一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置及优化测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测定装置及优化测定方法，尤其涉及一种轻便高光谱地表发射率 无损测定装置及优化测定方法。
【背景技术】
[0002] 地表发射率作为遥感科学中的关键参数之一，涉及了众多基础学科和重大领域。 地表发射率是反映物体热辐射性质的一个重要参数，随物质的介电常数、表面粗糙度、温 度、波长、观测方向等条件的不同而变化。地表发射率不仅在全球蒸散发，气候变化以及水 循环方面扮演着重要角色，还是植被监测，城市气候效应以及环境研究中的关键参数，因 此，地表发射率的精准遥感测定具有十分重要的应用价值。目前，地表发射率的野外测量主 要是建立在地表辐射传输方程的基础上。
[0003]现有技术的缺点：1、采用手工方式切换观测目标地表和参考板的现有测量方法， 过程繁琐，干扰因素多，且观测时间过长导致观测条件的改变严重影响了地表发射率的测 定精度;2、采用自动方式切换观测目标地表和参考板的现有测量方法，由于辅助装置的移 动平台距离较短，导致在测量的过程中需要将设备放置于目标地表的边缘地区，且装置自 身的占地体积相对较大，这就必然会对目标地表产生一定的辐射影响，给测量结果带来不 稳定因素。此外，辅助装置采用的是移动平台的切换方式，这就需要测量人员在每次测量工 作前，根据太阳位置来进行位置调整，以最大程度的避免装置在目标地表产生阴影的情况， 但即便如此，在某些时刻，阴影仍会覆盖于接近目标地表的区域，导致测量精度下降；3、无 论是采用手工方式还是自动方式切换观测目标地表和参考板的现有测量方法，当目标物具 有一定高度时，均无法有效实现无损目标地表的高精度地表发射率的测定。例如，对于长势 较高的植被，由于将参考板放置于目标地表顶部同一高度处存在困难，为了确保环境辐射 的准确获取，现有测量方法只能采用破坏植被的方式，提取部分植被样本，并将其置于地 表，进而完成后续地表发射率的测定;4、现有通过地表温度和发射率分离技术来实现地表 发射率的测定方法存在各种局限性，例如基于地表温度黑体拟合的地表发射率估算法以及 基于经验统计关系的地表发射率分离法对于先验知识和经验统计关系的依赖性强。先验知 识和经验统计关系的正确程度直接决定了地表发射率测定的精度;而基于分段线性假设的 地表发射率分离法虽然不依赖于先验知识和经验统计关系，但该方法需要事先设定子区间 的划分长度。如何合理的选择划分区间大小，也将影响到地表发射率的测定精度。子区间划 分太长，会违背地表发射率分段线性变化假设的合理性，从而降低地表发射率的测定精度； 而子区间划分太短，又会加剧观测噪声对地表发射率测定的影响。此外，由于划分的子区间 各自独立，未有效紧密联系起来，这使得对于地表发射率波谱变化较大的地表，最后测定的 地表发射率波谱会表现出明显的断点，即谱线表现出不连续性。因此，现有的测定装置和方 法严重影响测定的精度，使用测定效果差。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种轻便高光谱地表发射率 无损测定装置及优化测定方法。
[0005]为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种轻便高光谱地表发射率 无损测定装置，它由参考板托板、延长臂、配重砣、转动组件、三角支撑架和中央控制系统组 成；
[0006]转动组件由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的一侧;转动组件设 置在三角支撑架的上端，转动组件用于带动延长臂横向转动;转动组件由中央控制系统进 行控制，并通过航空插头与中央控制系统相连接;旋转台的转动精度为0.1°，转动的角度为 360° ;
[0007]参考板托板用于放置和固定参考板，参考板托板的尺寸为14cm*10cm，14cm为固定 长度边，10cm为可扩展边，通过更换配套的L型固定夹实现长度的扩展;参考板托板通过螺 丝固定于延长臂的一端；
[0008]配重砣设置在和参考板托板相对应的延长臂的另一端，用于对延长臂与参考板托 板的平衡配重，配重砣的标准重量为lkg/个;延长臂装置在转动组件的旋转台上；
[0009]中央控制系统由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组成。
[00?0] 延长臂的全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。
[0011]中芯控制器的主面板配有LED显示屏；中芯控制器的主操作面板外露于机箱上表 面。供电模块用于对整个中央控制系统及转动组件进行供电，使用的为锂电池组，工作电压 为24V;供电模块通过机箱后侧的充电接口直接进行充电。
[0012] 遥控模块是外置的；机箱的前、后两个侧面分别设计有电源开关、转动组件、航空 插头以及充电接口；机箱尺寸为20cmX15cm，重量为lkg〇
[0013] 测定装置的优化测定方法的具体步骤为：
[0014] a、准备工作：
[0015]首先，针对目标地表摆放热红外光谱仪，然后，放置辅助测量装置并进行角度、转 速、运行模式初始化设置;在放置辅助测量装置时，需满足延长臂的高度恰好位于对应地表 的高度位置，并且三脚支撑架要尽可能的远离热红外光谱仪，以避免对目标地表及附近区 域的破坏，保证测量过程中的环境辐射足够稳定;之后，将参考板放置于参考板托板中，调 整参考板托板的位置，使得参考板位于镜头正下方，并能够充满整个热红外光谱仪测量视 场，避免在之后的测量中对位置进行调整，缩短测量的整体时间；最后，通过中央控制系统 控制旋转台，使其转动90度，切换观测目标，使得热红外光谱仪对准待测的目标地表，完成 准备工作；
[0016] b、目标地表离地辐亮度测量：
[0017] 在完成步骤a中的准备工作后，此时的热红外光谱仪已对准待测目标地表，直接操 作热红外光谱仪进行测量，完成目标地表的离地辐亮度的采集；目标地表离地辐亮度Rs,i的 公式表示如下：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道;es,i为通道i的目标地表发射率;Ts为 目标地表的温度；为目标地表观测时通道i的环境辐亮度ddTs)为地表温度Ts下的通 道普朗克函数;其中，C1 =1.191X108W·um4 ·sr-1 ·m-2，C2 =1.439X104ym·Κ;λ?为第i个 波谱通道对应的等效中心波长；
[0021] c、参考板的离地辐亮度测量：
[0022] 通过中央控制系统远程控制旋转台向步骤a中旋转的反方向转动90度，以满足反 向旋转后，参考板正好位于热红外光谱仪的镜头下方且满足测量视场要求，即完成了参考 板与目标地表的切换，然后，直接操作热红外光谱仪，完成参考板的离地辐亮度采集;参考 板离地辐亮度Rg,:的公式表示如下：
[0023]
(3)
[0024]其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道;ερ为通道i的参考板发射率;Tg为参 考板的表面温度;Bi(Tg)为参考板温度Tg下的通道普朗克函数；为参考板观测时通道i 的环境辐亮度；
[0025]d、环境辐亮度的估算：
[0026] 当对目标地表与参考板观测的时间间隔较短时，可以近似假设两次观测过程中环 境辐亮度基本没有发生变化，即两次观测的环境辐亮度近似相等，即/? = ;因此，通过 步骤c测量得到参考板的离地辐亮度后，利用获取的参考板的发射率hi和温度Tg，利用公 式(4)，计算得到环境辐亮度:
[0027]
[0028] 其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；为目标地表观测时通道i的环境 辐亮度；为参考板观测时通道i的环境辐亮度；Ag，,·为参考板的通道离地辐亮度;Tg为 参考板的表面温度;Bi(Tg)为参考板温度Tg下的通道普朗克函数;eg,i为通道i的参考板发射 率；
[0029]参考板的发射率可在实验室中测量得到，通常取值为￡^ = 0.04;同时，由于参考 板的发射率很低，表面温度的误差对环境辐亮度估算结果的影响较小，所以可直接通过接 触式测温仪近似得到参考板的表面温度Tg;
[0030] e、地表发射率的迭代优化算法：
[0031] i、根据观测的目标辐亮度波谱，通过普朗