CN104155007B - 一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置 - Google Patents

Abstract

一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，由全自动样本旋转平台，地表离地红外辐射亮度测量装置以及地表精细发射率谱反演模块三部分组成。全自动样本旋转平台通过搭载在可移动式桌面上的电动旋转台实现快速旋转，可以远程控制旋转平台按设定的旋转角度和步速自动快速的在样本和金板之间进行旋转切换；地表离地红外辐射亮度测量装置主要由傅立叶变换红外波谱仪进行观测，装置配合全自动样本旋转平台采集并存储3‑16微米波长范围内样本和金板的离地辐射亮度数据；将测量到的离地红外辐射亮度数据输入到构建的地表精细发射率谱反演模块中，获得样本在3‑16微米波长范围内的发射率谱线。

Description

一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置

技术领域

本发明涉及一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，可实现自动采集和存储不同观测角度条件下样本的红外离地辐射亮度谱，经计算得到不同观测角度所对应的红外波谱区样本的精细发射率谱线，可以在地表温度和发射率遥感反演与验证等领域发挥重要作用。

背景技术

地表发射率定义为地表向外发射的热辐射与同温度下黑体向外发射热辐射的比值。它与地表组成成分，地表粗糙度，波长以及土壤湿度等因素有关。地表发射率是热红外遥感反演中的一个关键特征参数，与地表温度有着同等重要的作用。它是气候模型研究中的一个重要输入参数，能够有效地预测地表向大气传输的辐射能量，是地球表层系统过程中一个非常重要的特征物理量，被广泛应用于陆面过程研究、能量平衡研究、气候模式、短期以及中长期天气预报等研究领域。

由红外辐射传输方程可知，地表发射率与地表温度和大气参数总是耦合在一起，即使在地面上也不能用仪器直接测量出地表发射率。因为红外仪器测量到的地表离地红外辐射亮度不仅包含地表的发射辐射，还包含地表反射大气的下行辐射。而且，在中红外波谱区还包括白天中太阳直射辐射的贡献以及大气向下散射太阳辐射的贡献。故要想从地面波谱仪测量数据中得到地物的发射率曲线，首先要去除大气的影响(中红外波谱区还要去除太阳辐射贡献的影响)，其次要进行地表温度和发射率的分离。

在去除大气影响方面，可以借助于一些外部条件，如金板等。因为金板的发射率是已知的，只要在测量时获得金板的温度，就可以结合测量的金板的红外辐射亮度谱数据，根据红外辐射传输方程，计算得到相应的大气参数。在温度和发射率分离方面，由普朗克方程可知，某个通道接收到辐射能是温度和发射率的函数，N个通道观测到的辐射亮度，总有N+1个未知数(N个发射率和1个温度)，温度和发射率始终耦合在一起，导致了温度和发射率的反演始终是一个欠定问题。因此，如何从红外仪器测量的辐射亮度数据中分离地表温度和发射率，从而获得地表发射率谱，这是本发明的主要出发点之一。

众所周知，热辐射是有方向性的，特别是对于非同温非同质的混合像元，热辐射的方向性效应更为明显。有研究指出天顶方向的亮温和斜视方向的亮温可能会相差5度，特别在植被冠层温度和裸土表面温度相差大的地区，这种方向性尤其明显。此外，对于同温同质的地物，也存在热辐射的方向性问题。有实验表明这种热辐射方向性主要是由发射率的方向性所导致。因此，可以说目前利用卫星遥感数据反演的地表温度和发射率都代表的是某个观测方向上的测量值。由于不同卫星传感器具有不同的观测角度，所以利用不同卫星数据反演的地表温度和发射率不具有可比性，限制了地表温度和发射率的应用。故此，开展不同方向性地表发射率的测量试验，获取不同观测角度条件下地物的发射率曲线，对于地表温度和发射率的反演与验证、热红外的辐射传输机理以及各种陆面与水文过程模型而言具有非常重要的意义。

然而，在热红外多角度测量中，当观测角度发生变化时，红外仪器观测到的地物也随之发生变化，导致了红外观测数据的非一致性，严重限制了红外遥感的辐射传输机理研究。如何设置一种设备，在观测角度发生变化的情况下，红外仪器测量的仍然是同一地物，这也是本发明的主要出发点之一。

目前尚未有相关文献报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服了热红外多角度地面测量时仪器镜头对准的是非同一地物问题，实现了不同观测角度条件下红外仪器测量数据的一致性和准确性；解决了红外测量数据中地表温度、地表发射率以及大气参数相互耦合问题，实现了红外测量数据中地表精细发射率谱的全自动提取；提供了一种可远程控制、集数据采集、存储、计算于一体的全自动地表发射率谱测量系统，减少了人为等外部因素对热红外辐射测量的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，包括：全自动样本旋转平台、地表离地红外辐射亮度测量装置、地表精细发射率谱反演模块；其中：

所述全自动样本旋转平台装置：负责对样本进行不同角度的旋转，由可移动式的桌面平台、电动旋转台、夹持工具和样本铝盘组成。其中电动旋转台安装在桌面平台上，由两个电机控制，通过无线模块远程操作。夹持工具将样本铝盘夹持在旋转平台内，铝盘内两端可分别放置样本和金板，通过旋转平台的旋转来实现对样本和金板的自动快速旋转；

所述地表离地红外辐射亮度测量装置：负责采集和存储样本和金板的离地红外辐射亮度数据。主要由三脚架、便携式傅立叶变换红外波谱仪以及金板组成。利用红外波谱仪分别对样本和金板进行观测，采集和存储样本以及金板在3-16微米(热红外5-16微米和中红外3-5微米)的离地红外辐射亮度数据；

所述地表精细发射率谱反演模块：由热红外发射率谱反演和中红外发射率谱反演两部分组成；负责反演得到样本的精细发射率谱，分别针对热红外(5-16微米)和中红外(3-5微米)实现了不同的反演算法；对于热红外波谱区测量数据，首先对金板的测量数据进行计算，获得大气下行辐射谱数据，然后代入到样本测量数据中，再利用地表温度和发射率分离的分段线性法来反演得到样本的发射率波谱；对于中红外波谱区测量数据，利用对金板的测量数据，计算得到地面上中红外波谱区大气自身的下行辐射谱和大气向下散射的太阳辐射谱，然后结合热红外波谱区反演的地表温度(T_s)，即可根据中红外辐射传输方程，计算得到中红外波谱区样本的发射率波谱，具体过程如下：

(1)对于热红外波谱区，在局地热平衡的晴空大气条件下，仪器在地面上观测到样本的热红外辐射亮度为：

式中，θ和分别代表观测方向的天顶角和方位角，表示为在观测天顶角为θ，观测方位角为的条件下所观测到波长λ处样本的红外辐射亮度，ε_λ为观测天顶角为θ，观测方位角为的条件下波长λ处样本的发射率，B_λ为波长λ处的普朗克函数，T_s为样本的表面温度，为波长λ处大气向下半球的热红外辐射亮度。

1)大气下行辐射亮度估算：

首先利用地表离地红外辐射亮度测量装置测量得到金板的离地辐射亮度谱，然后利用接触式点温仪测量得到金板的表面温度再结合已知的金板发射率谱，即可根据方程式(1)计算得到大气下行辐射亮度谱：

式中，为观测到波长λ处金板的红外辐射亮度，为波长λ处金板的发射率。

2)地表温度和发射率分离：

①温度初值估算：根据地表离地红外辐射亮度测量装置测量得到的地表离地红外辐射亮度谱数据，设B_λ(T)＝R_λ，则可根据普朗克方程计算出红外辐射亮度谱中最大值所对应波长λ_e处时的辐射温度

$T_{{\mathrm{\λ}}_e}=\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_e\ln [\frac{C_1}{R_{{\mathrm{\λ}}_e}{\mathrm{\λ}}_e^5}+1]}---\left(3\right)$

式中，C₁为第一辐射常数，等于1.191×10⁸W·(μm)⁴/(Sr·m²)，C₂为第二辐射常数，等于1.439×10⁴μm·K。该温度可以作为后面地表温度和发射率分离算法中输入的初始温度。

②假设地表发射率谱曲线可以用一个分段线性函数来表示，将整个发射率谱分为M段，其中第k段有m_k个通道，则：

式中，系数a_k和b_k分别为对应第k段线性拟合函数的斜率和截距。如果整个发射率谱段的通道数为N，那么要求每一段的通道数目必须为m_k≥3，即M≤N/3，否则只使用两个通道拟合直线没有任何意义。为了使程序控制方便，可以将每一段中通道数目设为一致。

将方程式(4)代入方程式(1)，可得：

考虑一个有m个通道的分段区间，将方程式(5)写成矩阵形式为：

$R=B\left(T\right)\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中， $B\left(T\right)=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_1[B_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T\right)-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_1}}^{\↓}]& B_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T\right)-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_1}}^{\↓}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ {\mathrm{\λ}}_m[B_{{\mathrm{\λ}}_m}\left(T\right)-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_m}}^{\↓}]& B_{{\mathrm{\λ}}_m}\left(T\right)-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_m}}^{\↓}\end{array}\right],R=\left[\begin{array}{c}{R}_{{\mathrm{\λ}}_1}-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_1}}^{\↓}\\ \·\·\·\\ R_{{\mathrm{\λ}}_m}-R_{{\mathrm{at}}_{{\mathrm{\λ}}_m}}^{\↓}\end{array}\right].$ 为了书写方便，方程式中省略了观测天顶角和方位角的符号θ和

③将方程式(2)计算的大气下行辐射亮度谱方程式(3)计算的初始温度以及地表离地红外辐射亮度测量装置测量到的辐射亮度R_λ代入方程式(6)，即可利用最小二乘法拟合得到系数a，b值，进而根据拟合系数得到整个发射率谱。

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]={\left(B{\left(T_{{\mathrm{\λ}}_e}\right)}^{T}B\left(T_{{\mathrm{\λ}}_e}\right)\right)}^{-1}B{\left(T_{{\mathrm{\λ}}_e}\right)}^{T}R---\left(7\right)$

④定义代价函数E为估算的地表离地辐射亮度与实际测量的辐射亮度差值的平方和，即：

因此，估算的温度和发射率越接近真值，则E越小。

⑤当得到了某一温度下的发射率估值谱之后，将该温度以及相应的发射率谱代入方程式(8)，并利用代价函数的值得到温度估值的改变量：

$\mathrm{\δ}{\hat{T}}_k=-\frac{\frac{\mathrm{dE}(\hat{T}={\hat{T}}_k)}{d\hat{T}}}{\frac{d^{2}E(\hat{T}={\hat{T}}_k)}{d{\hat{T}}^2}}---\left(9\right)$

进而得到改进后的温度：

${\hat{T}}_{k+1}={\hat{T}}_k+\mathrm{\δ}{\hat{T}}_k---\left(10\right)$

利用前后两次的代价函数数值和温度改变量，判断迭代过程是否收敛。判断标准可以利用代价函数数值是否越来越小、收敛的方向(代价函数的一阶导数)是否出现振荡以及温度改变量是否逐渐趋近于0等；

⑥如果迭代过程收敛，重复③-⑤步，直至温度改变量小于一个阈值，即可得到最终的反演温度T_s值；

⑦如果迭代过程不收敛，设置一个大小合适的温度区间，尽量使真实温度处于区间中。在该区间内利用黄金分割算法找到代价函数最小值对应的温度；

⑧如果寻找到的温度落在了区间的端点上，扩大温度区间范围，重复第⑦步。否则，寻找到的温度就为最终的反演温度T_s；

⑨利用最终反演的地表温度T_s、大气下行辐射亮度谱以及观测的地表离地红外辐射亮度谱R_λ，根据方程式(1)，即可反演得到整个热红外波谱区间样本的发射率波谱为：

(2)中红外发射率谱反演为：对于中红外波谱区，由于白天太阳辐射的贡献很大，故方程式(1)中必须要考虑太阳的辐射贡献，因此在白天，观测到的中红外波谱区地表辐射亮度应该是：

式中，θ_s和分别为太阳的天顶角和方位角，为大气对太阳辐射能的散射所产生的向下辐射亮度，为波长λ处样本表面的双向反射率，代表在太阳天顶角为θ_s、方位角为的情况下到达地面上波长λ处的太阳直射辐射能，其他项与方程式(1)中的相同；

1)中红外波谱区大气参数的估算：

为了消除方程式(12)中很难获取的太阳直射辐射能，实际测量金板和样本时，需利用遮挡物如伞等遮住太阳直射辐射，于是方程式(12)就变为：

这样，就可与热红外波谱区计算大气下行辐射项类似，即利用金板测量值，计算出中红外波谱区大气下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和：

2)中红外波谱区样本的发射率谱计算：

结合热红外波谱区反演的样本表面温度T_s和中红外波谱区的大气下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和根据方程式(13)，即可计算出中红外波谱区样本的发射率谱为：

所述电动旋转台搭载在离地40厘米的可移动式桌面平台上，桌面平台由四个支撑柱支撑离地，桌面与地面平行，支撑柱底部安装有滚轮，使桌面平台以及电动旋转台可方便的在地面上移动。

所述电动旋转台为直径30厘米的圆形样本台，样本台水平时离地高度为60厘米，样本台上可夹持直径27厘米、深度2厘米的圆形铝制容器盛装样品。

所述电动旋转台由两个电机控制，带动旋转台上的样本容器按照设定的旋转角度和步速进行旋转，范围可达水平方向360°旋转和垂直方向360°翻转，且重复定位精度优于0.005°。

所述全自动样本旋转平台由笔记本电脑远程模式控制，无线数字模块传输，距离可达30米(不穿墙)，由可以进行友好交互的软件来设定电动旋转台旋转的角度和步速。

所述地表离地红外辐射亮度测量装置利用102F便携式傅立叶变换红外波谱仪测量样本和金板的红外辐射亮度，102F波谱仪架设在专用三脚架上，102F旋转镜置于全自动样本旋转平台上空，镜头竖直向下正对样本(或金板)中心，测量距离应小于50厘米，以保证样本旋转时镜头仍然对准样本(或金板)中心。

所述地表离地红外辐射亮度测量装置由电源、蓄电池或汽车点烟器供电，可由笔记本电脑远程控制数据的采集和存储，方便在室外操作。

所述地表精细发射率谱反演模块由热红外发射率谱反演和中红外发射率谱反演两部分组成。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够在改变不同观测角度的条件下，保证仪器镜头始终对准样本的中心，解决了热红外多角度测量时观测地物的非一致性问题；

(2)本发明能够快速地在样本和金板之间进行旋转切换，以获取实时的大气下行辐射数据，有效去除大气参数对地表发射率谱反演精度的影响；

(3)本发明集数据采集、存储、计算于一体化，能够全自动、实时地获取红外地表精细发射率谱；

(4)本发明轻便、便携，可移动，不仅适合实验室内操作，也适合于野外测量；

(5)本发明不需外部电力供应，利用无线模块进行操作控制，减少了人为等外部因素对热红外辐射测量的影响。

附图说明

图1是本发明的组成结构框图；

图2是本发明中全自动样本旋转平台设计图；

图3是本发明中地表离地红外辐射亮度测量装置设计图；

附图中：1.支撑柱，2.桌面平台，3.滚轮，4.电动旋转台，5.圆形铝盘，6.蓄电池，7.无线模块，8.样本，9.金板，10.便携式傅立叶变换红外波谱仪，11.三脚架，12.波谱仪目镜，13.波谱仪旋转器。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：

(1)如图2所示的全自动样本旋转平台：通过四个支撑柱1支撑桌面平台2离地一定高度，支撑柱1下方设计有滚轮3使桌面平台2在地面水平移动；电动旋转台4搭载在桌面平台2上，利用夹持工具将圆形铝盘5夹持在电动旋转台4内，圆形铝盘5内两端分别放置样本8和金板9，电动旋转台4配备蓄电池6，可在室外供电，并安装有无线模块7，利用笔记本电脑进行远程控制，所述全自动样本旋转平台属于硬件模块，主要提供样本8和金板9的旋转动力；

(2)如图3所示的地表离地红外辐射亮度测量装置：由三脚架11支撑，在三脚架11上固定便携式傅立叶变换红外波谱仪10，旋转波谱仪旋转器13正对样本8或金板9，通过波谱仪目镜12观察待测量样本8，保证待测量样本8充满视场，所述装置属于硬件模块，主要负责样本8和金板9离地红外辐射亮度数据的采集和存储；

(3)地表精细发射率谱反演模块：利用地表离地辐射亮度测量装置采集得到的样本8和金板9离地红外辐射亮度数据，分别根据热红外和中红外辐射传输方程，结合地表温度和发射率分离算法，反演得到地表精细发射率谱，所述模块属于软件模块，主要负责地表精细发射率谱的反演；

利用多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置获得地表精细发射率谱的具体过程如下：

1)安装装置：安装全自动样本旋转平台和地表离地红外辐射亮度测量装置，将全自动样本旋转平台滚轮3固定，避免测量过程中滑动，利用夹持工具将圆形铝盘5固定在电动旋转台4上，将待测样本8和金板9分别放置在圆形铝盘5的两端；调节三脚架11的水平和高度，保证便携式傅立叶变换波谱仪10的镜头和样本8之间的测量距离小于50厘米，将地表离地红外辐射亮度测量装置中的便携式傅立叶变换热红外波谱仪10固定在三脚架11上，机箱与地表平行，便携式傅立叶变换波谱仪10的镜头垂直向下，旋进旋出便携式傅立叶变换波谱仪10的镜头使得镜头正对样本8中心或金板9中心，在室外测量时为了去除太阳直射辐射的影响，一般用遮阳物如伞等遮住便携式傅立叶变换波谱仪10，以便便携式傅立叶变换波谱仪10对样本8和金板9测量的离地红外辐射亮度数据中不包含太阳直射辐射的贡献；

2)设置实验参数：打开全自动样本旋转平台和地表离地红外辐射亮度测量装置的电源开关，分别连接远程控制电脑，设置全自动样本旋转平台的旋转角度和步速；打开地表离地红外辐射亮度测量装置的处理软件，首先设置采样次数为100次并进行采集，以达到预热便携式傅立叶变换红外波谱仪10的目的，之后设置装置的测量内容为发射率，并设置采样次数、分辨率、空值填充方法、冷黑体温度和热黑体温度等测量参数；

3)冷热黑体定标：将地表离地红外辐射亮度测量装置的便携式傅立叶变换红外波谱仪10镜头朝向天顶方向，在镜头上安装好便携式傅立叶变换红外波谱仪10配置的黑体源，进行黑体定标。首先打开黑体定标菜单，点击设置冷黑体，待黑体冷却到设置的冷黑体温度附近并稳定时，黑体上的指示灯由绿变暗，进行冷黑体辐射数据采集并保存冷黑体文件，之后点击设置热黑体，待黑体升温到设置的热黑体温度附近并稳定时，黑体上的指示灯由红变暗，进行热黑体辐射数据采集并保存热黑体文件，采样结束后关闭黑体和黑体定标菜单；

4)样本8离地红外辐射亮度和大气参数测量：旋转波谱仪旋转器13使便携式傅立叶变换红外波谱仪10的镜头垂直向下对准样本8，并开启电动旋转台4，点击便携式傅立叶变换红外波谱仪10的数据获取菜单，开始采集样本8的红外辐射亮度数据，采集完后保存辐射数据文件，点击全自动样本旋转平台的前进菜单，使电动旋转台4水平旋转180°以便金板9旋转至便携式傅立叶变换红外波谱仪10镜头下方，点击大气下行辐射数据获取菜单，便携式傅立叶变换红外波谱仪10开始对金板9进行测量，获取金板9的红外辐射亮度数据，输入用点温仪测量的金板9温度和已知金板9的发射率，即可分别根据方程式(2)和方程式(14)计算得到该观测角度条件下热红外波谱区的大气下行辐射谱数据以及中红外波谱区大气自身下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和可使电动旋转台4以一定的步长翻转一定的观测天顶角，重复以上步骤以得到不同角度条件下样本8的离地辐射亮度谱数据和大气参数辐射谱数据；

5)地表精细发射率谱反演：利用本发明的地表精细发射率谱反演模块实现。在获取了样本8的红外辐射亮度谱数据和大气参数辐射谱数据的情况下，在热红外波谱区(5-16微米)，首先可以根据方程式(3)计算出红外辐射亮度谱数据中最大值所对应的辐射温度作为初始温度，然后将整个热红外波谱范围的发射率划分为100个分段区间，并将每个分段区间的发射率用一个线性函数来表示，如方程式(4)所示。将初始温度值和发射率的线性函数代入方程式(5)，采用最小二乘法分别拟合得到每个分段区间的线性拟合系数a_k和b_k，进而根据拟合系数得到整个发射率谱。

将估算的发射率谱数据和初始温度值代入到方程式(1)中计算得到样本的红外辐射亮度谱数据。结合方程式(8)定义的代价函数计算样本8离地红外辐射亮度测量值与估算值之差的平方和，并根据方程式(9)计算得到温度估值的改变量；

对以上过程进行迭代计算，直至温度改变量小于一个设定的阈值，即可得到改进后的温度即为最终的反演温度T_s；

如果迭代过程不收敛，则使用黄金分割模块，设置一个大小合适的温度区间，尽量使真实温度处于区间中。在该区间内利用黄金分割算法找到该区间内代价函数最小值，并记录下所对应的温度为最终反演的样本8表面温度T_s；

利用最终反演的样本8表面温度以及测量的样本8离地红外辐射亮度谱数据，即可根据方程式(11)计算得到热红外波谱区样本8的发射率谱。

对于中红外波谱区(3-5微米)，可以结合利用金板9测量数据计算的中红外波谱区大气自身下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和热红外波谱区反演的样本8表面温度T_s以及测量的中红外波谱区样本8的辐射亮度谱数据，即可根据方程式(15)反演出整个中红外波谱区样本8的发射率谱。

测量人员可通过笔记本电脑远程操控电动旋转台4，使之按预定的角度旋转，使得便携式傅立叶变换红外波谱仪10能够在样本8和金板9之间进行快速地测量。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：包括全自动样本旋转平台、地表离地红外辐射亮度测量装置、地表精细发射率谱反演模块；其中：

所述全自动样本旋转平台装置：负责对样本进行不同角度的旋转，它包括可移动式的桌面平台、电动旋转台、夹持工具和样本铝盘；其中电动旋转台安装在桌面平台上，由两个电机控制，通过无线模块远程操作；夹持工具将样本铝盘夹持在电动旋转台内，样本铝盘内两端分别放置样本和金板，通过电动旋转台的旋转来实现对样本和金板的自动快速旋转；

所述地表离地红外辐射亮度测量装置：负责采集和存储样本和金板的离地红外辐射亮度数据，利用红外波谱仪分别对样本和金板进行观测，采集和存储样本以及金板在5-16微米波长的热红外和3-5微米波长的中红外离地红外辐射亮度数据；

所述地表精细发射率谱反演模块：由热红外发射率谱反演和中红外发射率谱反演两部分组成；负责反演得到样本的精细发射率谱，分别针对热红外和中红外实现了不同的反演算法；对于热红外波谱区测量数据，首先对金板的测量数据进行计算，获得大气下行辐射谱数据，然后代入到样本测量数据中，再利用地表温度和发射率分离的分段线性法来反演得到样本的发射率波谱；对于中红外波谱区测量数据，利用对金板的测量数据，计算得到地面上中红外波谱区大气自身的下行辐射谱和大气向下散射的太阳辐射谱，然后结合热红外波谱区反演的样本的表面温度，即可根据中红外辐射传输方程，计算得到中红外波谱区样本的发射率波谱，具体过程如下：

(1)热红外发射率谱反演的实现为：对于热红外波谱区，在局地热平衡的晴空大气条件下，在地面上观测到样本的热红外辐射亮度为：

式中，θ和分别代表观测方向的天顶角和方位角，表示为在观测天顶角为θ，观测方位角为的条件下所观测到波长λ处样本的红外辐射亮度，ε_λ为观测天顶角为θ，观测方位角为的条件下波长λ处样本的发射率，B_λ为波长λ处的普朗克函数，T_s为样本的表面温度，为波长λ处大气向下辐射的热红外辐射亮度；

1)大气下行辐射亮度估算：

首先利用地表离地红外辐射亮度测量装置测量得到金板的离地辐射亮度谱，然后利用接触式点温仪测量得到金板的表面温度再结合已知的金板发射率谱，根据方程式(1)计算得到大气下行辐射亮度谱：

式中，为观测到波长λ处金板的红外辐射亮度，为波长λ处金板的发射率；

2)地表温度和发射率分离：

①温度初值估算：根据测量得到的地表离地红外辐射亮度谱数据，设B_λ(T)＝R_λ，则根据普朗克方程计算出红外辐射亮度谱中最大值所对应波长λ_e处时的辐射温度

式中，C₁为第一辐射常数，等于1.191×10⁸W·(μm)⁴/(Sr·m²)，C₂为第二辐射常数，等于1.439×10⁴μm·K，该温度作为后面地表温度和发射率分离算法中输入的初始温度；

②假设地表发射率谱曲线用一个分段线性函数来表示，将整个发射率谱分为M段，其中第k段有m_k个通道，则：

式中，系数a_k和b_k分别为对应第k段线性拟合函数的斜率和截距；如果整个发射率谱段的通道数为N，那么要求每一段的通道数目必须为m_k≥3，即M≤N/3；

将方程式(4)代入方程式(1)，得：

考虑一个有m个通道的分段区间，将方程式(5)写成矩阵形式为：

式中，为了书写方便，方程式中省略了观测天顶角和方位角的符号θ和

③将方程式(2)计算的大气下行辐射亮度谱方程式(3)计算的初始温度以 及地表离地红外辐射亮度测量装置测量到的辐射亮度R_λ代入方程式(6)，即可利用最小二乘法拟合得到系数a，b值，进而根据拟合系数恢复整个发射率谱：

④定义代价函数E为估算的地表离地辐射亮度与实际测量的辐射亮度差值的平方和，即：

⑤当得到了某一温度下的发射率估值谱之后，将该温度以及相应的发射率谱代入方程式(8)，并利用代价函数的值得到温度估值的改变量：

进而得到改进后的温度：

利用前后两次的代价函数数值和温度改变量，判断迭代过程是否收敛；

⑥如果迭代过程收敛，重复③-⑤步，直至温度改变量小于一个设定的阈值，即得到最终的反演温度T_s值；

⑦如果迭代过程不收敛，设置一个大小合适的温度区间，尽量使真实温度处于区间中，在该区间内利用黄金分割算法找到代价函数最小值对应的温度；

⑧如果寻找到的温度落在了区间的端点上，扩大温度区间范围，重复第⑦步，否则，寻找到的温度就为最终的反演温度T_s；

⑨利用最终反演的地表温度T_s、大气下行辐射亮度谱以及观测的地表离地红外辐射亮度谱R_λ，根据方程式(1)，即可反演得到整个热红外波谱区间样本的发射率波谱为：

(2)中红外发射率谱反演为：对于中红外波谱区，由于白天太阳辐射的贡献很大，故方程式(1)中必须要考虑太阳的辐射贡献，因此在白天，观测到的中红外波谱区地表辐射 亮度应该是：

式中，θ_s和分别为太阳的天顶角和方位角，为大气对太阳辐射能的散射所产生的向下辐射亮度，为波长λ处样本表面的双向反射率，代表在太阳天顶角为θ_s、方位角为的情况下到达地面上波长λ处的太阳直射辐射能，其他项与方程式(1)中的相同；

1)中红外波谱区大气参数的估算：

为了消除方程式(12)中很难获取的太阳直射辐射能，实际测量金板和样本时，需利用太阳伞遮住太阳直射辐射，于是方程式(12)就变为：

这样，就可与热红外波谱区计算大气下行辐射项类似，即利用金板测量值，计算出中红外波谱区大气下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和：

2)中红外波谱区样本的发射率谱计算：

结合热红外波谱区反演的样本表面温度T_s和中红外波谱区的大气下行辐射和大气向下散射的太阳辐射之和根据方程式(13)，即可计算出中红外波谱区样本的发射率谱为：

2.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述电动旋转台搭载在离地40厘米的可移动式桌面平台上，桌面平台由四个支撑柱支撑离地，桌面与地面平行，支撑柱底部安装有滚轮，使桌面平台以及电动旋转台可方便的在地面上移动。

3.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述电动旋转台为直径30厘米的圆形样本台，圆形样本台水平时离地高度为60厘米，圆形样本台上能够夹持直径为27厘米、深度为2厘米的圆形铝制容器来盛装样本。

4.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述电动旋转台由两个电机控制，带动旋转台上的样本容器按照设定的旋转角度和步速进行 旋转，范围可达水平方向360°旋转和垂直方向360°翻转，且重复定位精度优于0.005°。

5.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述全自动样本旋转平台由笔记本电脑远程模式控制，无线数字模块传输，在中间无障碍物情况下传输距离可达30米，由可以进行友好交互的软件来设定电动旋转台旋转的角度和步速。

6.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述地表离地红外辐射亮度测量装置包括三脚架、便携式傅立叶变换红外波谱仪以及金板；由便携式傅立叶变换红外波谱仪测量样本和金板的红外辐射亮度，便携式傅立叶变换红外波谱仪架设在三脚架上，便携式傅立叶变换红外波谱仪的旋转镜置于全自动样本旋转平台上方，旋转镜的镜头垂直向下正对样本或金板中心，测量距离应小于50厘米，以保证样本旋转时镜头仍然对准样本或金板中心。

7.根据权利要求1所述的多角度全自动地表精细发射率谱采集系统装置，其特征在于：所述地表离地红外辐射亮度测量装置由蓄电池供电，可由笔记本电脑远程控制数据的采集和存储，方便在室外操作。