需要获取水体的辐亮度Lt、天空光辐亮度Li和下行辐照度E d(0+)。目前国内测量遥感反射率较多的是应用【文献I】中描述的方法，通过一台辐亮度传感器测量水面、天空以及标准参考板反射的光谱。当使用一台传感器测量时，就需要不断改变传感器的测量方向。如果此过程中气象条件不稳定，那测得的水体辐亮度光谱、天空辐亮度光谱和下行辐照度光谱3者就难以匹配，最终导致计算的遥感反射率和离水辐亮度LwF准确。【文献l】:Tang J W，Tian GL.The Methods of Water Spectra Measurement and Analysis 1:Above-ffater Method.Journal of Remote Sensing, 2004.1.[唐军武，田国良，水体光谱测量与分析1:水面以上测量法.遥感学报，2004.1o
【发明内容】
[0003]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三通道水体表观光谱观测和分析装置及方法。
[0004]本发明的装置所采用的技术方案是:一种三通道水体表观光谱观测和分析装置，其特征在于:包括光谱仪传感器组、主支撑架、辐照度传感器支撑臂和两组结构相同的辐亮度传感器支撑臂；所述的光谱仪传感器组包括两个辐亮度传感器和一个辐照度传感器；所述的主支撑架由垂直的安装板和水平的底座构成；所述的安装板垂直固定在水平的底座上；所述的安装板上开有多个安装孔，用于安装所述的辐照度传感器支撑臂和辐亮度传感器支撑臂；所述的辐照度传感器垂直朝向天空地固定安装在所述的辐照度传感器支撑臂上；所述的两个辐亮度传感器均位置可调地分别安装在所述的两组结构相同的辐亮度传感器支撑臂上、按照预设的天顶角分别指向天空和水面。
[0005]作为优选，所述的辐照度传感器支撑臂由垂直于底座的第一支撑杆和第一仪器压块构成；所述的第一支撑杆通过螺纹连接件固定安装在所述的安装板上，所述的第一仪器压块通过螺纹连接件固定安装在所述的第一支撑杆顶端，所述的辐照度传感器固定安装在所述的第一仪器压块上。
[0006]作为优选，所述的辐亮度传感器支撑臂包括第二支撑杆、第三支撑杆、第二仪器压块和合页；所述的第二支撑杆和第三支撑杆均带有滑动槽结构，所述的第二支撑杆的一端通过合页固定安装在所述的安装板上；所述的第三支撑杆的一端与所述的安装板侧边缘成可调节的滑动连接、另一端与所述的第二支撑杆的另一端通过滑动连接辅助部件形成可滑动连接；两组第二仪器压块分别通过螺纹连接件固定安装在两个第二支撑杆上；所述的两个辐亮度传感器分别固定安装在所述的两组第二仪器压块上。
[0007]作为优选，所述的辐亮度光谱仪传感器和辐照度光谱仪传感器外形均呈圆柱状。
[0008]作为优选，所述的第一仪器压块由两块对称的半圆凹槽构成，半圆凹槽直径刚好与所述的辐照度传感器的粗细相等，每块半圆凹槽在对应的地方都设置有螺孔，第一仪器压块通过螺纹连接件将所述的辐照度传感器套紧并固定安装在所述的第一支撑杆顶端上。
[0009]作为优选，所述的两组第二仪器压块均由两块对称的半圆凹槽构成，半圆凹槽直径刚好与所述的辐亮度传感器的粗细相等，每块半圆凹槽在对应的地方都设置有螺孔，第二仪器压块通过螺纹连接件将所述的辐亮度传感器套紧并固定在所述的第二支撑杆顶端上。
[0010]作为优选，所述的底座由两片具有一定宽度的长条状底板构成，两片底板相距与所述的安装板宽度相等的距离平行排列，所述的安装板底部与所述的两片底板上表面中部固定连接。
[0011]本发明的方法所采用的技术方案是:一种三通道水体表观光谱观测和分析的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0012]步骤1:部署；将所述的三通道水体表观光谱观测装置水平放置在水面上的某一建筑物或者船板边缘上，确保观测时目标水体不受周围建筑阴影、太阳耀斑、水体泡沫、白帽的影响，确保观测时目标天空不受云层、建筑的影响；
[0013]步骤2:确定观测几何(θ，φ) = (40°，135° );将所述的两个辐亮度传感器预设天顶角分别为40度和-40度，其中一个辐亮度传感器(11)以40度天顶角指向水面，另一个辐亮度传感器(11)以-40度天顶角指向天空；
[0014]步骤3:确定采样模式；每一次观测都严格遵循现场观测几何[40°，135° ]，并且同时采集两个辐亮度传感器和一个辐照度传感器的光谱数据，每个传感器采集若干条光谱数据；
[0015]步骤4:滤波处理；将每个传感器测量得到的若干条光谱数据进行滤波与修正处理来消除残余太阳耀斑和天空光反射成分以及对云、周围建筑物的影响；
[0016]步骤5:计算得到遥感反射率和离水辐亮度L ff?
[0017]作为优选，步骤4中所述的滤波与修正处理，其具体实现过程为:令水体的辐亮度光谱为Lt、天空的辐亮度光谱为Li和下行辐照度光谱为E d (0+)，每次传感器测量得到的数据量为K条LT、K条Lp K条Ed(0+)，分别用LT[1?《山[1?k]和Ed(0+) [I?k]表示；
[0018]则先剔除Lt[I?k]、Li [I?k]和Ed(0+) [I?k]中各自的最大值Lt[max]和最小值LT[min];然后余下的M条(K条数据中最大或最小的可能有多条，若有多条，就剔除多条)光谱数据Lt [η?N]、Li [η?N]和Ed (0+) [η?N]分别求平均，LTmean = (LT[n]+......+LT[N])/M；
[0019]LiHiean= (Li [η] +......+Li [N]) /M ；
[0020]Ed(0+)mean = (Ed(0+) [η]+……+Ed(0+) [N])/M ；
[0021]最终得到三个平均值LTmean、LiHiearu Ed (0+)mean。
[0022]作为优选，步骤5中所述的计算得到遥感反射率和离水辐亮度L w，其具体实现过程为:
[0023]将步骤4的处理后得到的2个平均值LTmean、LiHiean代入以下公式计算离水辐亮度Lw，
[0024]Lff — L Tmean_ P Limean;
[0025]其中为P气水界面对天空的反射率，其取值范围在0.026?0.12之间；
[0026]最后将得到的离水辐亮度M5P E d (0+)mean代入公式Rre= L W/Ed (0+)到遥感反射率Rrs。
[0027]本发明能够通过搭载的三个TR1S RAMSES系列光谱仪传感器按照预设的[40°，135° ]观测几何同时采集3个目标的光谱数据，实现了三通道水体表观光谱观测和分析。克服了单通道观测中需要人为改变传感器的测量方向等带来的局限性。不仅节省了人力成本，更重要的是保证了三个目标数据的同时性和提高它们的匹配度，能够使水体表观光谱观测和分析结果更加准确。
【附图说明】
[0028]图1:为本发明实施例的装置的整体结构示意图；
[0029]图2:为本发明实施例的装置的侧视结构示意图；
[0030]图3:为本发明实施例的装置的观测方位示意图，可体现仪器观测方位与太阳直射方位的关系；
[0031]图4:为本发明实施例的装置的光谱仪传感器组在垂直面内的观测角度示意图，可体现3个TR1S RAMSES系列传感器测量的物理量及各自与水面法线的关系；
[0032]图5:为本发明实施例的方法流程图。
【具体实施方式】
[0033]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]请见图1和图2，本实施例提供的一种三通道水体表观光谱观测和分析装置，包括光谱仪传感器组1、主支撑架2、辐照度传感器支撑臂3和两组结构相同的辐亮度传感器支撑臂4 ;光谱仪传感器组I包括两个辐亮度传感器11和一个辐照度传感器12 ;主支撑架2由垂直的安装板21和水平的底座22构成；底座22由两片具有一定宽度的长条状底板221构成，两片底板221相距与安装板21宽度相等的距离平行排列，安装板21底部与两片底板221上表面中部固定连接；安装板21上开有多个安装孔，用于安装辐照度传感器支撑臂3和辐亮度传感器支撑臂4 ;辐照度传感器支撑臂3由垂直于底座22的第一支撑杆31和第一仪器压块32构成；第一支撑杆31通过螺纹连接件固定安装在安装板21上，第一仪器压块32通过螺纹连接件固定安装在第一支撑杆31顶端，辐照度传感器12固定安装在第一仪器压块32上；辐亮度传感器支撑臂4包括第二支撑杆41、第三支撑杆42、第二仪器压块43和合页44 ;第二支撑杆41和第三支撑杆42均带有滑动槽结构，第二支撑杆41的一端通过合页44固定安装在安装板21上；第三支撑杆42的一端与安装板21侧边缘成可调节的滑动连接、另一端与第二支撑杆41的另一端通过滑动连接辅助部件形成可滑动连接；两组第二仪器压块43分别通过螺纹连接件固定安装在两个第二支撑杆41上；两个辐亮度传感器11分别固定安装在两组第二仪器压块43上；辐亮度光谱仪传感器11和辐照度光谱仪传感器12外形均呈圆柱状；第一仪器压块32由两块对称的半圆凹槽构成，半圆凹槽直径刚好与辐照度传感器12的粗细相等，每块半圆凹槽在对应的地方都设置有螺孔，第一仪器压块32通过螺纹连接件将辐照度传感器12套紧并固定安装在第一支撑杆31顶端上；两组第二仪器压块43均由两块对称的半圆凹槽构成，半圆凹槽直径刚好与辐亮度传感器11的粗细相等，每块半圆凹槽在对应的地方都设置有螺孔，第二仪器压块43通过螺纹连接件将将辐亮度传感器11套紧并固定在第二支撑杆41顶端上，两个辐亮度传感器11均按照预设的天顶角分别指向天空和水面。
[0035]请见图3、图4和图5，本实施例提供的一种行三通道水体表观光谱观测和分析的方法，包括以下步骤:
[0036]步骤1:部署；
[0037]将三通道水体表观光谱观测装置水平放置在水面上的某一建筑物或者船板边缘上，确保观测时目标水体不受周围建筑阴影、太阳耀斑、水体泡沫、白帽的影响，确保观测时目标天空不受云层、建筑的影响；
[0038]步骤2:确定观测几何；
[0039]通过装置中的三个TR1S RAMSES系列光谱仪传感器分别同时测量水体的辐亮度光谱Lt、天空的辐亮度光谱Li和下