CN107748140A - 一种野外高光谱快速测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种野外高光谱快速测量系统，包括第一支撑杆(1)、第二支撑杆(2)、仪器包和光纤探头(3)；在所述光纤探头(3)外部套设有套管(4)，在所述套管(4)的外部活动连接有第一旋转轴(5)和第二旋转轴(6)，所述仪器包包括系统主机和与其相连的高光谱测量仪主机、系统电源和显示屏，所述光纤探头(3)与所述高光谱测量仪主机相连；在所述第二支撑杆(2)上设置有圆形轨道(7)，在所述圆形轨道(7)上设置有测距传感器(8)。本发明所述的野外高光谱快速测量系统结构简单、成本低、操作简便、测量结果准确。

Description

一种野外高光谱快速测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种野外高光谱快速测量系统。

背景技术

土壤是人类生存环境的重要载体，并且是农业生产的重要资源，每年受到不同来源的污染影响，土壤污染作为重要的环境问题之一被广泛提及，重金属污染由于其持续残留性和毒性的特征而显得尤其危险，所以需要及时且准确地监测重金属污染，以保护土壤资源并确保其可持续性；

土壤重金属污染检测有很多传统的方法，在测量点取样送实验室化验，需要耗费大量的人力、物力，因此不利于广泛推广；近年来，随着遥感技术的发展，越来越多的专家使用高光谱进行土壤重金属污染检测，由于有机质、粘土矿物、铁氧化物等在光谱曲线中具有一定的吸收特征，而且他们对重金属具有一定的吸附作用，借助于土壤中不同的重金属含量之间以及与有机质、粘土矿物、铁氧化物等之间的关系，但是这些都是在实验室理想的环境下进行的，如何在野外大面积重金属检测目前还没有一个高效快速低成本的方式；

长期野外实践经验证明在技术推广过程中主要有以下几个难点：

1、高光谱一般需要在温度38°以上、测样点照度在16万lux以上最佳，所以一般高光谱实验都在酷热天的11：30-14：00之间进行，也即太阳最热的时候进行，酷热程度越高效果越好，这个问题在实验室可以采用换班制保证人员轮休解决，但是在野外大量测量点测量时，工作环境太差，人员经常发生中暑，野外就医条件和交通又非常差；每个测量点耗时多，测量点太多每天只能检测两个半小时，可能第三天又是阴雨天，测量效率极其低下。所以野外测量必须保证要测量工作快速和高效，同时测量仪器要易于搬运；

2、每个测量点的耗时主要在于仪器的调试过程，一般的高光谱实验需要人工拿着光纤探头，在光照较强的正午，没有大气和云雾的影响下，距离校正白板800mm左右，垂直照射白板，便可得到白板的光谱曲线，然后测量地物光谱时，便可自动将地物的辐射亮度值转换为反射率，即(地物反射率＝(地物辐射亮度值/白板辐射亮度值)×白板反射率，白板反射率是事先通过实验室内定标得到的)，最终通过白板校正直接得到地物反射率。然后继续保持这个角度和距离，测量三次土壤的高光谱，这个过程需要多人同时操作，测完点之后又去下一个点继续测量，耗时耗力。所以野外测量必须保证要高度自动化，这样才能快速高效，最主要是大大降低测量误差；

3、测量仪器要易于搬运。

目前这种野外高光谱快速测量系统还没有相关文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便、测量结果准确的野外高光谱快速测量系统。

一种野外高光谱快速测量系统，包括第一支撑杆、第二支撑杆、仪器包和光纤探头；

在所述光纤探头外部套设有套管，在所述套管的外部活动连接有第一旋转轴和第二旋转轴，所述第一旋转轴固定在所述第一支撑杆的中部，所述第二旋转轴固定在所述第二支撑杆的中部；所述仪器包包括系统主机和与其相连的高光谱测量仪主机、系统电源和显示屏，所述光纤探头与所述高光谱测量仪主机相连；

在所述第二支撑杆上设置有圆形轨道，在所述圆形轨道上设置有测距传感器，所述测距传感器与驱动装置和所述系统主机相连。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆为水平设置，在所述第一支撑杆和所述第二支撑杆的两端活动连接有调节支柱，所述调节支柱与所述第一支撑杆或所述第二支撑杆之间的角度为90°～180°，所述调节支柱为伸缩杆结构。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，所述第一支撑杆设置在所述第二支撑杆的上部，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴能够绕所述套管自由旋转，在所述套管内还设置有线缆管，在其中设置有线缆，每个所述调节支柱分别通过所述线缆与所述系统主机连接，所述光纤探头通过光纤与所述高光谱测量仪主机相连。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆之间的距离为30mm，所述第一支撑杆长为800mm，所述第二支撑杆长为700mm，位于所述第二支撑杆上的所述调节支柱的高度调节范围为500-1000mm，所述第一支撑杆上的所述调节支柱的高度调节范围为530-1030mm。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，在所述调节支柱的下端设置有轮体。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，所述线缆管与所述光纤探头平行设置并接触，所述光纤探头的长度为100mm，直径为10mm，所述套管的长度为60mm，直径为14mm，所述线缆管的直径为4mm，长度为75mm，所述光纤探头的下端距离所述套管的下端之间的距离为10mm，所述光纤探头的上端距离所述套管的上端之间的距离为30mm，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴的高度为30mm。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统，其中，所述圆形轨道的直径为234mm。

本发明所述的野外高光谱快速测量系统在检测土壤铜污染中的应用。

采用本发明所述的野外高光谱快速测量系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、确定疑受污染区域，到达铜污染土壤测量点；

步骤二、在测量点位置处，对于不平整的地表用工具简单的人工磨平，打开第一支撑杆和第二支撑杆，使二者的角度在90°±10°之间，将光纤探头架设在测量点中心，打开系统主机、高光谱测量仪主机和系统电源；

步骤三、启动所述系统主机上的测量按钮，测距传感器会自动绕着圆形轨道旋转一周，测出各个点距离地表的高度，将数据反馈到所述系统主机，所述系统主机发出指令，调整所述光纤探头距离测量点表面之间的距离为700±100mm，且所述光纤探头与地表垂直，调整完之后，所述测距传感器会再绕行一圈，以保证距离和角度的正确性，此时所述系统主机会亮红灯，且发出滴滴滴的三声；

步骤四、将校正白板放到所述光纤探头的正下方的地面上，高光谱测量仪主机校正光谱，校正通过时都会绿灯显示，并发出滴滴滴的三声，任何异常都会红灯显示，需要重新校正；

步骤五、校正通过之后，取走所述校正白板，开始测量，测量的光谱曲线和数据都在显示器上显示，并储存在所述系统主机的内部，从野外返回时另行拷贝储存。

本发明野外高光谱快速测量系统与现有技术不同之处在于：

1、本发明野外高光谱快速测量系统仪器包整合了高光谱测量仪主机、系统电源、系统主机和显示屏，系统主机控制所有操作，简化了操作流程；仪器包可以人工背着走，可以跟随仪器走，非常适合野外工作；

2、支撑杆1和支撑杆2可以相互旋转，可以在到达新的检测点的时候快速架设光纤探头，构建测量系统；

3、在仪器包内，系统主机控制测距传感器和调节支柱的自动化操作，实现支撑杆的高度和角度的全自动调整；同时系统主机控制高光谱测量仪主机的自动校正和测量，实现了测量的快速高效和精确；

4、支撑杆2上的调节支柱可以在500-1000mm调整，支撑杆1上的调节支柱可以在530-1030mm调整，调节支柱根据测距传感器反馈的数据在系统主机的控制下自动调整，以满足低洼凸起等地面的影响，保证光纤探头的高度和水平，快速规避了野外测量点的地形变化对测量带来的影响，快速高效；

5、调节支柱可以与支撑杆旋转形成一根直杆，这样方便野外大面积区域但测量点零散的情况，调节支柱也可以安装上轮子，直接推着走，这样适合小面积区域但测量点密集情况；

整个野外高光谱快速测量系统从系统的构建、校正到测量都实现了一体化、自动化和精细化，同时系统易于野外的搬运和拆卸。

下面结合附图对本发明的野外高光谱快速测量系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明野外高光谱快速测量系统的立体结构示意图；

图2为本发明野外高光谱快速测量系统的正视剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明野外高光谱快速测量系统包括第一支撑杆1、第二支撑杆2、仪器包和光纤探头3；

在光纤探头3外部套设有套管4，在套管4的外部活动连接有第一旋转轴5和第二旋转轴6，第一旋转轴5固定在第一支撑杆1的中部，第二旋转轴6固定在第二支撑杆2的中部；仪器包包括系统主机和与其相连的高光谱测量仪主机、系统电源和显示屏，光纤探头3与高光谱测量仪主机相连；在第二支撑杆2上设置有圆形轨道7，在圆形轨道7上设置有测距传感器8，测距传感器8与驱动装置和系统主机相连。

以下为优选技术方案：

第一支撑杆1和第二支撑杆2为水平设置，在第一支撑杆1和第二支撑杆2的两端活动连接有调节支柱9，调节支柱9与第一支撑杆1或第二支撑杆2之间的角度为90°～180°，调节支柱9为伸缩杆结构。

第一支撑杆1设置在第二支撑杆2的上部，第一旋转轴5和第二旋转轴6能够绕套管4自由旋转，在套管4内还设置有线缆管10，在其中设置有线缆11，每个调节支柱9分别通过线缆11与系统主机连接，光纤探头3通过光纤与高光谱测量仪主机相连。

4个调节支柱9相当于4个可以精确调整的千斤顶，可以根据电脑指令调整长度，从而调整光纤探头3的高度，并且调整使第一支撑杆1和第二支撑杆2形成的平面与地面平行。

第一支撑杆1和第二支撑杆2之间的距离为30mm，第一支撑杆1长为800mm，第二支撑杆2长为700mm，位于第二支撑杆2上的调节支柱9的高度调节范围为500-1000mm，第一支撑杆1上的调节支柱9的高度调节范围为530-1030mm。以满足低洼凸起等地面的影响，保证光纤探头3的高度和水平；调节支柱9可以与第一支撑杆1或第二支撑杆2旋转形成一根直杆，方便野外大面积区域内零散点的测量。

系统主机控制测距传感器8和调节支柱9的自动化操作，实现第一支撑杆1和第二支撑杆2的高度和角度的调整；同时系统主机控制高光谱测量仪主机的校正和测量。系统电源为高光谱测量仪主机和测距传感器8动力系统以及调节支柱9提供电力；在调节支柱9的下端设置有轮体。安装上轮子，直接推着走，这样适合小面积区域内密集点的测量。

线缆管10与光纤探头3平行设置并接触，光纤探头3的长度为100mm，直径为10mm，套管4的长度为60mm，直径为14mm，线缆管10的直径为4mm，长度为75mm，光纤探头3的下端距离套管4的下端之间的距离为10mm，光纤探头3的上端距离套管4的上端之间的距离为30mm，第一旋转轴5和第二旋转轴6的高度为30mm。

圆形轨道7的直径为234mm，这是根据光纤探头3视场角8°和距离地表800mm的数据设计的，可以保证测距传感器8测量的范围为仪器需要测量的土壤区域；当调整完之后，测距传感器8会再绕行一圈，以保证光纤探头3距离测量点表面700±100mm，且与地表垂直。

野外高光谱快速测量系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、确定疑受污染区域，到达铜污染土壤测量点；

步骤二、在测量点位置处，对于不平整的地表用工具简单的人工磨平，打开第一支撑杆1和第二支撑杆2，使二者的角度在90°±10°之间，将光纤探头3架设在测量点中心，打开系统主机、高光谱测量仪主机和系统电源；

步骤三、启动系统主机上的测量按钮，测距传感器8会自动绕着圆形轨道7旋转一周，测出各个点距离地表的高度，将数据反馈到系统主机，系统主机发出指令，调整光纤探头3距离测量点表面之间的距离为700±100mm，且光纤探头3与地表垂直，调整完之后，测距传感器8会再绕行一圈，以保证距离和角度的正确性，此时系统主机会亮红灯，且发出滴滴滴的三声；

步骤四、将校正白板放到光纤探头3的正下方的地面上，高光谱测量仪主机校正光谱，校正通过时都会绿灯显示，并发出滴滴滴的三声，任何异常都会红灯显示，需要重新校正；

步骤五、校正通过之后，取走校正白板，开始测量，测量的光谱曲线和数据都在显示器上显示，并储存在系统主机的内部，从野外返回时另行拷贝储存。

一种光谱二阶差分Gabor展开法检测土壤铜污染的方法，包括如下步骤：

A、利用野外高光谱快速测量系统快速测量目标区域内众多Cu污染土壤测量点的光谱曲线，每个测量点取三条光谱曲线；

B、对A中每个点三条光谱曲线进行平滑及重采样预处理，得到波段范围为340～2514nm的2175个波段的Cu污染下的土壤光谱，然后，取三条光谱的平均光谱作为该测量点土壤光谱曲线；

C、对测量点光谱曲线进行二阶差分处理，得到土壤的稀疏光谱；

D、对稀疏光谱进行Gabor展开，得到土壤Cu污染光谱二阶差分Gabor展开的尺度分布；

E、根据土壤光谱二阶差分Gabor展开系数分布规律确定土壤Cu污染的浓度范围。

众多Cu污染土壤测量点由土壤Cu污染实验得到：

选用“中糯1号”玉米种子进行盆栽培育，重金属胁迫采用CuSO₄·5H₂O分析纯。盆栽实验时，首先选取“中糯1号”品种的玉米种子进行催芽处理，出芽后分别种于浓度为0μg·g^-1、50μg·g^-1、100μg·g^-1、150μg·g^-1、200μg·g^-1、300μg·g^-1、400μg·g^-1、600μg·g^-1、800μg·g^-1、1000μg·g^-1、1200μg·g^-1的CuSO₄·5H₂O十一种胁迫梯度下盆栽土壤中，每种胁迫梯度平行设置3组盆栽，共33盆盆栽；出苗后各盆浇灌适量的等量NH₄NO₃、KH₂PO₄和KNO₃营养液；培育期间每天按时对温室进行通风换气，定期浇等量的水。

对测量点光谱曲线进行二阶差分处理包括如下步骤：

把信号的稀疏表示理论和差分变换运用到Cu污染土壤测量点光谱曲线中，首先对Cu污染土壤测量点光谱曲线进行一阶差分变换，即

Y(k)＝X(k+1)-X(k) (1)

其中，X(k)(k＝1,2,3,…N)为任意光谱。

当一阶差分后光谱反射率值为0的数量大于等于0.8N时，那么Y(k)就为稀疏光谱；

当一阶差分后光谱反射率值为0的数量小于0.8N时，对X(k)进行二阶差分处理，即

Z(k)＝Y(k+1)-Y(k)＝X(k+2)-2×X(k+1)+X(k) (2)

最终得到稀疏土壤Cu污染光谱曲线。

对稀疏光谱进行Gabor展开包括如下步骤：

将Cu污染土壤原始光谱变换为一阶差分或二阶差分稀疏光谱，然后选取高斯窗函数作为Gabor基函数，最后对稀疏光谱和高斯窗函数做卷积变换，得到Cu污染土壤光谱Gabor展开系数尺度分布。

光谱二阶差分Gabor展开法检测土壤铜污染的方法还包括如下步骤：

根据土壤光谱二阶差分Gabor展开系数分布规律确定土壤Cu污染的浓度范围，

当土壤光谱二阶差分Gabor展开系数在第700±50项、第1600±50项和第2200～4350项均有分布，且第2800±50项和第3550±50项有闭合等高线分布时，土壤未受Cu污染；

当土壤光谱二阶差分Gabor展开系数在第700±50项、第1600±50项、第2200～2600项、和第3700～4500项均有分布或第700±50项、第1600±50项、第2200～4500项均有分布时，土壤Cu污染浓度为50～250mg/kg；

当土壤光谱二阶差分Gabor展开系数在第1700±50项、第2200±50项和第3700±50项均有分布或第1700±50项、第2200～2450项和第3700～4300项均有分布时，土壤Cu污染浓度为250～500mg/kg；

当土壤光谱二阶差分Gabor展开系数在第1700±50项和第3700±50项均有分布时，土壤Cu污染浓度为500～700mg/kg。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种野外高光谱快速测量系统，其特征在于：包括第一支撑杆(1)、第二支撑杆(2)、仪器包和光纤探头(3)；

在所述光纤探头(3)外部套设有套管(4)，在所述套管(4)的外部活动连接有第一旋转轴(5)和第二旋转轴(6)，所述第一旋转轴(5)固定在所述第一支撑杆(1)的中部，所述第二旋转轴(6)固定在所述第二支撑杆(2)的中部；所述仪器包包括系统主机和与其相连的高光谱测量仪主机、系统电源和显示屏，所述光纤探头(3)与所述高光谱测量仪主机相连；

在所述第二支撑杆(2)上设置有圆形轨道(7)，在所述圆形轨道(7)上设置有测距传感器(8)，所述测距传感器(8)与驱动装置和所述系统主机相连。

2.根据权利要求1所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：所述第一支撑杆(1)和所述第二支撑杆(2)为水平设置，在所述第一支撑杆(1)和所述第二支撑杆(2)的两端活动连接有调节支柱(9)，所述调节支柱(9)与所述第一支撑杆(1)或所述第二支撑杆(2)之间的角度为90°～180°，所述调节支柱(9)为伸缩杆结构。

3.根据权利要求2所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：所述第一支撑杆(1)设置在所述第二支撑杆(2)的上部，所述第一旋转轴(5)和所述第二旋转轴(6)能够绕所述套管(4)自由旋转，在所述套管(4)内还设置有线缆管(10)，在其中设置有线缆(11)，每个所述调节支柱(9)分别通过所述线缆(11)与所述系统主机连接，所述光纤探头(3)通过光纤(12)与所述高光谱测量仪主机相连。

4.根据权利要求3所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：所述第一支撑杆(1)和所述第二支撑杆(2)之间的距离为30mm，所述第一支撑杆(1)长为800mm，所述第二支撑杆(2)长为700mm，位于所述第二支撑杆(2)上的所述调节支柱(9)的高度调节范围为500-1000mm，所述第一支撑杆(1)上的所述调节支柱(9)的高度调节范围为530-1030mm。

5.根据权利要求4所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：在所述调节支柱(9)的下端设置有轮体。

6.根据权利要求5所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：所述线缆管(10)与所述光纤探头(3)平行设置并接触，所述光纤探头(3)的长度为100mm，直径为10mm，所述套管(4)的长度为60mm，直径为14mm，所述线缆管(10)的直径为4mm，长度为75mm，所述光纤探头(3)的下端距离所述套管(4)的下端之间的距离为10mm，所述光纤探头(3)的上端距离所述套管(4)的上端之间的距离为30mm，所述第一旋转轴(5)和所述第二旋转轴(6)的高度为30mm。

7.根据权利要求6所述的野外高光谱快速测量系统，其特征在于：所述圆形轨道(7)的直径为234mm。

8.权利要求1～7中任意一项权利要求所述的野外高光谱快速测量系统在检测土壤铜污染中的应用。

9.权利要求7所述的野外高光谱快速测量系统的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、确定疑受污染区域，到达铜污染土壤测量点；

步骤二、在测量点位置处，对于不平整的地表用工具简单的人工磨平，打开第一支撑杆(1)和第二支撑杆(2)，使二者的角度在90°±10°之间，将光纤探头(3)架设在测量点中心，打开系统主机、高光谱测量仪主机和系统电源；

步骤三、启动所述系统主机上的测量按钮，测距传感器(8)会自动绕着圆形轨道(7)旋转一周，测出各个点距离地表的高度，将数据反馈到所述系统主机，所述系统主机发出指令，调整所述光纤探头(3)距离测量点表面之间的距离为700±100mm，且所述光纤探头(3)与地表垂直，调整完之后，所述测距传感器(8)会再绕行一圈，以保证距离和角度的正确性，此时所述系统主机会亮红灯，且发出滴滴滴的三声；

步骤四、将校正白板放到所述光纤探头(3)的正下方的地面上，高光谱测量仪主机校正光谱，校正通过时都会绿灯显示，并发出滴滴滴的三声，任何异常都会红灯显示，

需要重新校正；

步骤五、校正通过之后，取走所述校正白板，开始测量，测量的光谱曲线和数据都在显示器上显示，并储存在所述系统主机的内部，从野外返回时另行拷贝储存。