CN107144530A - 一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统及测量方法 - Google Patents

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刘恩晓
李恒
孙小玲
盖志刚
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Abstract

本发明公开了一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，包括计算机、高光谱仪、RTK测量仪、以及位于测量船护栏上的挂载平台；所述RTK测量仪包括位于测量船舱顶部的RTK天线，所述RTK天线通过调制解调器与计算机相连，所述挂载平台上设有参考板，且安装有三轴电动云台，所述三轴电动云台的固定座上设有光纤探头，所述光纤探头通过高光谱仪与计算机连接，所述三轴电动云台通过伺服驱动器与计算机连接，同时还公开了测量方法，该系统可在海上震动、潮湿、盐雾等恶劣使用环境下可靠稳定工作，具有光谱分辨率高、光谱覆盖范围广等优势。

Description

一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及海洋水色三要素的测量系统和方法，特别涉及一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统及测量方法。
背景技术
水体生物光学特性是海洋环境观测与研究的重要指标，水色遥感技术为海洋生物光学特性的研究提供了一种有效的观测手段。机载与星载高光谱遥感虽然在空间探测范围、空间分辨率和光谱分辨率方面占有优势，但受大气散射等因素的影响，其估测精度还无法满足海洋初级生产力评估的需要，为获得精度更高的水色遥感反演数据，往往需通过现场实时采样测量的方法对反演模型与算法进行修正。
目前水色三要素(叶绿素a、非色素悬浮物、有色可溶性有机物)的测量方式多采用现场定点取水样后在实验室完成检测，该方法存在空间代表性不足，保存和运输过程中易出现样品变异等问题，严重影响测量分析的时效性。定点浮标测量系统在一定程度上克服了实验室测量的弊端，但监测网络的测量范围有限，组网与维护成本高。走航式水色三要素测量系统克服了采样时刻与测量时刻之间的延迟，保证了测量结果的时效性，但海况变化对测量结果精度的影响较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统及测量方法，以达到为水色遥感提供准确的校正数据的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，包括计算机、高光谱仪、RTK测量仪、以及位于测量船护栏上的挂载平台；所述RTK测量仪包括位于测量船舱顶部的RTK天线，所述RTK天线通过调制解调器与计算机相连，所述挂载平台上设有参考板，且安装有三轴电动云台，所述三轴电动云台的固定座上设有光纤探头，所述光纤探头通过高光谱仪与计算机连接，所述三轴电动云台通过伺服驱动器与计算机连接。
上述方案中，所述计算机内的上位机软件包括RTK数据传递模块、数据处理模块、电动云台姿态调整模块、高光谱数据采集模块和水色三要素反演分析模块。
上述方案中，所述RTK天线通过BNC数据线与调制解调器连接，所述调制解调器通过USB数据线与计算机连接。
上述方案中，所述三轴电动云台通过BNC数据线与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器通过USB数据线与计算机连接。
上述方案中，所述光纤探头通过单模光纤与高光谱仪连接，接口类型为SMA905，高光谱仪采用交叉式车尔尼-特纳光路结构，所述高光谱仪通过USB数据线与计算机连接。
进一步的技术方案中，所述高光谱仪的波长范围为200～1100nm，光谱分辨率为2.1nm，量化等级为14bit。
进一步的技术方案中，所述RTK测量仪的空间测量精度为5mm，平面定位精度为(2.5+10-6D)mm。
进一步的技术方案中，所述三轴电动云台姿态调整精度为0.01°，三轴可实现360°旋转。
进一步的技术方案中，所述测量系统适用于三级海况下一类或二类水体。
一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统的测量方法，包括如下步骤：
(1)系统校准与任务规划：启动上位机软件，调整三轴电动云台，使光纤探头垂直对准参考板；利用上位机软件对高光谱仪进行校准，并滤出暗噪声；利用上位机软件规划待测海域的测量站点与航行路径，并在海图上实时显示测量船的地理位置信息与船体随波浪的水平偏转角度；
(2)站点光谱数据采集：将测量船按照规划航迹航行到指定站点，待测量船停泊稳定后，依据RTK测量仪得到的测量船姿态信息，利用上位机软件解算出三轴电动云台的姿态调整参数，通过伺服驱动器实时调整三轴电动云台的位姿，保证光谱数据测量过程中，光纤探头与被测目标之间相对空间位置的稳定性；通过控制光纤探头的空间姿态，依次测量天空光向下辐亮度，参考板向上辐亮度，水体向上辐亮度，测量样本容量满足海洋光谱数据测量要求，将采集到的光谱数据保存在制定文件目录下；
(3)水色三要素反演分析：选择上位机软件对采集的高光谱曲线进行处理与分析，获得被测对象的光谱反射率曲线，通过上位机软件对光谱反射率曲线进行反演分析，获得所测站点水色三要素的含量信息，完成该站点的测量；
(4)按照规划航迹航行到下一站点，重复步骤(2)和步骤(3)，直到完成所测海域所有站点的测量，获得该海域水色三要素的分布信息。
通过上述技术方案，本发明提供的船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统利用高光谱仪对所测站点的光谱数据进行实时采集，利用上位机软件对水体的高光谱数据进行处理，可实现水色三要素的实时快速原位测量。利用RTK测量仪获取所测站点的地理位置信息与船体姿态，通过控制三轴电动云台姿态保证光纤测量探头与被测对象的空间相对位置，可获得准确可靠的光谱数据信息，利用上位机软件对测量结果进行优化反演获得水体水色三要素的组分信息。
该方法可对三级海况下的一类和二类水体进行实时原位测量。可在海上震动、潮湿、盐雾等恶劣使用环境下可靠稳定工作，具有光谱分辨率高、光谱覆盖范围广等优势。对海水中物质组分含量的定量反演可获取叶绿素a、非色素悬浮物、有色可溶性有机物等重要生态参数，可为水色遥感提供准确的校正数据，对研究海洋、开发、利用和保护海洋资源具有重要的战略意义，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统的工作原理示意图。
图中，1、计算机；2、高光谱仪；3、测量船护栏；4、挂载平台；5、防腐隔震箱；6、RTK天线；7、调制解调器；8、三轴电动云台；9、光纤探头；10、伺服驱动器；11、BNC数据线；12、USB数据线；13、单模光纤；14、参考板；15、水体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统，如图1所示的结构，该系统测量准确度高，可实时进行测量，具有很好的应用前景。
参考图1，一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，包括计算机1、高光谱仪2、RTK测量仪、以及位于测量船护栏3上的挂载平台4；高光谱仪2安装于防腐隔震箱5内。RTK测量仪包括位于测量船舱顶部的RTK天线6，RTK天线6通过调制解调器7与计算机1相连，挂载平台4上设有参考板14，且安装有三轴电动云台8，三轴电动云台8的固定座上设有光纤探头9，光纤探头9通过高光谱仪2与计算机1连接，三轴电动云台8通过伺服驱动器10与计算机1连接。
本实施例中，RTK天线6通过BNC数据线11与调制解调器7连接，调制解调器7通过USB数据线12与计算机1连接。三轴电动云台8通过BNC数据线11与伺服驱动器10连接，伺服驱动器10通过USB数据线12与计算机1连接，该USB数据线12为RS232串口线。光纤探头9通过单模光纤13与高光谱仪2连接，接口类型为SMA905，高光谱仪2采用交叉式车尔尼-特纳光路结构，高光谱仪2通过USB数据线12与计算机1连接。
本实施例中，高光谱仪2的波长范围为200～1100nm，光谱分辨率为2.1nm，量化等级为14bit。RTK测量仪的空间测量精度为5mm，平面定位精度为(2.5+10-6D)mm。三轴电动云台8姿态调整精度为0.01°，三轴可实现360°旋转。
该测量系统适用于三级海况下一类或二类水体。
参考图2，计算机内的上位机软件包括RTK数据传递模块、数据处理模块、电动云台姿态调整模块、高光谱数据采集模块和水色三要素反演分析模块。RTK数据传递模块接收RTK测量仪测得的测量船姿态信息，传输到数据处理模块，解算出三轴电动云台的姿态调整参数，通过电动云台姿态调整模块输出指令，调整三轴电动云台8的位姿，保证光谱数据测量过程中，光纤探头9与被测目标之间相对空间位置的稳定性。光纤探头9采集到的海洋光谱数据传输给高光谱仪2，进而通过高光谱数据采集模块传输给水色三要素反演分析模块，由水色三要素反演分析模块对采集到的高光谱数据进行处理，计算水体的反射率、吸收率等光谱信息，基于最小二乘原理利用光谱反射率的测量结果与反演模型的计算结果构造目标函数，采用模拟退火算法搜索反问题的全局最优解，最终获得水体水色三要素的含量信息，实现对水体叶绿素a、非色素悬浮物、有色可溶性有机物的实时原位测量。
该船载自稳式海洋水色三要素测量系统的测量方法，包括如下步骤：
(1)系统校准与任务规划：启动上位机软件，调整三轴电动云台8，使光纤探头9垂直对准参考板14；利用上位机软件对高光谱仪2进行校准，并滤出暗噪声；利用上位机软件规划待测海域的测量站点与航行路径，并在海图上实时显示测量船的地理位置信息与船体随波浪的水平偏转角度；
(2)站点光谱数据采集：将测量船按照规划航迹航行到指定站点，待测量船停泊稳定后，运行上位机软件的RTK数据传递模块、电动云台姿态调整模块和高光谱数据采集模块。依据RTK测量仪得到的测量船姿态信息，利用上位机软件解算出三轴电动云台的姿态调整参数，通过伺服驱动器10实时调整三轴电动云台8的位姿，保证光谱数据测量过程中，光纤探头9与被测目标之间相对空间位置的稳定性；通过控制光纤探头的空间姿态，使光纤探头依次指向参考板14，海面15与天空，相对空间角度满足光谱数据采样规范；通过上位机软件设置曝光时间，采样频率和采样总数，针对参考板，海面与天空光每一对象连续采集30帧光谱曲线，将测量结果分别保存在计算机1的相应目录下；
(3)水色三要素反演分析：选择上位机软件对采集的高光谱曲线进行处理与分析，获得被测对象的光谱反射率曲线，通过上位机软件对光谱反射率曲线进行反演分析，获得所测站点水色三要素的含量信息，完成该站点的测量；
(4)按照规划航迹航行到下一站点，重复步骤(2)和步骤(3)，直到完成所测海域所有站点的测量，获得该海域水色三要素的分布信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，包括计算机、高光谱仪、RTK测量仪、以及位于测量船护栏上的挂载平台；所述RTK测量仪包括位于测量船舱顶部的RTK天线，所述RTK天线通过调制解调器与计算机相连，所述挂载平台上设有参考板，且安装有三轴电动云台，所述三轴电动云台的固定座上设有光纤探头，所述光纤探头通过高光谱仪与计算机连接，所述三轴电动云台通过伺服驱动器与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述计算机内的上位机软件包括RTK数据传递模块、数据处理模块、电动云台姿态调整模块、高光谱数据采集模块和水色三要素反演分析模块。
3.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述RTK天线通过BNC数据线与调制解调器连接，所述调制解调器通过USB数据线与计算机连接。
4.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述三轴电动云台通过BNC数据线与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器通过USB数据线与计算机连接。
5.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述光纤探头通过单模光纤与高光谱仪连接，接口类型为SMA905，高光谱仪采用交叉式车尔尼-特纳光路结构，所述高光谱仪通过USB数据线与计算机连接。
6.根据权利要求5所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述高光谱仪的波长范围为200～1100nm，光谱分辨率为2.1nm，量化等级为14bit。
7.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述RTK测量仪的空间测量精度为5mm，平面定位精度为(2.5+10-6D)mm。
8.根据权利要求4所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述三轴电动云台姿态调整精度为0.01°，三轴可实现360°旋转。
9.根据权利要求1所述的一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，其特征在于，所述测量系统适用于三级海况下一类或二类水体。
10.一种如权利要求1-9任一所述的船载自稳式海洋水色三要素测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)系统校准与任务规划：启动上位机软件，调整三轴电动云台，使光纤探头垂直对准参考板；利用上位机软件对高光谱仪进行校准，并滤出暗噪声；利用上位机软件规划待测海域的测量站点与航行路径，并在海图上实时显示测量船的地理位置信息与船体随波浪的水平偏转角度；
(2)站点光谱数据采集：将测量船按照规划航迹航行到指定站点，待测量船停泊稳定后，依据RTK测量仪得到的测量船姿态信息，利用上位机软件解算出三轴电动云台的姿态调整参数，通过伺服驱动器实时调整三轴电动云台的位姿，保证光谱数据测量过程中，光纤探头与被测目标之间相对空间位置的稳定性；通过控制光纤探头的空间姿态，依次测量天空光向下辐亮度，参考板向上辐亮度，水体向上辐亮度，测量样本容量满足海洋光谱数据测量要求，将采集到的光谱数据保存在制定文件目录下；
(3)水色三要素反演分析：选择上位机软件对采集的高光谱曲线进行处理与分析，获得被测对象的光谱反射率曲线，通过上位机软件对光谱反射率曲线进行反演分析，获得所测站点水色三要素的含量信息，完成该站点的测量；
(4)按照规划航迹航行到下一站点，重复步骤(2)和步骤(3)，直到完成所测海域所有站点的测量，获得该海域水色三要素的分布信息。
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