CN103697945B - 遥感多角度地面观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感多角度地面观测装置，它包括驱动车、安装在驱动车上的通过第一电动机驱动的高低可调节的支架组件、安装在支架组件上的方位角旋转基座、安装在方位角旋转基座旋转端的弧形导轨和安装在弧形导轨上的仪器小车。所述支架组件的下部与三轮车基座相连；有一个横杆一端与支架组件中可滑动的主支撑杆相连，另一端与控制方位角的旋转基座相连，旋转基座下部实现弧形导轨方位角控制的旋转端与所述弧形导轨一端相连；所述弧形导轨上安装搭载多种仪器的小车平台。本发明可以解决对地物二向反射及多角度红外温度、发射率进行全方位多角度观测设备的快速获取数据、轻便宜携带无需现场组装和观测平台同时搭载多个传感器器技术问题。

Description

遥感多角度地面观测装置

技术领域

本发明涉及地理，遥感观测相关实验器材领域，具体来说，是涉及到对地物二向反射(BRDF)及多角度红外温度、发射率进行观测的实验装置，特别是一种多角度全自动观测装置。

背景技术

尽管定量遥感已经有了几十年的发展史，尤其是近年来升空的很多卫星，为遥感反演提供了大量的可用数据，但是可用的地面实测BRDF(二向反射分布函数)多角度数据却不多，不能满足反射率模型机理研究和植被结构参数反演的需要。有些多角度数据，由于没有在公开场合发表，因此实际可用的实测数据更是少之又少。早期的多角度观测完全由实验人员手持光谱仪进行，不仅操作繁琐，过程复杂，而且操作时间比较长，很难获得较为准确的实验数据。之后，陆续出现了一些观测设备，能够在一定程度上实现自动观测，减轻人员劳动强度。从目前已出现的多角度观测装置的规格尺寸上来看，可分为小型、中型何大型三类：小型设备的测量半径在1m以内，适合做小型地物的观测；中型在1～3m之间，可以满足中小型地物(如小麦，玉米，草等)的观测需要；大型则是在3m以上，可以观测树木冠层的BRDF，但往往大型设备比较笨重，不易携带。

BRDF的观测主要有两种观测方式，一种是常规方式：即入射光源和地面目标位置保持恒定，多角度观测架通过移动传感器来完成对半球空间相对完整观测。另一种是非常常规模式：即传感器位置不变，观测方向在半球空间变化，此种观测模式需要地物比较均一。

目前已有的观测平台如下：

1)美国JPL实验室研制的PARABOLA便携式地表及大气各向异性测量装置，此装置原理是传感器绕固定中心进行半球扫面，对于不同角度观测的不是地面相同区域，所以要求地面比较均一。

2)1994年瑞士苏黎世大学遥感实验室研制的FIGOS装置，采用360度圆形方位轨道，及半圆形的天顶弧架构，传感器在天顶弧上运动，天顶弧能绕圆形轨道转动，从而能够较快地进行自动测量，但是主平面方向的测量会受到天顶弧阴影的影响。且只能测量较为矮小的植被，测量高度也是固定的。

3)2006年加拿大莱斯布里奇大学开发了一款低成本的小型多角度观测平台ULGS，天顶轨道可在方位圆轨道上作360度旋转，同时天顶弧轨道上搭载有光谱仪，光谱仪可在天顶弧上-60°～60°范围内运动。该观测平台纯手动操作，且主要用于室内观测。

4)2007年比利时鲁汶大学演示了一款新的观测仪器CLabSpeG(CompactLaboratorySpectro-Goniometer),其主要针对直径为1.25m的半球球心样本进行观测，相比于莱斯布里奇大学设计的小型多角度观测平台，这套装置实现了自动采集数据和远程控制的功能。但获取整个半球的BRDF数据需要花费约两个半小时，无法适应野外观测(因太阳光照在两个半小时内会发生巨大变化)。

5)2008年中国科学院安徽光学紧密机械研究所设计了一款天顶弧和方位圆轨道均为2m的中兴多角度观测系统，由于采用了铝合金材料，使得整个仪器重量大为减轻，方便运输和携带。

6)2010年北京师范大学设计了一款便携式自动多角度观测装置MAOS(Multi-AngleObservationSystem)，该装置结构简单，由三脚架、控制高度的主杆和安装传感器的横杆组成，通过计算机软件控制能够实现自动观测。

对于多角度自动观测装置的研制重点是要解决以下几个问题：首先是多角度快速获取数据的问题，之前有众多大学或实验室研制出了不同类型的装置，如加拿大Lethbridge大学发明的多角度观测装置ULGS-2.5，北京农业智能设备装置技术研究中心设计的移动多角度观测平台，上述装置虽然能够进行全方位多角度观测，但是由于观测角度需要人工调节，花费时间较长，在此期间太阳高度角会发生明显变化，故观测数据不够精确。其次是便携问题，现有的观测装置几乎都不便携，体积过大，质量过重，甚至有的设备需要到现场进行组装，无法灵活应对各种天气状况。第三是观测平台载重问题，有的观测平台只能安置单一的传感器设备，无法同时搭载多个传感器。

因此需要设计一种便携，灵活稳定的新型多角度观测装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种遥感多角度地面观测装置，以解决对地物二向反射，多角度红外温度及发射率进行全方位多角度观测设备的快速获取数据、轻便宜携带无需现场组装和观测平台同时搭载多个传感器器技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种遥感多角度地面观测装置，它包括驱动车、安装在驱动车上的通过第一电动机驱动的高低可调节的支架组件、安装在支架组件上的方位角旋转基座、安装在方位角旋转基座旋转端的弧形导轨和安装在弧形导轨上的仪器小车；所述支架组件的下部与驱动车基座相连；有一个横杆一端与支架组件中可滑动的主支撑杆相连，另一端与控制方位角的旋转基座相连，旋转基座下部实现弧形导轨方位角控制的旋转端与所述弧形导轨一端相连，旋转基座的旋转轴通过皮带或齿轮传动装置与第二电动机连接；所述弧形导轨在圆弧上具有均匀的齿条，仪器小车通过齿轮与弧形导轨卡在一起，仪器小车的轮轴再通过链条与控制仪器小车在弧形导轨上滑动的步进电动机相连；所述弧形导轨上标有天顶角刻度；支架组件主要包括基座、主支撑杆及横杆部分；其中基座通过固定架与驱动车相连，主支撑杆通过销轴与基座连接，主支撑杆中部又通过电动推杆与基座连接；在基座侧面还通过万向节及支撑杆与主支撑杆相连；所述主支撑杆由两块竖直槽钢及槽钢中间的齿条和齿条固定块组成，齿条和齿条固定块胶合在一起，在槽钢中上部，安有一固定的齿轮，齿轮与两槽钢中间的齿条咬合在一起，齿轮通过第一电动机带动。

所述弧形导轨的半径和圆弧长度按观测角度的范围设定，仪器小车在弧形导轨上的运动步长为1°。

所述方位角旋转基座下方有一固定的观测仪器。

支架组件支架组件主要包括基座、主支撑杆及横杆部分；其中基座通过固定架与驱动车相连，主支撑杆通过销轴与基座连接，主支撑杆中部又通过电动推杆与基座连接；在基座侧面还通过万向节及支撑杆与主支撑杆相连；所述主支撑杆由两块竖直槽钢及槽钢中间的齿条和齿条固定块组成，齿条和齿条固定块胶合在一起，在槽钢中上部，安有一固定的齿轮，齿轮与两槽钢中间的齿条咬合在一起，齿轮通过电动机带动。

所述支撑杆上设有高度调节开关。

本发明具有如下优点：操作方便、易于携带、应用灵活、适应性强；通过主支撑杆高度的调节，可以观测不同高度的冠层，其观测范围达3,45米，既能保证低矮冠层测量的准确性，又能适应高观测植被的观测；仪器小车能够同时携带多种仪器，实现光谱、温度及图像数据的同时观测，增加数据一致性和准确性，提高观测效率；通过事先制定的观测任务，能够通过计算机软件自动控制仪器进行观测，可获取目标地物多方位角、多天顶角的数据，且任务编制灵活，能够在主平面加密测量点，而其他平面减少测量点；仪器小车在导轨上及导轨在方位角上运行快(导轨转动一周时间为1分19秒，小车从0°到90°时间为1分钟)而稳定，且小车能够同时在方位角和天顶角方向运行，能够快速完成观测任务；整个观测流程都能够实现自动化，大大节约了人力物力，提高实验效率和准确性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中的支架组件示意图；

图3是图1中的旋转基座、圆弧导轨和仪器小车部分示意图；

图4是是图1中仪器小车的示意图；

图5是实际观测的二项反射因子图；

图6是半球空间反射率因子分布图。

图中编号：1-三轮驱动车，2-支架组件，3-旋转基座，4-带刻度1/4圆弧导轨，5-仪器小车，6-电动推杆，7-支撑块，8-固定架，9-销轴，10-侧面支撑轴，11-万向节零件，12-压块，13-齿轮，14-行星齿轮箱，15-齿条，16-槽钢，17-齿条固定块，18-横杆，19-电动推杆，20-支撑板，21-测量仪器组件，22-支撑套筒，23-导轨齿轮，24-仪器小车上侧边夹板，25-带轮，26-齿轮，27-步进电动机。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

如图1-4所示，给出了本发明的一个具体实施案例。

图1是本发明的一个整体结构示意图，该观测装置主要包括：方便仪器移动运输的三轮驱动车1、可调节高度的支架组件2、旋转基座3、带刻度1/4圆弧4，能够携带多种观测设备的仪器小车5。

所述三轮驱动车1有安装支架组件的基座，支架组件能够完全倾斜放在车上，测量完毕后能够快速完成仪器整理；小车由柴油机作为动力，能够实现远距离运输仪器设备，方便快捷。

所述可调节高度的支架组件2的机械结构如图2所示，支架组件主要分为基座、主支撑杆及横杆部分。其中基座通过图中的固定架8与三轮驱动车相连，使得整个支架系统固定在车上，主支撑杆通过销轴9与基座连接，并且主支撑杆中部又通过电动推杆6与基座连接，这样只需调节电推杆的长度，就能够使支架系统前后倾斜，当电动推杆完全收拢时，支架系统就能够完全倾斜到车上。在基座侧面还通过万向节及支撑杆10与支架组件相连，防止支架系统左右摆动；所述主支撑杆由两块竖直槽钢(图2中16)，及槽钢中间的齿条(图2中15)和齿条固定块(图2中17)组成，齿条和齿条固定块胶合在一起，在槽钢中上部，安有一固定的齿轮(图2中13)，齿轮与两槽钢中间的齿条咬合在一起，齿轮通过第一电动机带动，则能够使齿条及齿条固定块(合称为主支撑杆)在槽钢中间上下移动，即实现了高度的调节。

图2中的横杆一端固定在主支撑杆上，并通过电动推杆也与主支撑杆相连，这样当主支撑杆在槽钢中上下滑动时，横杆也跟着上下滑动。

图2中的横杆另一端则通过旋转基座与圆弧轨道(图3)相连。旋转基座如图3中的20-22所示，上端通过支撑套筒22与横杆相连，下端与圆弧轨道连接。圆弧轨道固定在套筒的轴上，而轴通过第二电动机链条带动，实现圆弧轨道在方位角上的转动。在旋转基座的正下方还有一个固定的测量仪器组件21，其观测方向为正下方。图3中的圆弧轨道由一整块钢条弯曲压制而成，做成半径为1.7米的1/4圆弧(图3中4)，并在圆弧内测压制了一层齿条(图3中23)。

图4所示为导轨上仪器小车，通过夹板(图4中24)固定在导轨上，小车内部的齿轮(图3中26)与导轨上的齿条咬合，齿轮通过轴与带轮25连接，带轮25由电动机27通过链条带动，这样齿轮26就能够在齿条上滚动，带动仪器小车在圆弧轨道上移动，即实现高度角方向的移动。此处所使用的电动机是防丢步步进电动机，即若在实验中小车被卡在轨道上，通过人工处理后实验能够继续进行。

通过本发明所涉及到的各个部件，能够带来以下好处：

1、支架组件高度可调节，能够适应不同的植被冠层。

2、圆弧轨道上的仪器小车能够携带多种仪器设备，实现辐射、温度及图像数据的同时获取，保证了实验数据的一致性。

3、全自动观测，无需手动操作。本装置通过自己开发的计算机软件，建立观测任务，设定观测时间，就能够实现自动观测，自动记录数据。并且，在软件界面上能够实时显示观测到的数据和图像，使得实验人员能够在观测过程中监督观测结果是否合理。

4、圆弧轨道转动速度和仪器小车滑动的速度较快，能够在较短时间内完成观测任务，并且圆弧轨道方位角上的转动和仪器小车高度角上的滑动时可以同时进行的，进一步加快了观测速度。

5、整个装置操作方便、易于携带、应用灵活、适应性强。实验后无需拆除所有部件，只需将支架系统完全倾斜放在车上即可。也能方便下次实验的快速开始。

使用本发明进行观测的步骤如下：

6、仪器准备。将实验三轮车开到制定地点，接通电源，通过车上的开关控制电动推杆，使支架组件成竖直状态，在旋转基座下方固定仪器安装位置及仪器小车上安装所需的测量仪器，根据测量植被冠层的高度调节支架的高度。

7、在控制软件上新建观测任务，设定观测平面，关键角度间隔等参数，点击开始观测，整个装置启动并开始自动观测，整个过程无需值守。

8、观测完毕后，检查并保存数据，卸载仪器设备，将支架组件倾斜到车上，切断电源，观测完毕。

观测结果：使用本系统，在控制软件中设定好观测任务后，能够得到目标植被的双向反射率因子，结果如图5所示，图中横坐标是观测天顶角，纵坐标是地物在太阳主平面上不同波段的反射率因子(BRF)。再通过不同观测不同平面不同天顶角的反射率因子后，能够通过核驱动模型计算出半球空间的反射率因子分布，如图6。

Claims (5)

1.一种遥感多角度地面观测装置，其特征在于，它包括驱动车、安装在驱动车上的通过第一电动机驱动的高低可调节的支架组件、安装在支架组件上的方位角旋转基座、安装在方位角旋转基座旋转端的弧形导轨和安装在弧形导轨上的仪器小车；所述支架组件的下部与驱动车基座相连；有一个横杆一端与支架组件中可滑动的主支撑杆相连，另一端与控制方位角的旋转基座相连，旋转基座下部实现弧形导轨方位角控制的旋转端与所述弧形导轨一端相连，旋转基座的旋转轴通过皮带或齿轮传动装置与第二电动机连接；所述弧形导轨在圆弧上具有均匀的齿条，仪器小车通过齿轮与弧形导轨卡在一起，仪器小车的轮轴再通过链条与控制仪器小车在弧形导轨上滑动的步进电动机相连；所述弧形导轨上标有天顶角刻度；支架组件主要包括基座、主支撑杆及横杆部分；其中基座通过固定架与驱动车相连，主支撑杆通过销轴与基座连接，主支撑杆中部又通过电动推杆与基座连接；在基座侧面还通过万向节及支撑杆与主支撑杆相连；所述主支撑杆由两块竖直槽钢及槽钢中间的齿条和齿条固定块组成，齿条和齿条固定块胶合在一起，在槽钢中上部，安有一固定的齿轮，齿轮与两槽钢中间的齿条咬合在一起，齿轮通过第一电动机带动。

2.根据权利要求1所述的一种遥感多角度地面观测装置，其特征在于，所述弧形导轨的半径和圆弧长度按观测角度的范围设定，仪器小车在弧形导轨上的运动步长为1°。

3.根据权利要求1所述的一种遥感多角度地面观测装置，其特征在于，所述方位角旋转基座下方有一固定的观测仪器。

4.根据权利要求1所述的一种遥感多角度地面观测装置，其特征在于，所述支撑杆上设有高度调节开关。

5.根据权利要求1所述的一种遥感多角度地面观测装置，其特征在于，所述仪器小车上安装有遥感探头、激光指示器和摄像头。