CN103592027B - 一种地物光谱仪观测范围的界定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种地物光谱仪观测范围的界定装置及方法，设置区域记录探头(1)、角度仪(6)和长杆(5)，区域记录探头(1)包括由摄像头(1-1)、地物光谱仪光学探头安装架(1-2)、激光器(1-3)、伞形安装架(1-4)、调节装置(1-5)、连接导线走线孔(1-6)、角度调节关节(1-7)和安装管(1-8)；通过旋转调节装置(1-5)控制伞形安装架(1-4)的张开角度，使激光器(1-3)的光斑所圈定的范围与地物光谱仪的观测范围一致，通过摄像头（1-1）记录激光器（1-3）光斑圈定的观测目标几何范围及属性信息。本发明能辅助光谱观测，有效记录观测目标的几何和属性情况，具有很好的业务化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于地物光谱观测领域，特别是提供一种地物光谱仪观测范围的界定装置及方法，辅助地物光谱仪的光谱观测。
背景技术
为了研究各种不同地物表面在自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要使用地物光谱仪进行光谱观测，但就目前通用的地物光谱仪而言，其功能上并不能界定所测地物表面的观测范围，对于某些研究领域，如植被或海草等的光谱观测，不能界定所测地物表面的几何观测范围这一缺陷将严重影响所测光谱的进一步判读分析，因此有必要发明所测光谱对应的几何范围的界定装置，辅助地物光谱仪的光谱观测与后续分析处理。
发明内容
为实现其上述目的，本发明提供一种地物光谱仪观测范围界定装置及方法。
本发明的技术方案提供一种地物光谱仪观测范围的界定装置，包括区域记录探头1、角度仪6和长杆5，所述区域记录探头1包括由摄像头1-1、地物光谱仪光学探头安装架1-2、激光器1-3、伞形安装架1-4、调节装置1-5、连接导线走线孔1-6、角度调节关节1-7和安装管1-8；
地物光谱仪光学探头安装架1-2位于安装管1-8的最下端的中心位置，安装管1-8上设置连接导线走线孔1-6，伞形安装架1-4以安装管1-8为中心设置，激光器1-3安装在伞形安装架1-4的下端，通过旋转调节装置1-5控制伞形安装架1-4的张开角度，摄像头1-1安装于安装管1-8的外侧；
摄像头1-1、激光器1-3和安装在地物光谱仪光学探头安装架1-2上的地物光谱仪光学探头的光学平面相互平行，并且摄像头1-1的摄影方向和地物光谱仪光学探头的测量方向，以及激光器1-3的发射方向一致；
角度调节关节2的尾端和长杆5通过螺栓连接，另一端与安装管1-8连接，角度仪6设置在长杆5上，当区域记录探头1在长杆5下侧朝向地面时，角度仪6处于长杆5上侧朝向天空。
而且，设置有连接导线2、控制板3和电池4，将控制板3的电路板和电池4安装于长杆5内部，电池4连接电路板，控制板3的电路板经连接导线2分别连接激光器1-3和摄像头1-1，控制板3上设置用于开关电源的按钮7、用于开关激光器1-3的按钮8和用于拍摄相片的按钮9，按钮7、按钮8和按钮9设在长杆5表面，通过按钮7、按钮8和按钮9，分别经电路板控制电池4是否供电、激光器1-3的开关以及摄像头1-1的拍摄。
而且，所述调节装置1-5采用电机，控制板3的电路板经连接导线2连接电机。
或者，所述调节装置1-5采用调节螺母。
本发明还提供了采用地物光谱仪观测范围的界定装置实现的界定方法，包括以下步骤，
步骤101，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，地物光谱仪光学探头的尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接，地物光谱仪和电脑连接；
步骤102，使长杆5水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节1-7调节地物光谱仪探头和长杆5之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何；
步骤103，通过按钮7接通电源，驱动电机，使得伞形安装架1-4逐渐打开，然后通过按钮8开启激光器1-3；
步骤104，通过电脑启动地物光谱仪对视场中的光谱进行探测，当地物光谱仪采集的光谱与所采用激光器1-3相同波长处不再出现变化时，判断出激光器标示范围刚好与光谱仪观测视场范围重合，通过按钮7切断电源，停止伞形安装架1-4张开；
步骤105，通过按钮9控制摄像头1-1拍摄一张相片，通过按钮8关闭激光器1-3，通过按钮7切断电源，然后利用地物光谱仪采集一条光谱；
步骤106，电脑读取地物光谱仪观测的光谱数据，并通过USB接口读取摄像头1-1内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相应相片，每张相片上激光光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
本发明还提供了另一种采用地物光谱仪观测范围的界定装置实现的界定方法，包括标定过程和作业过程，
标定过程包含步骤如下，
步骤211，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接；
步骤212，使长杆5水平于地面，将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为某个待标定的角度；
步骤213，根据待标定的地物光谱仪光学探头的观测视场角，计算得到测量的视场范围，然后以光谱仪光学探头的投影中心点为圆心在地面确定观测范围；
步骤214，旋转调节螺母，张开伞形安装架1-4，同时通过按钮8打开激光器1-3，使激光器1-3的光斑所圈定的观测范围与步骤213中确定的观察范围一致，并标定调节螺母的位置；
步骤215，将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为新的待标定的角度，返回重复步骤213和214，直到对各种角度执行步骤213和214完成；
步骤216，得出各角度下相应调节螺母的位置作为标定结果；
作业过程包含步骤如下，
步骤221，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接；
步骤222，使长杆5水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节1-7调节地物光谱仪探头和长杆5之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何；
步骤223，基于步骤222中确定的地物光谱仪光学探头的观测视场角，根据标定过程所得该角度的标定结果旋转调节螺母到相应位置；
步骤224，通过按钮8打开激光器1-3，通过按钮9控制摄像头1-1拍摄一张相片，通过按钮8关闭激光器1-3，然后利用地物光谱仪采集一条光谱；
步骤225，读取地物光谱仪观测的光谱数据，通过USB接口读取摄像头1-1内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相片，每张相片上激光光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
本发明提供的装置与方法能辅助光谱观测，有效界定所测地物表面的观测范围，具有很好的业务化应用前景。同时拍摄的相片也记录了观测范围内的地物属性信息，例如观测目标的颜色、种类及其组成比例，为后续光谱分析工作提供重要的参考依据。
附图说明
图1 本发明实施例的结构示意图；
图2 本发明实施例的区域记录探头结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
参见图1，实施例所提供一种地物光谱仪观测范围的界定装置，用于在采用光谱仪测量观测目标的光谱信息时，辅助负责界定观测的几何范围。本界定装置包括区域记录探头1、连接导线2、角度仪6、长杆5、控制板3、电池4组成。参见图2，区域记录探头1设置于长杆5下侧，区域记录探头1由摄像头1-1、地物光谱仪光学探头安装架1-2、激光器1-3、伞形安装架1-4、调节装置1-5、连接导线走线孔1-6和角度调节关节1-7、安装管1-8组成。
地物光谱仪光学探头安装架1-2，位于安装管1-8的最下端的中心位置，用于安装地物光谱仪光学探头，光学探头尾部光纤从安装管1-8上的连接导线走线孔1-6穿出，和所使用的地物光谱仪相连接。
伞形安装架1-4以安装管1-8为中心设置，一般包括数根骨架。激光器1-3一般可采用高亮红色激光器，激光器1-3数目可由本领域技术人员预先设定，例如6个、8个等，实施例为6个，安装在伞形安装架1-4的下端，通过旋转调节装置1-5，伞形安装架1-4可缓慢张开，张开角度为0-40度，并且在张开过程中激光器1-3的光学平面始终和光学探头的光学平面平行，激光器1-3围绕光学探头，激光器1-3能够在控制板3的控制下打开和关闭。
角度调节关节2的尾端和长杆5通过螺栓连接，另一端与安装管1-8连接，可使地物光谱仪的光学探头和长杆5之间角度按需求调节，例如支持调节为90度、110度、130度、150度或180度，并固定在五个角度中的某一角度。
摄像头1-1可采用微型摄像头，摄像头1-1与地物光谱仪光学探头水平，安装于光学探头的外侧，可在安装管1-8外侧连接设置，处于伞形安装架支架1-4的骨架间的缝隙中，不影响伞形安装架支架1-4的开合。摄像头1-1、地物光谱仪光学探头和激光器1-3安装后，各自的光学平面相互平行，并且摄像头1-1的摄影方向和地物光谱仪光学探头的测量方向，以及激光器1-3的发射方向一致；摄像头1-1能够在控制板3的控制下拍摄相片，并且记录于内部的存储空间中，可通过USB接口读取相片。
长杆5长度一般为1.5m-2.5m之间，在长杆5表面可于距离角度调节关节1-7尾端5-15cm处安装角度仪6。长杆5可利用螺栓和角度调节关节1-7尾端连接。实施例中长杆5长度为2m，在长杆5表面，距离连接角度调节关节1-7的尾端5cm处，在和区域记录探头1安装相反的方向上安装角度仪6，即区域记录探头1在长杆5下侧朝向地面时，角度仪6处于长杆5上侧朝向天空。角度仪6可以提供测量地物光谱时太阳的天顶角和方位角，角度测量精度小于等于1度。
长杆5上安装控制板3和电池4，具体实施时，长杆5可采用空心管状，可将控制板3的电路板和电池4安装于长杆5内部，电池4连接电路板，电池4用于通过电路板供电，供电时间一般为24小时。控制板3的电路板经连接导线2分别连接激光器1-3和摄像头1-1，连接导线2可通过在长杆5上设孔穿出，然后连接到激光器1-3和摄像头1-1。控制板3上设置三个按钮供用户操作：用于开关电源的按钮7、用于开关激光器1-3的按钮8和用于拍摄相片的按钮9；通过按钮7、按钮8和按钮9，分别经电路板控制电池4是否供电、激光器1-3的开关以及摄像头1-1的拍摄。电路板实现简单的开关控制电路即可，具体实现为现有技术。按钮7、按钮8和按钮9设在长杆5表面，为便于操作，可设于和角度仪6一致的安装方向上，即区域记录探头1在长杆5下侧朝向地面时，按钮7、按钮8和按钮9处于长杆5上侧。
具体实施时，区域记录探头1、角度仪6和长杆5可由不锈钢、铝合金或黑色尼龙加工而成。长杆5可由操作人手持使用，方便快捷。
具体实施时，调节装置1-5可采用电机实现，电机的电源由电池4提供，通过按钮7控制开关，控制板3的电路板经连接导线2分别连接激光器1-3和摄像头1-1、电机。通过电机控制伞形结构开合，实现自动界定。实施例提供的自动界定步骤如下：
（1）、安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接。
（2）、使长杆5水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节1-7调节地物光谱仪探头和长杆5之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何。
按照地物观测目标的不同，以及光学观测规范推荐的准则，调节地物光谱仪探头和手持长杆5之间角度为90度、110度、130度、150度或180度之一，例如对于植被目标，观测角度一般选择90度；对于水体目标，观测角度一般选择130度，并固定。
具体实施时，可根据太阳直射方向，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何，以尽量避免光谱仪观测视场受阴影影响，例如在进行水体测量时，需要考虑太阳平面与长杆5的夹角为45度或者135度以尽量避免水体表面的太阳直射反射光的影响。
（3）、开启按钮7，接通电源，驱动电机，使得伞形安装架1-4逐渐打开，然后通过按钮8，开启激光器1-3。
（4）、通过与地物光谱仪相连接的电脑启动地物光谱仪对视场中的光谱进行动态高密度探测，当地物光谱仪采集的光谱与所采用激光器1-3相同波长处不再出现变化时，则说明激光器标示范围刚好与光谱仪观测视场范围重合，此时关闭按钮7，切断电源，停止伞形安装架1-4伞状结构张开。
（5）、通过按钮9控制摄像头1-1拍摄一张相片，通过按钮8关闭激光器1-3，然后利用地物光谱仪采集一条光谱。
根据观测需求，可重复过程（2）-（5），多次采集同一地物目标的光谱，以确保观测的稳定性和代表性。
（6）、与地物光谱仪相连接的电脑读取地物光谱仪观测的光谱数据，并通过USB接口读取摄像头1-1内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相应相片，每张相片上红色光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
具体实施时，调节装置1-5也可采用调节螺母实现，调节螺母可设于伞形安装架1-4与安装管1-8连接处，通过手动调整调节螺母控制伞形结构开合，也可实现界定。为便于界定使用，可以预先进行标定。实施例提供的相应界定装置的使用方法分为标定过程和作业过程两部分。
标定过程包含步骤如下：
（1）、安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接；
（2）、使长杆5水平于地面，将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为某个待标定的角度。具体实施时，操作人可以手执使长杆5水平于地面，例如将长杆5横向置于地面上1米处，也可以采用机械控制夹持长杆5。
（3）、根据地物光谱仪光学探头的观测视场角，根据现有技术计算得到测量的视场范围，然后以光谱仪光学探头的投影中心点为圆心在地面确定观测范围。
（4）、旋转调节螺母，张开伞形安装架1-4，同时通过按钮8打开激光器1-3，使激光器1-3光斑所圈定的观测范围与步骤（3）中确定的光谱探头观测范围一致，并标定调节螺母的位置。
（5）、将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为新的待标定的角度，返回重复步骤（3）-（4），直到对各种角度执行（3）-（4）完成。
现有技术中，地物光谱仪光学探头的观测视场角一般可以调节为大于0度小于等于40度，具体实施时，本领域技术人员可以自行设定标定的角度，例如选择1度、2度、3度…40度。
（6）、得出各角度下相应调节螺母的位置作为标定结果，使得该装置能满足地物光谱仪光学探头的任意观测视场角的观测范围界定需求，标定结束。
作业过程与自动界定类似，但需采用预先标定的结果调整调节螺母，步骤如下：
（1）、安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架1-2，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔1-6穿出，和地物光谱仪相连接；
（2）、使长杆5水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节1-7调节地物光谱仪探头和长杆5之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何。
按照地物观测目标的不同，以及光学观测规范推荐的准则，调节地物光谱仪探头和手持长杆5之间角度为90度、110度、130度、150度或180度之一，例如对于植被目标，观测角度一般选择90度；对于水体目标，观测角度一般选择130度，并固定。
具体实施时，可根据太阳直射方向，参照角度仪6确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何，以尽量避免光谱仪观测视场受阴影影响，例如在进行水体测量时，需要考虑太阳平面与长杆5的夹角为45度或者135度以尽量避免水体表面的太阳直射反射光的影响。
（3）、基于（2）中确定的地物光谱仪光学探头的观测视场角，根据标定过程所得该角度的标定结果旋转调节螺母到相应位置。
（4）、通过按钮8，打开激光器1-3，通过按钮9控制摄像头1-1拍摄一张相片，通过按钮8关闭激光器1-3，然后利用地物光谱仪采集一条光谱。
根据观测需求，可重复过程（2）-（4），多次采集同一地物目标的光谱，以确保观测的稳定性和代表性。
（5）、读取地物光谱仪观测的光谱数据，通过USB接口读取摄像头1-1内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相片，每张相片上红色光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种地物光谱仪观测范围的界定装置，其特征在于：包括区域记录探头(1)、角度仪(6)和长杆(5)，所述区域记录探头(1)包括由摄像头(1-1)、地物光谱仪光学探头安装架(1-2)、激光器(1-3)、伞形安装架(1-4)、调节装置(1-5)、连接导线走线孔(1-6)、角度调节关节(1-7)和安装管(1-8)；
地物光谱仪光学探头安装架(1-2)位于安装管(1-8)的最下端的中心位置，安装管(1-8)上设置连接导线走线孔(1-6)，伞形安装架(1-4)以安装管(1-8)为中心设置，激光器(1-3)安装在伞形安装架(1-4)的下端，通过旋转调节装置(1-5)控制伞形安装架(1-4)的张开角度，摄像头(1-1)安装于安装管(1-8)的外侧；
摄像头(1-1)、激光器(1-3)和安装在地物光谱仪光学探头安装架(1-2)上的地物光谱仪光学探头的光学平面相互平行，并且摄像头(1-1)的摄影方向和地物光谱仪光学探头的测量方向，以及激光器(1-3)的发射方向一致；
角度调节关节(1-7)的尾端和长杆(5)通过螺栓连接，另一端与安装管(1-8)连接，角度仪(6)设置在长杆(5)上，当区域记录探头(1)在长杆(5)下侧朝向地面时，角度仪(6)处于长杆(5)上侧朝向天空。
2.根据权利要求1所述地物光谱仪观测范围的界定装置，其特征在于：设置有连接导线(2)、控制板(3)和电池(4)，将控制板(3)的电路板和电池(4)安装于长杆(5)内部，电池(4)连接电路板，控制板(3)的电路板经连接导线(2)分别连接激光器(1-3)和摄像头(1-1)，控制板(3)上设置用于开关电源的第一按钮(7)、用于开关激光器(1-3)的第二按钮(8)和用于拍摄相片的第三按钮(9)，第一按钮(7)、第二按钮(8)和第三按钮(9)设在长杆(5)表面，通过第一按钮(7)、第二按钮(8)和第三按钮(9)，分别经电路板控制电池(4)是否供电、激光器(1-3)的开关以及摄像头(1-1)的拍摄。
3.根据权利要求2所述地物光谱仪观测范围的界定装置，其特征在于：所述调节装置(1-5)采用电机，控制板(3)的电路板经连接导线(2)连接电机。
4.根据权利要求2所述地物光谱仪观测范围的界定装置，其特征在于：所述调节装置(1-5)采用调节螺母。
5.根据权利要求3所述地物光谱仪观测范围的界定装置实现的界定方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤101，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架(1-2)，地物光谱仪光学探头的尾部光纤从连接导线走线孔(1-6)穿出，和地物光谱仪相连接，地物光谱仪和电脑连接；
步骤102，使长杆(5)水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节(1-7)调节地物光谱仪探头和长杆(5)之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪(6)确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何；
步骤103，通过第一按钮(7)接通电源，驱动电机，使得伞形安装架(1-4)逐渐打开，然后通过第二按钮(8)开启激光器(1-3)；
步骤104，通过电脑启动地物光谱仪对视场中的光谱进行探测，当地物光谱仪采集的光谱与所采用激光器(1-3)相同波长处不再出现变化时，判断出激光器标示范围刚好与光谱仪观测视场范围重合，通过第一按钮(7)切断电源，停止伞形安装架(1-4)张开；
步骤105，通过第三按钮(9)控制摄像头(1-1)拍摄一张相片，通过第二按钮(8)关闭激光器(1-3，通过第一按钮(7)切断电源，然后利用地物光谱仪采集一条光谱；
步骤106，电脑读取地物光谱仪观测的光谱数据，并通过USB接口读取摄像头(1-1)内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相应相片，每张相片上激光光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
6.根据权利要求4所述地物光谱仪观测范围的界定装置实现的界定方法，其特征在于：包括标定过程和作业过程，
标定过程包含步骤如下，
步骤211，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架(1-2)，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔(1-6)穿出，和地物光谱仪相连接；
步骤212，使长杆(5)水平于地面，将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为某个待标定的角度；
步骤213，根据待标定的地物光谱仪光学探头的观测视场角，计算得到测量的视场范围，然后以光谱仪光学探头的投影中心点为圆心在地面确定观测范围；
步骤214，旋转调节螺母，张开伞形安装架(1-4)，同时通过第二按钮(8)打开激光器(1-3)，使激光器(1-3)的光斑所圈定的观测范围与步骤213中确定的观察范围一致，并标定调节螺母的位置；
步骤215，将地物光谱仪光学探头的观测视场角调整为新的待标定的角度，返回重复步骤213和214，直到对各种角度执行步骤213和214完成；
步骤216，得出各角度下相应调节螺母的位置作为标定结果；
作业过程包含步骤如下，
步骤221，安装地物光谱仪光学探头，包括将地物光谱仪光学探头安装到光谱仪光学探头安装架(1-2)，光学探头尾部光纤从连接导线走线孔(1-6)穿出，和地物光谱仪相连接；
步骤222，使长杆(5)水平于地面，根据地物观测目标，通过角度调节关节(1-7)调节地物光谱仪探头和长杆(5)之间角度并固定，调节地物光谱仪光学探头的观测视场角，参照角度仪(6)确定光谱仪光学探头与太阳平面的观测几何；
步骤223，基于步骤222中确定的地物光谱仪光学探头的观测视场角，根据标定过程所得该角度的标定结果旋转调节螺母到相应位置；
步骤224，通过第二按钮(8)打开激光器(1-3)，通过第三按钮(9)控制摄像头(1-1)拍摄一张相片，通过第二按钮(8)关闭激光器(1-3)，然后利用地物光谱仪采集一条光谱；
步骤225，读取地物光谱仪观测的光谱数据，通过USB接口读取摄像头(1-1)内部的相片，通过时间匹配光谱数据和相片，每张相片上激光光斑圈定的范围，就是对应所测光谱的几何观测范围。
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