CN103047960B - 便携式自动多角度观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式自动多角度观测装置，它主要有以下部分组成：高度可调地脚可转的三脚架、控制测量高度的主杆和安装传感器探头的横杆、精确控制测量方位角的轴承旋转基座、精确控制主杆倾斜角度的轴承装置、用于带动观测架自动运行的方位角运行电机、用于带动观测架自动运行的天顶角运行电机和由编程自动控制电脑系统组成的控制电机运转的控制箱。本发明可以解决现有多角度观测技术或是存在笨重、操作不便的技术问题；或是存在适用性差，各角度观测的物体存在差异，精度较低的技术问题；或是存在人为影响大的技术问题。

Description

便携式自动多角度观测装置

技术领域

本发明属于一种地学领域，具体涉及遥感地面观测技术。

背景技术

多角度遥感实验数据的获取是遥感发展的关键点之一，除了遥感专用的辐射测量仪器，还需要有多角度观测装置，现有的多角度测量装置根据其测量方式主要分为三类：

(1)传感器围绕固定中心点进行半球扫描，如美国JPL的PARABOLA，便携式地表及大气各向异性测量装置(Deering,1986,Remote Sensing of Environment；Abdou,2000,Journal of Geophysical Research)，此测量方式在各个角度所测量目标地物的不一致性导致目标地物必须保证均一：

(2)保持目标物与传感器的距离固定，通过移动传感器对同一目标物进行半球测量。代表性测量装置为瑞士苏黎世大学遥感实验室的FIGOS(Sandmeier，1999，IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing)。此类装置采取方位轨、天顶弧及自动测量方式，能够在短时间内进行观测，但是关键的主平面观测却受观测架自身在地面形成的阴影干扰，2m的测量高度也要求目标地物相对矮小均一。该装置耗资巨大且体型笨重，严重限制了其推广性。

(3)本申请人研制的手动便携式多角度观测架(专利号2009100777927.4)，整个装置仅包含十几根不锈钢管与一个简易操作平台，整体重量不超过20公斤便于携带与操作。然而此观测架依然存在一些局限性，第一，需要人工调整方位角与天顶角，费时费力，难以长期连续测量，且操作人员本身辐射将在一定程度上影响测量精度；第二，热辐射等遥感参数随时间变化很快，手工调整速度跟不上某些对时间要求很高的遥感参数的测量；第三，现有三脚架及底座平台高度可调性不高，要求冠层高度在1.5m左右，过高或过矮都不能保证不同天顶角观测的是同一目标，带来较大不确定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式自动多角度观测装置，以解决现有多角度观测技术或是存在笨重、操作不便的技术问题；或是存在适用性差，各角度观测的物体存在差异，精度较低的技术问题；或是存在人为影响大的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

便携式自动多角度观测装置，

主要有以下部分组成：高度可调地脚可转的三脚架、控制测量高度的主杆和安装传感器探头的横杆、精确控制测量方位角的轴承旋转基座、精确控制主杆倾斜角度(天顶角)的轴承装置、用于带动观测架自动运行的方位角运行电机、用于带动观测架自动运行的天顶角运行电机和由编程自动控制电脑系统组成的控制电机运转的控制箱；所述三脚架固定在轴承旋转基座下端，轴承旋转基座是由位于下端的底盘、中部的转盘座和位于上端的支撑下盘配合，通过旋转轴和方位角涡轮蜗杆实现转动连接组成；支撑下盘与内部旋转轴相连，旋转轴固定有水平方向的旋转涡轮组，该水平方向的旋转涡轮组包括方位角涡轮和方位角涡杆，方位角涡轮与方位角涡杆相连，方位角涡杆一端设有方位角手轮装置，另一端通过联轴器与方位角运行电机相连；在支撑下盘上安装固定有支撑盘，该支撑盘为框架结构，其内通过线轮支架及线轮轴安装有线轮，线轮通过包括天顶角涡轮和天顶角涡杆组成的倾斜涡轮组中的天顶角涡杆相连，天顶角涡杆一端设有天顶角手轮装置，另一端通过联轴器与天顶角电机相连；在该支撑盘上端安装固定有轴承架，与线轮同方向设置的中轴通过滚动轴承固定在所述轴承架上，中轴穿过且固定在中辅助杆下端，有两个较短的侧辅助杆的一端分别固定在支撑盘上端，另一端相互呈一定角度张开，它们的端部分别固定有轮子，有一根不锈钢丝绳绕过两个轮子和线轮后两端共同固定在主杆的适当位置上；主杆为一根多节可伸缩的结构，有一个横杆通过加强杆将其一端固定于主杆顶部，该横杆另一端为用于安装传感器探头的固定装置，所述传感器包括用于获取光谱、温度和图像的探头；轴承旋转基座通过六颗内六角螺钉螺母与三脚架盘相连接，三脚架盘连接有压板和可调节的三脚架上、下组件，组件之间通过三脚架锁紧轮固定，三脚架下组件通过地脚销钉与地脚钉相连接。

所述主杆上装有光电开关，在天顶角归零时触发。

在所述转盘座上设有与支撑下盘相抵的起松开锁紧作用的调整螺栓。

所述三脚架与地脚之间通过转轴连接。

本发明的有益效果：

(1)根据事先编制好的观测控制流，可自动获取目标的多天顶角、多方位角数据。

(2)实现了光谱、温度及图像的一体化测量，增加了数据的一致性。

(3)在太阳入射的热点区域，可实现自动加密测量。

(4)三脚架的创新设计，保证了冠层高度的测量范围可从0-2.5m范围内变化，保证了低矮作物的测量准确性。

(5)通过软件自动控制多种仪器测量并记录，大大节约了人力物力，提高了测量的效率和准确性。

附图说明

图1是本发明的结构的主视图。

图2是图1的侧视图。

图3是图2的沿A-A方向的剖视图。

图4是图1的沿A-A方向的剖视图。

图5是三脚架的结构的主视图。

图6是图5的仰视图。

图中编号：1-转盘座，2-旋转轴，3-旋转涡轮组(方位角)，4-支撑下盘，5-支撑盘，6-线轮支架，7-线轮轴，8-线轮，9-倾斜涡轮组(天顶角)，10-中轴，11-滚动轴承，12-主杆，13-中辅助杆，14限位开关(光电开关)，15-侧辅助杆，16-角度指示针，17-天顶角手轮，18-方位角手轮，19-天顶角电机保护罩，20-方位角电机保护罩，21-底盘，22-方位角联轴器，23-轮子，24-横杆，25-加强杆，26-主杆，27-三脚架，28-轴承架，29-三脚架盘，30-脚架上组件，31-上固定件，32-脚架下组件，33-三脚架锁紧轮，34-地脚钉，35-圆柱头内六角螺钉M10X50，36-扣紧螺母，37-压板，38-地脚销钉，39-圆柱头内六角螺钉。

具体实施方式

本实用新型的结构参见图1，2，主要由6个部分组成：①高度可调、地脚可转的三脚架、②精确控制测量方位角的轴承旋转基座、③精确控制主杆倾斜角度(天顶角)的涡轮装置、④控制测量高度的主杆、⑤安装传感器探头的横杆、⑥用于实现编程自动控制转动方案且带动观测架自动运行控制箱。

具体观测架主体设计参见图3、4。所述三脚架27固定在轴承旋转基座下端，轴承旋转基座是由位于下端的底盘21、中部的转盘座1和位于上端的支撑下盘4配合，通过旋转轴2和方位角涡轮蜗杆实现转动连接组成；支撑下盘4与内部旋转轴2相连，旋转轴2固定有水平方向的旋转涡轮组3(即方位角涡轮)，方位角涡轮与方位角涡杆相连，方位角涡杆一端设有方位角手轮18装置，另一端通过方位角联轴器22与方位角运行电机相连；在支撑下盘4上安装固定有支撑盘5，该支撑盘5为框架结构，其内通过线轮支架6及线轮轴7安装有线轮8，线轮8通过倾斜涡轮组9(即天顶角涡轮)与天顶角涡杆相连，天顶角涡杆一端设有天顶角手轮17装置，另一端通过天顶角联轴器与天顶角电机相连；在该支撑盘5上端安装固定有轴承架28，与线轮8同方向设置的中轴10通过滚动轴承11固定在所述轴承架28上，中轴10穿过且固定在中辅助杆13下端，有两个较短的侧辅助杆15的一端分别固定在支撑盘5上端，另一端相互呈一定角度张开，它们的端部分别固定有轮子23，有一根不锈钢丝绳绕过两个轮子23和线轮8后两端共同固定在主杆12的适当位置上；主杆12为一根多节可伸缩的结构，有一个横杆24通过加强杆25将其一端固定于主杆12顶部，该横杆24另一端为用于安装传感器探头的固定装置，所述传感器包括用于获取光谱、温度和图像的探头。

三脚架的主题设计参加图5、6，轴承旋转基座通过六颗内六角螺钉螺母35、36与三脚架盘29相连接，其中三组螺钉和螺母将旋转基座与三脚架盘29固定，另三组螺钉和螺母顶在压板37上，锁死三脚架，保证测量中的稳定性。三脚架盘29连接有压板37和可调节的三脚架上、下组件30、32，以便在实际测量中调节三脚架高度及水平。组件之间通过三脚架锁紧轮33固定。三脚架下组件32通过地脚销钉38与地脚钉34相连接，在测量时地脚钉34可深入地面起固定作用，保证三脚架可大幅度展开，在较低高度测量时也能保持良好的稳定性。

本自动多角度观测架各个部件的具有工作描述如下：

(1)高度可调、地脚可转动的三脚架

以前三脚架地脚与三脚架的腿平行，三脚架张角有一定限制，难以扎稳，很大程度上限制了低矮作物的测量。本发明中使用的三脚架采用全钢质结构，地脚与三脚架之间通过转轴连接，角度可转动调节，只需将地脚垂直插入地里，即可将三脚架大幅度展开，测量低矮作物。

(2)全天自动观测，无需人为干预

通过新的控制电机和智能软件系统，可根据编制好的观测控制流，按照用户自定义的方式实现全天自动观测。包括遥感研究关心的主平面、垂直主平面、顺垄、垂直垄观测。测量期间无需人为干预。省时省力，也避免了人为操作可能产生的误差。(3)光谱、温度及图像一体化测量，保证了数据一致性。

通过新的观测平台及自动控制软件，可同时测量光谱、温度和图像，增加了数据的一致性。传统方法实现这一目标至少需要4个实验人员，分别操作多角度观测架、光谱仪、热辐射计、摄像头，且难以保证数据同时采集，数据一致性较差，满足不了精度需求。

(4)热点自动加密功能

可自动判断太阳入射方向，自动在热点加密测量，这是目前其他多角度观测仪器所没有的功能。热点变化快，而热点数据在遥感上有十分迫切的应用需求。传统的等间隔自动测量或手动测量方式无法满足速度、精度的需求，本仪器根据时间及经纬度信息自动找到热点并加密测量，可获取宝贵的热点数据。本仪器自身的面积较小，其在太阳方向上的阴影几乎不影响各个探头的视场。

(5)独特的涡轮装置，天顶角转动平稳

天顶角采取独特的涡轮涡杆带动，有效防止天顶角滑落带来的风险。一般的驱动方式，当仪器平台运行到最高点时，一旦出现断电等突发情况，电机失去力量，平台将迅速滑落，给仪器和操作人员带来风险。而本仪器使用的涡轮涡杆装置，仅能通过驱动天顶角转轴来带动仪器平台运动，当失去驱动力时，仪器平台将停留在当前位置。

并且本仪器在手动多角度观测架的基础上，重新设计并调整了涡轮涡杆的结构、尺寸，将运动时仪器平台的颤动降到最低，保证平台平稳运转，这对精密的遥感测量仪器十分重要。

(5)可视化操作，实时角度、测量状态显示

通过自动控制软件，可通过简单的鼠标点击控制多角度观测架完成复杂的测量任务。在软件界面上，可实时显示当前观测架的观测方位角、天顶角、测量状态，预览测量数据，并实时记录在日志文件里。这是目前其他多角度观测架都不具备的功能。

(6)结构精简，可操作性强，便于运输

整个装置仅包含控制系统、轴承基座、三脚架和几根不锈钢金属管，通过卡扣或销子完成安装，简单便捷。整体结构简单，便于维修保养。

可将观测架转入两个带滚轮的箱子中，便于运输。

本发明的测量步骤如下：

①观测架安装：所有组成部分通过卡扣或螺丝进行连接，支撑架与主杆数目视地物复杂程度而定；

②探头固定：仪器探头安装至横杆一端的固定板上，并使用专用扎带将光纤和电缆固定于观测架上；

③观测架、参考板、测量人员及相应设备就位：在不破坏选定观测视场的前提下，将观测架移至目标地物中，根据观测架高度与位置确定参考板的架设点。在北半球测量时，观测架初始位置为正南方向，参考板置于观测架的正北方向；在南半球观测时，观测架初始位置为正北方向，参考板置于观测架的正南方向。参考板由可升降的对中杆与自制的托盘支撑；将控制系统分别与电机和电脑连接，供电；测试无误后人员离开视场范围，使用电脑及配套软件进行操作一般在10m外；可根据需求延长的控制线长度以远离视场，实现试验场无人值守操作。

④测量：根据程序提供的选项，自动进行主平面、垂直主平面、顺垄、垂直垄和其他设定平面的测量，可进行多平面组合测量。测量期间，仪器每个周期测量一个参考板，并据此计算多角度观测的反射率光谱曲线。

⑤结束测量：存储数据、断开电源、拆卸观测架，完成测量。

⑥数据自动处理：根据仪器观测的主平面、垂直主平面等平面，可计算出目标的BRF。

Claims (4)

1.便携式自动多角度观测装置，其特征在于它主要有以下部分组成：高度可调地脚可转的三脚架、控制测量高度的主杆和安装传感器探头的横杆、精确控制测量方位角的轴承旋转基座、精确控制主杆倾斜角度的轴承装置、用于带动观测架自动运行的方位角运行电机、用于带动观测架自动运行的天顶角运行电机和由编程自动控制电脑系统组成的控制电机运转的控制箱；所述三脚架固定在轴承旋转基座下端，轴承旋转基座是由位于下端的底盘、中部的转盘座和位于上端的支撑下盘配合，通过旋转轴和方位角涡轮蜗杆实现转动连接组成；支撑下盘与内部旋转轴相连，旋转轴固定有水平方向的旋转涡轮组，该水平方向的旋转涡轮组包括方位角涡轮和方位角涡杆，方位角涡轮与方位角涡杆相连，方位角涡杆一端设有方位角手轮装置，另一端通过联轴器与方位角运行电机相连；在支撑下盘上安装固定有支撑盘，该支撑盘为框架结构，其内通过线轮支架及线轮轴安装有线轮，线轮通过包括天顶角涡轮和天顶角涡杆组成的倾斜涡轮组中的天顶角涡杆相连，天顶角涡杆一端设有天顶角手轮装置，另一端通过联轴器与天顶角电机相连；在该支撑盘上端安装固定有轴承架，与线轮同方向设置的中轴通过滚动轴承固定在所述轴承架上，中轴穿过且固定在中辅助杆下端，有两个较短的侧辅助杆的一端分别固定在支撑盘上端，另一端相互呈一定角度张开，它们的端部分别固定有轮子，有一根不锈钢丝绳绕过两个轮子和线轮后两端共同固定在主杆的适当位置上；主杆为一根多节可伸缩的结构，有一个横杆通过加强杆将其一端固定于主杆顶部，该横杆另一端为用于安装传感器探头的固定装置，所述传感器包括用于获取光谱、温度和图像的探头；轴承旋转基座通过六颗内六角螺钉螺母与三脚架盘相连接，三脚架盘连接有压板和可调节的三脚架上、下组件，组件之间通过三脚架锁紧轮固定，三脚架下组件通过地脚销钉与地脚钉相连接。

2.根据权利要求1所述的便携式自动多角度观测装置，其特征在于，所述主杆上装有光电开关，在天顶角归零时触发。

3.根据权利要求1所述的便携式自动多角度观测装置，其特征在于，在所述转盘座上设有与支撑下盘相抵的起松开锁紧作用的调整螺栓。

4.根据权利要求1所述的便携式自动多角度观测装置，其特征在于，所述三脚架与地脚之间通过转轴连接。