CN105424196A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开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；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°。优化测定方法的步骤为：准备工作、目标地表离地辐亮度测量、参考板的离地辐亮度测量、环境辐亮度的估算、地表发射率的迭代优化算法：本发明可以有效配合高光谱热红外光谱仪在不破坏目标地表的前提下，快速的获取高精度环境辐射，测定精度高，使用效果更好。

Description

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

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

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。

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

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。

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；

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°；

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；

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1kg/个；延长臂装置在转动组件的旋转台上；

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。

延长臂的全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。

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。

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20cm×15cm，重量为1kg。

测定装置的优化测定方法的具体步骤为：

a、准备工作：

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；

b、目标地表离地辐亮度测量：

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R_s，i的公式表示如下：

$R_{s,i}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i})R_{s,i}^E---\left(1\right)$

$B_i\left(T_s\right)=\frac{c_1}{{{\mathrm{\λ}}_i}^5(e^{c_2/{\mathrm{\λ}}_i{T}_s}-1)}---\left(2\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_s，i为通道i的目标地表发射率；T_s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；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；其中，c₁＝1.191×10⁸W·um⁴·sr^-1·m^-2，c₂＝1.439×10⁴μm·K；λ_i为第i个波谱通道对应的等效中心波长；

c、参考板的离地辐亮度测量：

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R_g，i的公式表示如下：

$R_{g,i}={\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i})R_{g,i}^E---\left(3\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_g，i为通道i的参考板发射率；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g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；

d、环境辐亮度的估算：

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ε_g，i和温度T_g，利用公式(4)，计算得到环境辐亮度

$R_{s,i}^E=R_{g,i}^E=\frac{R_{g,i}-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}}---\left(4\right)$

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；为参考板的通道离地辐亮度；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g下的通道普朗克函数；ε_g，i为通道i的参考板发射率；

参考板的发射率可在实验室中测量得到，通常取值为ε_g，i＝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T_g；

e、地表发射率的迭代优化算法：

i、根据观测的目标辐亮度波谱，通过普朗克函数的反变换，估算各通道的亮度温度，并选择最大的亮度温度作为目标地表温度的初始估计，同时设置1为地表发射率波谱的初始估计；

ii、选择800-1250cm^-1的光谱范围，作为地表发射率波谱的测定区间，并设置10cm^-1作为子区间分段大小，等间距划分光谱区间，将光谱范围分为M个子区间；

iii、利用分段线性假设，引入连续性约束限制，减少地表发射率测定过程中未知数个数，将地表发射率波谱划分为M个子区间后，每个子区间包含若干个波谱通道，即可将地表发射率波谱分段线性的表示为：

其中，采用优化分段线性方法表示后的地表发射率波谱共由M个子区间的地表发射率波谱组成，表示分段后第k个子区间的地表发射率波谱k＝1，2，…，M；为第k个子区间光谱仪不同通道对应的波长； 分别为第k个子区间发射率谱线的上下边界端点值k＝1，2，…，M；则为子区间端点和所对应的波长值；

iv、利用优化分段线性表示的地表发射率波谱及辐射传输方程，估算目标离地辐亮度，公式如下：

$R_{s,i}^{cal}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg})R_{s,i}^E---\left(6\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；为估算的通道i的目标地表离地辐亮度；为采用优化分段线性方法表示的通道i的地表发射率；T_s为目标地表温度；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；为通道i的环境辐亮度，通过参考板测得；

对于N个通道的高光谱光谱仪测量数据而言，可以构建N个方程，而未知数个数为M+2个，即M+1个发射率端点和1个地表温度，只需合理的划分子区间，即可满足N＞＝M+2，进而从式(6)中求解目标地表的通道发射率

v、构建代价函数，衡量估算的离地辐亮度与实际测量的离地辐亮度之间的离散程度E，即：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(R_{s,i}^{cal}-R_{s,i})}^2---\left(7\right)$

其中，i为位于800-1250cm^-1光谱范围内热红外光谱仪的第i个通道；N为800-1250cm^-1光谱范围内包含的波谱通道总个数；为估算的通道i的离地辐亮度；R_s，i为实际测量的通道i的离地辐亮度，即公式(1)；E值越小代表地表发射率和地表温度就越接近真实值；

vi、利用构建的代价函数，借助数学上的非线性方程求解方法，如牛顿法，求取代价函数最小值所对应的地表发射子区间端点值和地表温度T_s；k＝1，2，…，M；

vii、利用获取的地表发射率子区间端点利用分段线性插值，重新恢复出整条地表发射率波谱

viii、迭代条件的判断，如果前后两次计算的地表温度差值小于给定的阈值0.1K，或者迭代次数N到一定的次数N≥100，则迭代停止；否则，根据获取的地表发射率波谱形状，对于波谱形状存在明显波动的地方，缩短子区间分段大小，继续细分子区间；对于波谱形状不存在明显波动的地方，保持原先子区间分段大小不变；采用一种非等间距的光谱区间划分方式，重复iii-viii的步骤；

ix、在满足步骤viii的迭代终止条件后，将此时得到的地表发射率波谱作为最终值，输出并保存，完成地表发射率波谱的测定。

本发明可以有效配合高光谱热红外光谱仪在不破坏目标地表的前提下，快速的获取高精度环境辐射，并结合地表发射率迭代优化算法，最终实现了热红外谱段高精度地表发射率波谱的自动化数据采集和测定，测定精度高，使用效果更好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明(测定装置)的整体结构示意图。

图2为测定装置的工作流程图。

图3为本发明(优化测定方法)的流程图。

图4为地表发射率迭代优化算法的流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明(测定装置)由参考板托板1、延长臂2、配重砣3、转动组件4、三角支撑架5和中央控制系统6组成。

三角支撑架：

三角支撑架5主要用于发明中主要设备的承重和参考板托板1的高度调节。由于不同地表的高度不同，所以本发明的三角支撑架5具有一定的高度扩展功能(具体高度可按需调整)。同时，三角支撑架5的特点可以使设备的水平调平工作更为便捷、准确，提高了测量效率和精度，且在放置过程中，减少了与地表接触面积，最大程度的避免了对目标地表区域附近环境的破坏。考虑到实际测量中，三角支撑架5需要配合光谱仪的架设高度，故本发明中的配套三脚架最大可扩展高度为1.55米，可根据实际需要进行相应更换。

转动组件：

转动组件4主要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4设置在三角支撑架5的上端。转动组件4主要用于带动延长臂2横向转动，以此达到目标地表与参考板快速切换观测的目的。转动组件4由中央控制系统6进行控制，通过航空插头与中央控制系统6相连接。旋转台的转动精度为0.1°，能实现360°全方位的旋转。

延长臂：

延长臂2的设计主要是用于辅助目标地表与参考板的快速切换，长臂的设计可最大程度的保证测定装置各部件，如三角支撑架5，配重砣3等能够远离观测目标，解决了辅助装置在测量中所产生的阴影问题，最大程度的降低了设备对环境辐射的影响，保证了离地辐射和环境辐射的测量精度。本发明默认选择的延长臂2全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。延长臂2装置在转动组件4的旋转台上，可根据距离需要进行相应更换延长臂2。

参考板托板

参考板托板1用于放置和固定参考板，避免其在转动过程中发生掉落，破坏测量目标。本发明主要针对的是热红外光谱仪的野外测量，所以参考板托板主要用于放置漫反射金板。默认采用的参考板托板尺寸为14cm*10cm，其中，14cm为固定长度边，10cm为可扩展边，可通过更换配套的L型固定夹实现长度的扩展。参考板托板1通过螺丝固定于延长臂2的一端。

配重砣：

配重砣3设置在和参考板托板1相对应的延长臂2的另一端，主要用于对延长臂2与参考板托板1的平衡配重，保证三角支撑架的稳定竖立和转动过程的平稳。配重砣3的标准重量为：1kg/个，根据延长臂2的具体长度进行相应配重。

中央控制系统：

中央控制系统6主要用于对转动组件4的控制，完成目标地表与参考板间的快速切换。中央控制系统6由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组成。

(1)、中芯控制器：

中芯控制器是中央控制系统6的核心部分，主要完成对转动组件4的参数设置，包括转动角度、方向、转速、模式设置和启停操作等。中芯控制器的主面板配有LED显示屏，便于对参数的设置工作。中芯控制器的主操作面板外露于机箱上表面，可直接在机箱上进行相关操作。

(2)、供电模块：

供电模块主要用于对整个中央控制系统6及转动组件4进行供电，使用的为锂电池组，其工作电压为：24V。供电模块可通过机箱后侧的充电接口直接进行充电，无需进行拆卸。

(3)、遥控模块：

为了避免在测量中对面板操作的不便，本发明还设计有遥控模块，在对转动参数进行初始化设定后，可在测量中直接通过远程遥控的方式，简单实现观测目标的切换，减少操作人员对目标区域的破坏可能及辐射噪声影响。

(4)、机箱：

机箱主要用于中央控制系统6中各部件的整合包装。机箱正面采用了切口方式，可直接操作中芯控制器。在机箱的前、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20cm×15cm，重量为1kg。

如图3、图4所示，优化测定方法的步骤为：

a、准备工作：

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初始化设置(角度，转速，运行模式等)。在放置辅助测量装置时，需满足延长臂2的高度恰好位于对应地表的高度位置，并且三脚支撑架5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(漫反射金板)放置于参考板托板1中，调整参考板托板1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6控制旋转台，使其转动90度(角度可根据需要进行调节，但需满足目标地表不存在设备的阴影，避免对辐亮度测量精度的影响)，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。

b、目标地表离地辐亮度测量：

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R_s，i的公式表示如下：

$R_{s,i}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i})R_{s,i}^E---\left(1\right)$

$B_i\left(T_s\right)=\frac{c_1}{{{\mathrm{\λ}}_i}^5(e^{c_2/{\mathrm{\λ}}_i{T}_s}-1)}---\left(2\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_s，i为通道i的目标地表发射率；T_s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；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；其中，c₁＝1.191×10⁸W·um⁴·sr^-1·m^-2，c₂＝1.439×10⁴μm·K；λ_i为第i个波谱通道对应的等效中心波长。

c、参考板(漫反射金板)的离地辐亮度测量：

通过中央控制系统6远程控制旋转台向步骤a中旋转的反方向转动90度(角度需与步骤a中相等)，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R_g，i的公式表示如下：

$R_{g,i}={\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i})R_{g,i}^E---\left(3\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_g，i为通道i的参考板发射率；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g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。

d、环境辐亮度的估算：

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ε_g，i和温度T_g，利用公式(4)，计算得到环境辐亮度

$R_{s,i}^E=R_{g,i}^E=\frac{R_{g,i}-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}}---\left(4\right)$

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；R_g，i为参考板的通道离地辐亮度；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g下的通道普朗克函数；ε_g，i为通道i的参考板发射率。

参考板的发射率可在实验室中测量得到，通常取值为ε_g，i＝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T_g。

e、地表发射率的迭代优化算法：

i、根据观测的目标辐亮度波谱，通过普朗克函数的反变换，估算各通道的亮度温度，并选择最大的亮度温度作为目标地表温度的初始估计，同时设置1为地表发射率波谱的初始估计；

ii、选择800-1250cm^-1的光谱范围，作为地表发射率波谱的测定区间，并设置10cm^-1作为子区间分段大小，等间距划分光谱区间，将光谱范围分为M个子区间；

iii、利用分段线性假设，引入连续性约束限制，减少地表发射率测定过程中未知数个数，将地表发射率波谱划分为M个子区间后，每个子区间包含若干个波谱通道，即可将地表发射率波谱分段线性的表示为：

其中，采用优化分段线性方法表示后的地表发射率波谱共由M个子区间的地表发射率波谱组成，表示分段后第k个子区间的地表发射率波谱(k＝1，2，…，M)；为第k个子区间光谱仪不同通道对应的波长；分别为第k个子区间发射率谱线的上下边界端点值(k＝1，2，…，M)；则为子区间端点和所对应的波长值。

iv、利用优化分段线性表示的地表发射率波谱及辐射传输方程，估算目标离地辐亮度，公式如下：

$R_{s,i}^{cal}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg})R_{s,i}^E---\left(6\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；为估算的通道i的目标地表离地辐亮度；为采用优化分段线性方法表示的通道i的地表发射率；T_s为目标地表温度；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；为通道i的环境辐亮度，通过参考板测得。

对于N个通道的高光谱光谱仪测量数据而言，可以构建N个方程，而未知数个数为M+2个(M+1个发射率端点和1个地表温度)，只需合理的划分子区间，即可满足N＞＝M+2，进而从式(6)中求解目标地表的通道发射率

v、构建代价函数，衡量估算的离地辐亮度与实际测量的离地辐亮度之间的离散程度E，即：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(R_{s,i}^{cal}-R_{s,i})}^2---\left(7\right)$

其中，i为位于800-1250cm^-1光谱范围内热红外光谱仪的第i个通道；N为800-1250cm^-1光谱范围内包含的波谱通道总个数；为估算的通道i的离地辐亮度；R_s，i为实际测量的通道i的离地辐亮度，即公式(1)；E值越小代表地表发射率和地表温度就越接近真实值。

vi、利用构建的代价函数，借助数学上的非线性方程求解方法，如牛顿法，求取代价函数最小值所对应的地表发射子区间端点值和地表温度T_s；

vii、利用获取的地表发射率子区间端点利用分段线性插值，重新恢复出整条地表发射率波谱

viii、迭代条件的判断，如果前后两次计算的地表温度差值小于给定的阈值(如0.1K)，或者迭代次数N到一定的次数(如N≥100)，则迭代停止。否则，根据获取的地表发射率波谱形状，对于波谱形状存在明显波动的地方，缩短子区间分段大小，继续细分子区间；对于波谱形状不存在明显波动的地方，保持原先子区间分段大小不变。采用一种非等间距的光谱区间划分方式，重复iii-viii的步骤；

ix、在满足步骤viii的迭代终止条件后，将此时得到的地表发射率波谱作为最终值，输出并保存，完成地表发射率波谱的测定。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：它由参考板托板(1)、延长臂(2)、配重砣(3)、转动组件(4)、三角支撑架(5)和中央控制系统(6)组成；

所述转动组件(4)由步进电机和旋转台构成，步进电机设置在旋转台的一侧；所述转动组件(4)设置在三角支撑架(5)的上端，转动组件4用于带动延长臂(2)横向转动；转动组件(4)由中央控制系统(6)进行控制，并通过航空插头与中央控制系统(6)相连接；所述旋转台的转动精度为0.1°，转动的角度为360°；

所述参考板托板(1)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；所述参考板托板(1)通过螺丝固定于延长臂(2)的一端；

所述配重砣(3)设置在和参考板托板(1)相对应的延长臂(2)的另一端，用于对延长臂(2)与参考板托板(1)的平衡配重，配重砣(3)的标准重量为1kg/个；所述延长臂(2)装置在转动组件(4)的旋转台上；

所述中央控制系统(6)由中芯控制器、供电模块，遥控模块和机箱组成。

2.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：所述延长臂(2)的全长为1.2m，单侧最大伸展臂长为1.0m。

3.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：所述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。

4.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：所述供电模块用于对整个中央控制系统(6)及转动组件(4)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。

5.根据权利要求1所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：所述遥控模块是外置的；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；所述机箱尺寸为20cm×15cm，重量为1kg。

6.根据权利要求1-5任一项所述的轻便高光谱地表发射率无损测定装置，其特征在于：所述测定装置的优化测定方法的具体步骤为：

a、准备工作：

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(2)的高度恰好位于对应地表的高度位置，并且三脚支撑架(5)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(1)中，调整参考板托板(1)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(6)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；

b、目标地表离地辐亮度测量：

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R_s，i的公式表示如下：

$R_{s,i}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i})R_{s,i}^E---\left(1\right)$

$B_i\left(T_s\right)=\frac{c_1}{{{\mathrm{\λ}}_i}^5(e^{c_2/{\mathrm{\λ}}_i{T}_s}-1)}---\left(2\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_s，i为通道i的目标地表发射率；T_s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；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；其中，c₁＝1.191×10⁸W·um⁴·sr^-1·m^-2，c₂＝1.439×10⁴μm·K；λ_i为第i个波谱通道对应的等效中心波长；

c、参考板的离地辐亮度测量：

通过中央控制系统(6)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R_g，i的公式表示如下：

$R_{g,i}={\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i})R_{g,i}^E---\left(3\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；ε_g，i为通道i的参考板发射率；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g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；

d、环境辐亮度的估算：

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ε_g，i和温度T_g，利用公式(4)，计算得到环境辐亮度

$R_{s,i}^E=R_{g,i}^E=\frac{R_{g,i}-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}{B}_i\left(T_g\right)}{1-{\mathrm{\ϵ}}_{g,i}}---\left(4\right)$

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；R_g，i为参考板的通道离地辐亮度；T_g为参考板的表面温度；B_i(T_g)为参考板温度T_g下的通道普朗克函数；ε_g，i为通道i的参考板发射率；

参考板的发射率可在实验室中测量得到，通常取值为ε_g，i＝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T_g；

e、地表发射率的迭代优化算法：

i、根据观测的目标辐亮度波谱，通过普朗克函数的反变换，估算各通道的亮度温度，并选择最大的亮度温度作为目标地表温度的初始估计，同时设置1为地表发射率波谱的初始估计；

ii、选择800-1250cm^-1的光谱范围，作为地表发射率波谱的测定区间，并设置10cm^-1作为子区间分段大小，等间距划分光谱区间，将光谱范围分为M个子区间；

iii、利用分段线性假设，引入连续性约束限制，减少地表发射率测定过程中未知数个数，将地表发射率波谱划分为M个子区间后，每个子区间包含若干个波谱通道，即可将地表发射率波谱分段线性的表示为：

其中，采用优化分段线性方法表示后的地表发射率波谱共由M个子区间的地表发射率波谱组成，表示分段后第k个子区间的地表发射率波谱k＝1，2，…，M；为第k个子区间光谱仪不同通道对应的波长； 分别为第k个子区间发射率谱线的上下边界端点值k＝1，2，…，M；则为子区间端点和所对应的波长值；

iv、利用优化分段线性表示的地表发射率波谱及辐射传输方程，估算目标离地辐亮度，公式如下：

$R_{s,i}^{cal}={\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg}{B}_i\left(T_s\right)+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{s,i}^{seg})R_{s,i}^E---\left(6\right)$

其中，i表示热红外光谱仪的第i个波谱通道；为估算的通道i的目标地表离地辐亮度；为采用优化分段线性方法表示的通道i的地表发射率；T_s为目标地表温度；B_i(T_s)为地表温度T_s下的通道普朗克函数；为通道i的环境辐亮度，通过参考板测得；

对于N个通道的高光谱光谱仪测量数据而言，可以构建N个方程，而未知数个数为M+2个，即M+1个发射率端点和1个地表温度，只需合理的划分子区间，即可满足N＞＝M+2，进而从式(6)中求解目标地表的通道发射率

v、构建代价函数，衡量估算的离地辐亮度与实际测量的离地辐亮度之间的离散程度E，即：

$E=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(R_{s,i}^{cal}-R_{s,i})}^2---\left(7\right)$

其中，i为位于800-1250cm^-1光谱范围内热红外光谱仪的第i个通道；N为800-1250cm^-1光谱范围内包含的波谱通道总个数；为估算的通道i的离地辐亮度；R_s，i为实际测量的通道i的离地辐亮度，即公式(1)；E值越小代表地表发射率和地表温度就越接近真实值；

vi、利用构建的代价函数，借助数学上的非线性方程求解方法，如牛顿法，求取代价函数最小值所对应的地表发射子区间端点值和地表温度T_s；k＝1，2，…，M；

vii、利用获取的地表发射率子区间端点利用分段线性插值，重新恢复出整条地表发射率波谱

viii、迭代条件的判断，如果前后两次计算的地表温度差值小于给定的阈值0.1K，或者迭代次数N到一定的次数N≥100，则迭代停止；否则，根据获取的地表发射率波谱形状，对于波谱形状存在明显波动的地方，缩短子区间分段大小，继续细分子区间；对于波谱形状不存在明显波动的地方，保持原先子区间分段大小不变；采用一种非等间距的光谱区间划分方式，重复iii-viii的步骤；

ix、在满足步骤viii的迭代终止条件后，将此时得到的地表发射率波谱作为最终值，输出并保存，完成地表发射率波谱的测定。