CN109374581B - 基于光谱监测系统sas的水色监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，包括第一辐亮度传感器，第二辐亮度传感器，辐照度传感器，GPS传感器，信号转换器，显示终端，GPS接收机，第一辐亮度传感器，用于测量水面上行辐亮度Lt；第二辐亮度传感器，用于测量下行天空光辐亮度Li；辐照度传感器，用于测量向下辐照度Es；GPS接收机，用于接收GPS传感器传输的信号；信号转换器,用于对测得的数据进行数据转换，PC端，用于对信号转换器转换的数据通过规范公式进行计算分析海域内水色情况，并显示与存储结果。本发明利用光谱观测系统SAS遥感技术，实现了航向瞬时变化大、太阳耀斑、船阴影及弱光照等情况下数据的自动识别及异常数据的有效剔除。

Description

基于光谱监测系统SAS的水色监测装置
技术领域
本发明属于海洋环境技术领域，具体涉及一种基于光谱监测系统SAS的水色监测装置。
背景技术
现场测量离水辐亮度是海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验的前提，走航观测可以满足遥感产品真实性检验对大样本量的需求。离水辐亮度及遥感反射率是水体的主要表观光学量(AOPs)，也是海洋水色遥感的基本参数。利用水色遥感获取的离水辐亮度或遥感反射率，可以进一步反演水体表层叶绿素浓度、悬浮物浓度及黄色物质吸收等信息。而现场测量获取的离水辐亮度和遥感反射率数据，是海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验的前提。离水辐亮度和遥感反射率的现场测量，目前国际水色界主要推行水面之上测量法和水下剖面测量法两类方法。水面之上法(或水面法)是通过严格仪器定标，设置合理观测几何和积分时间，直接测量水表面辐亮度信息，具有对设备要求低、现场操作简单等优点，但该方法受海面、大气环境影响大，水下剖面法则是由水下光场测量外推得到水表信息。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用光谱观测系统SAS遥感技术，可精确的估算出不同角度下水气界面反射系数，准确的估算需要考虑海面风速和气溶胶等因素的影响，实现航向瞬时变化大、太阳耀斑、船阴影及弱光照等情况下数据的自动识别及异常数据的有效剔除的基于光谱监测系统SAS的水色监测装置。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，包括第一辐亮度传感器，第二辐亮度传感器，辐照度传感器，GPS传感器，信号转换器，显示终端，GPS接收机，第一辐亮度传感器，用于测量水面上行辐亮度Lt；第二辐亮度传感器，用于测量下行天空光辐亮度Li；辐照度传感器，用于测量向下辐照度Es；GPS接收机，用于接收GPS传感器传输的信号；信号转换器,用于对测得的数据进行数据转换，PC端，用于对信号转换器转换的数据通过规范公式进行计算分析海域内水色情况，并显示与存储结果。本装置利用辐亮度传感器与辐照度传感器测量水面上行辐亮度、下行天空光辐亮度和向下辐照度，同时，连接GPS来获取地理位置和船航行速度、方位等辅助信息实现原始数据采集，然后对原始数据依次进行辐射定标、插值和扣除暗电流，得到三者时间匹配的有效观测记录；其次，利用辐射传输模型模拟生成不同角度下的水气界面反射率查找表，并根据GPS数据计算出的角度信息确定每一个记录时刻的水气界面反射系数，在此基础上，依据SAS测量原理，得到全部记录的初始AOPS；最后，对初始AOPS进行质量控制，可精确的估算出不同角度下水气界面反射系数，准确的估算需要考虑海面风速和气溶胶等因素的影响，以自动识别并剔除受太阳耀斑和船舶阴影等影响的记录,实现对水色的监测，本装置，结构简单，操作方便，适合大规模推广。
作为优选，PC端包括数据计算模块和数据分析模块。
作为优选，数据计算模块用于对信号转换器转换的数据进行计算。
作为优选，数据分析模块用于对数据计算模块计算的数据结果进行分析、归纳。
作为优选，将该装置安装于船体船首上，所述船体上安装有小型吊机，所述船体上设有防腐隔板，所述防腐隔板上设置有控制室，所述控制室周围设有围栏。通过将该装置安装于船体船首上，能够避免船行波、船阴影的影响
作为优选，PC端13还用于计算分析所得结果的显示和或存储。
作为优选，控制室上方两侧分别设有气象站系统与太阳能电池板，所述气象站系统与太阳能电池板之间设有GPS传感器。安装的GPS用于获取地理位置、船体航行速度、方位信息，设置的气象站系统，用于实时分析海面上风浪等气象情况，掌控气象情况，有利于提高装置测试的准确度，太阳能电池板用于对装置运行提供所需的电力。
作为优选，规范公式包括：水面上行辐亮度(Lt)、下行天空光辐亮度(Li)、归一化离水辐亮度(Lwn)、遥感反射率(Rrs)，
水面上行辐亮度(Lt)计算公式为：
Lt＝LW+pLi+△；式中，其中Lw为离水辐亮度，p为水气界面反射系数，△为外界干扰，包括耀斑和白帽等，难以测量和估算，在海况较好的情况下，外界干扰可以忽略，由此可得到离水辐亮度：
LW＝Lt-pLi；
在此基础上，进一步获得归一化离水辐亮度(LWN)和遥感反射率(Rrs)：
LWN＝LwF0/Es＝(Lt-pLi)F0/Es；
Rrs＝LW/Es＝(Lt-pLi)/Es；
式中Es为SAS测量获得的海面入射辐照度，F0为平均日地距离的大气层外太阳辐照度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本装置利用辐亮度传感器与辐照度传感器测量水面上行辐亮度、下行天空光辐亮度和向下辐照度，同时，连接GPS来获取地理位置和船航行速度、方位等辅助信息实现原始数据采集，然后对原始数据依次进行辐射定标、插值和扣除暗电流，得到三者时间匹配的有效观测记录；其次，利用辐射传输模型模拟生成不同角度下的水气界面反射率查找表，并根据GPS数据计算出的角度信息确定每一个记录时刻的水气界面反射系数，在此基础上，依据SAS测量原理，得到全部记录的初始AOPS；最后，对初始AOPS进行质量控制，可精确的估算出不同角度下水气界面反射系数，准确的估算需要考虑海面风速和气溶胶等因素的影响，以自动识别并剔除受太阳耀斑和船舶阴影等影响的记录,实现对水色的监测，本装置，结构简单，操作方便，适合大规模推广。
本发明通过上述技术方案提供了一种基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，弥补了现有技术的不足。
附图说明
图1为装置搭载船舶的工作示意图；
图2为SAS系统构成示意图；
图3为SAS数据处理流程图。
附图标记说明：1船体；2防腐隔板；3围栏；4控制室；5气象站系统；6GPS传感器；7太阳能电池板；8小型吊机；9姿态传感器；10辐照度传感器；11第一辐亮度传感器；12第二辐亮度传感器；13PC端；14信号转换器；15GPS接收机。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1
如图1-3所示，基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，包括基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，包括第一辐亮度传感器11，第二辐亮度传感器12，辐照度传感器10，GPS传感器6，信号转换器14，显示终端13，GPS接收机15，第一辐亮度传感器11，用于测量水面上行辐亮度Lt；第二辐亮度传感器12，用于测量下行天空光辐亮度Li；辐照度传感器10，用于测量向下辐照度Es；GPS接收机15，用于接收GPS传感器6传输的信号；信号转换器14,用于对测得的数据进行数据转换，PC端13，用于对信号转换器14转换的数据通过规范公式进行计算分析海域内水色情况，并显示与存储结果。本装置利用辐亮度传感器与辐照度传感器测量水面上行辐亮度、下行天空光辐亮度和向下辐照度，同时，连接GPS来获取地理位置和船航行速度、方位等辅助信息实现原始数据采集，然后对原始数据依次进行辐射定标、插值和扣除暗电流，得到三者时间匹配的有效观测记录；其次，利用辐射传输模型模拟生成不同角度下的水气界面反射率查找表，并根据GPS数据计算出的角度信息确定每一个记录时刻的水气界面反射系数，在此基础上，依据SAS测量原理，得到全部记录的初始AOPS；最后，对初始AOPS进行质量控制，可精确的估算出不同角度下水气界面反射系数，准确的估算需要考虑海面风速和气溶胶等因素的影响，以自动识别并剔除受太阳耀斑和船舶阴影等影响的记录,实现对水色的监测，本装置，结构简单，操作方便，适合大规模推广。
PC端13包括数据计算模块和数据分析模块。
数据计算模块用于对信号转换器14转换的数据进行计算。
数据分析模块用于对数据计算模块计算的数据结果进行分析、归纳。
PC端13还用于计算分析所得结果的显示和或存储。
将该装置安装于船体1船首上，所述船体1上安装有小型吊机8，所述船体1上设有防腐隔板2，所述防腐隔板2上设置有控制室4，所述控制室4周围设有围栏3。通过将该装置安装于船体船首上，能够避免船行波、船阴影的影响
控制室4上方两侧分别设有气象站系统5与太阳能电池板7，所述气象站系统5与太阳能电池板7之间设有GPS传感器6。安装的GPS用于获取地理位置、船体航行速度、方位信息，设置的气象站系统，用于实时分析海面上风浪等气象情况，掌控气象情况，有利于提高装置测试的准确度，太阳能电池板用于对装置运行提供所需的电力。
规范公式包括：水面上行辐亮度(Lt)、下行天空光辐亮度(Li)、归一化离水辐亮度(Lwn)、遥感反射率(Rrs)，
水面上行辐亮度(Lt)计算公式为：
Lt＝LW+pLi+△；式中，其中Lw为离水辐亮度，p为水气界面反射系数，△为外界干扰，包括耀斑和白帽等，难以测量和估算，在海况较好的情况下，外界干扰可以忽略，由此可得到离水辐亮度：
LW＝Lt-pLi；
在此基础上，进一步获得归一化离水辐亮度(LWN)和遥感反射率(Rrs)：
LWN＝LwF0/Es＝(Lt-pLi)F0/Es；
Rrs＝LW/Es＝(Lt-pLi)/Es；
式中Es为SAS测量获得的海面入射辐照度，F0为平均日地距离的大气层外太阳辐照度。
实施例2：
SAS数据处理流程示意图参见图3，控制步骤如下：
1)：首先，对Lt、Li、Es原始数据依次进行辐射定标、插值和扣除暗电流，得到三者时间匹配的有效观测记录；
2)：利用辐射传输模型模拟生成不同角度下的水气界面反射率查找表，并根据GPS数据计算出的角度信息确定每一个记录时刻的水气界面反射系数，在此基础上，依据SAS测量原理，得到全部记录的初始AOPs(LWN和Rrs)；
3)：对初始AOPs进行质量控制，得到最终有效的LWN和Rrs。
其目的在于：一是利用SAS监测系统对水气界面反射系数的估算；二是质量控制，以自动识别并剔除受太阳耀斑和船舶阴影等影响的记录。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，包括第一辐亮度传感器(11)，第二辐亮度传感器(12)，辐照度传感器(10)，GPS传感器(6)，信号转换器(14)，PC端(13)，GPS接收机(15)，其特征在于：
第一辐亮度传感器(11)，用于测量水面上行辐亮度Lt；
第二辐亮度传感器(12)，用于测量下行天空光辐亮度Li；
辐照度传感器(10)，用于测量向下辐照度Es；
GPS接收机(15)，用于接收GPS传感器(6)传输的信号；
信号转换器(14),用于对测得的数据进行数据转换；
PC端(13)，用于对信号转换器(14)转换的数据通过规范公式进行计算分析海域内水色情况，并显示与存储结果；
所述的PC端(13)包括数据计算模块和数据分析模块；
所述的数据计算模块用于对信号转换器(14)转换的数据进行计算；
所述的数据分析模块用于对数据计算模块计算的数据结果进行分析、归纳；
将该装置安装于船体(1)船首上，所述船体(1)上安装有小型吊机(8)，所述船体(1)上设有防腐隔板(2)，所述防腐隔板(2)上设置有控制室(4)，所述控制室(4)周围设有围栏(3)；
所述的规范公式包括：水面上行辐亮度(Lt)、下行天空光辐亮度(Li)、归一化离水辐亮度(Lwn)、遥感反射率(Rrs)，水面上行辐亮度(Lt)计算公式为：
Lt＝LW+pLi+△；式中，其中LW为离水辐亮度，p为水气界面反射系数，△为外界干扰，在海况较好的情况下，忽略外界干扰，得到离水辐亮度：
LW＝Lt-pLi；
在此基础上，进一步获得归一化离水辐亮度(LWN)和遥感反射率(Rrs)：LWN＝LwF0/Es＝(Lt-pLi)F0/Es；
Rrs＝LW/Es＝(Lt-pLi)/Es；
式中Es为SAS测量获得的海面入射辐照度，F0为平均日地距离的大气层外太阳辐照度。
2.根据权利要求1所述的基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，其特征在于：所述控制室(4)上方两侧分别设有气象站系统(5)与太阳能电池板(7)，所述气象站系统(5)与太阳能电池板(7)之间设有GPS传感器(6)。
3.根据权利要求1所述的基于光谱监测系统SAS的水色监测装置，其特征在于：所述PC端(13)还用于计算分析所得结果的显示和或存储。
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