CN109490221A - 水体表观光谱测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水体表观光谱测量装置及其测量方法，水体表观光谱测量装置包括方位调节模块、光谱测量模块、数据处理模块、存储显示模块以及供电系统；光谱测量模块检测水面和天空的光谱信息并传输至数据处理模块；光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个分别与光谱仪连接的光谱通道，光谱通道测量光谱数据，光谱仪接收光谱数据后分析生成光谱信息；数据处理模块采集光谱信息后进行数据处理以获取测量结果；存储显示模块接收测量结果并存储和显示；方位调节模块计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于光谱通道的背面。与相关技术相比，本发明的水体表观光谱测量装置结构简单、测量效率高且能够进行实时监测。
Description
【技术领域】
本发明涉及光谱测量装置领域，尤其涉及一种运用于在线非接触监测水体表观环境的水体表观光谱测量装置及其测量方法。
【背景技术】
随着工业发展、城镇化提速以及人口数量的膨胀，我国对水资源的需求日益增长；为了实现经济和社会的可持续发展，水体环境的监测工作愈发重要，其中水体环境污染防治问题成为了水体环境监测工作的关键，利用水体表观光谱测量装置实时检测、分析及预测水质参数状况、变化规律和演化趋势是进行水环境污染控制与治理的重要手段。因此，水体表观光谱测量装置的需求越来越大，对其技术性能的要求也越来越高。
相关技术中水体表观光谱测量装置是通过水面以上测量法进行水体监测的，即按照该水面以上测量法的观测几何的位置要求，利用所述水体表观光谱测量装置在三个方位上测量记录水面总辐亮度(Lsw)、天空漫反射辐亮度(Lsky)以及水面入射总辐照度(Ed(0+))等三个光谱数据。
其中，所述水体表观光谱测量装置包括具有单光谱通道的地物光谱仪和具有三光谱通道的三通道光谱测量系统；然而，相关技术中的所述地物光谱仪只装设一个所述光谱仪，在使用所述地物光谱仪测量时，操作人员分别手动在三个方位上测量光谱数据，并且分不同时间进行多轮的测量；然而，所述地物光谱仪的操作复杂，而且分时测量导致测量误差大，而且每轮的测量结果需要人工进行标号记录，导致测量的光谱数据无法在线处理，无法实现无人值守的实时监测。
另外，相关技术中的所述三通道光谱测量系统虽然能够同时测量三个方位上的光谱数据，但是该三光谱通道是通过三个光谱仪实现的，每一个所述光谱仪为一个光谱通道；设置三个所述光谱仪，不仅使得所述三通道光谱测量系统的光路结构复杂、价格昂贵，而且在测量操作时也需要人工对各个光谱通道测量的光谱数据进行相应的标号记录，导致测量的光谱数据无法在线处理，无法实现无人值守的实时监测。
因此，实有必要提供一种新的水体表观光谱测量装置及其测量方法解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种结构简单、测量效率高且能够进行实时监测的水体表观光谱测量装置及其测量方法。
为达到上述目的，本发明提供一种水体表观光谱测量装置及其测量方法，所述水体表观光谱测量装置包括方位调节模块、分别安装于所述方位调节模块的光谱测量模块、数据处理模块和存储显示模块以及分别与所述方位调节模块、所述光谱测量模块、所述数据处理模块及所述存储显示模块电连接并提供电源的供电系统；所述光谱测量模块用于检测水面和天空的光谱信息，并传输所述光谱信息至所述数据处理模块；所述光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个分别与所述光谱仪连接的光谱通道，所述光谱通道用于测量光谱数据，所述光谱仪接收所述光谱数据后分析生成光谱信息；所述数据处理模块用于采集所述光谱仪生成的所述光谱信息并对该光谱信息进行数据处理，获取测量结果；所述存储显示模块接收所述测量结果并进行存储和显示；所述方位调节模块用于计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于所述光谱通道的背面。
优选的，所述光谱通道至少包括与所述光谱仪连接的天空总辐照度计、天空光辐亮度计以及水体和空气光辐亮度计，所述天空光辐亮度计和所述水体和空气光辐亮度计分别与水平面呈一定角度设置；所述天空总辐照度计用于测量并接收水面入射总辐照度数据，所述天空光辐亮度计用于测量并接收天空漫反射辐亮度数据，所述水体和空气光辐亮度计用于测量并接收水面总辐亮度数据，所述光谱仪至少接收所述水面入射总辐照度数据、所述天空漫反射辐亮度数据以及所述水面总辐亮度数据后分析生成所述光谱信息。
优选的，所述天空总辐照度计包括依次形成连接的第一光学耦合系统、第一光学天线以及余弦辐照度计，所述第一光学耦合系统连接于所述光谱仪，所述余弦辐照度计垂直于水面并朝向天空设置；所述天空光辐亮度计包括与所述光谱仪连接的第二光学耦合系统以及与所述第二光学耦合系统连接的朝向天空的第二光学天线；所述水体和空气光辐亮度计包括与所述光谱仪连接的第三光学耦合系统以及与所述第三光学耦合系统连接的朝向水面的第三光学天线。
优选的，所述水体表观光谱测量装置还包括装设于所述方位调节模块并与所述供电系统电连接的摄像机；所述摄像机用于拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
优选的，所述摄像机为高光谱相机，所述摄像机用于拍摄记录目标水体的实时图谱信息，以所述图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
优选的，所述方位调节模块包括转台、驱动所述转台转动的驱动系统、GPS系统以及太阳方位角计算系统；所述转台与所述驱动系统形成电连接，所述GPS系统接收太阳方位角信息并传输至所述太阳方位角计算系统，所述太阳方位角计算系统根据所述太阳方位角信息计算生成转动信号并传输至所述驱动系统，所述驱动系统根据所述转动信号驱动所述转台转动；所述光谱测量模块装设于所述转台。
本发明还提供一种水体表观光谱测量的测量方法，包括本发明所述的水体表观光谱测量装置，该测量方法的步骤包括：
步骤一：在目标水体安装所述水体表观光谱测量装置，预设所述水体表观光谱测量装置的观测几何状态，通过所述方位调节模块实时旋转使太阳始终位于所述光谱通道的背面；
步骤二：通过所述光谱通道采集所述光谱数据，并通过所述光谱仪接收所述光谱数据后进行光谱分析，生成所述光谱信息；
步骤三：通过所述数据处理模块采集所述光谱信息，并对该光谱信息进行按预设规则进行数据处理以获得所述测量结果；
步骤四：通过所述存储显示模块将所述测量结果进行存储与显示。
优选的，所述光谱通道至少包括与所述光谱仪连接的天空总辐照度计、天空光辐亮度计以及水体和空气光辐亮度计，所述天空光辐亮度计和所述水体和空气光辐亮度计分别与水平面呈一定角度设置；在所述步骤二中，至少通过所述天空总辐照度计、所述天空光辐亮度计及所述水体和空气光辐亮度计分别采集水面入射总辐照度数据、天空漫反射辐亮度数据以及水面总辐亮度数据，所述光谱仪至少接收所述水面入射总辐照度数据、所述天空漫反射辐亮度数据以及所述水面总辐亮度数据后分析生成所述光谱信息。
优选的，所述水体表观光谱测量装置还包括装设于所述方位调节模块的摄像机，在所述步骤二中，通过所述摄像机拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，并以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
优选的，在所述步骤三中，所述预设规则包括通过所述数据处理模块对所述光谱信息进行数据降噪及数据融合的预处理，再通过构建算法、反演水体反射率及离水辐亮度参数得到水体反射率参数，利用人工神经网络算法建立水体要素高精度反演模型，以获取所述测量结果；所述测量结果包括叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物等的浓度信息。
与相关技术相比，本发明的所述水体表观光谱测量装置中，所述光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个与所述光谱仪连接的光谱通道，所述光谱通道用于测量光谱数据，所述光谱仪接收所述光谱数据后分析生成光谱信息，即该结构实现了在同一所述光谱仪通过多个所述光谱通道便能测量到多个方位的光谱信息，该结构简化了所述光谱测量模块的光路结构，使得所述水体表观光谱测量装置的结构简单；同时，通过所述数据处理模块采集所述光谱仪生成的所述光谱信息并对该光谱信息进行数据处理，获取测量结果，所述存储显示模块接收所述测量结果并进行存储和显示，所述测量结果存储在所述存储显示模块，省去了测量过程中数据标号记录的工作，提高所述水体表观光谱测量装置的测量效率，并且所述测量结果可随时调用，为所述水体表观光谱测量装置在无人值守的情况下进行实时监测创造了条件。另外，所述方位调节模块用于计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于所述光谱通道的背面，所述光谱测量模块装设于所述方位调节模块，即所述光谱测量模块随所述方位调节模块的转动而改变自身的方位，使得在无人值守的情况下，所述水体表观光谱测量装置依然处于预设的测量状态，从而确保所述水体表观光谱测量装置能够在无人值守的情况下对目标水体进行精确的测量。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明水体表观光谱测量装置的部分结构示意图；
图2为本发明的光谱测量模块、摄像机和方位调节模块的部分结构示意图；
图3为本发明的天空总辐照度计、天空光辐亮度计以及水体和空气光辐亮度计安装在水面时的观察几何状态示意图；
图4为本发明的水体表观光谱测量装置的测量方法流程图。
【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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明提供一种水体表观光谱测量装置100，其包括方位调节模块1、光谱测量模块2、数据处理模块3、存储显示模块4、摄像机5以及供电系统6。
当然，在实际使用的过程中，根据不同水体环境的检测需求，所述水体表观光谱测量装置100还可以增设温湿度传感器、压力传感器、化学传感器以及气象传感器等测量模块。
请参阅图1所示，本实施方式中，所述光谱测量模块2、所述数据处理模块3、所述存储显示模块4以及所述摄像机5分别固定安装于所述方位调节模块1；所述供电系统6为整个所述水体表观测量装置100提供电能，即分别与所述方位调节模块1、所述光谱测量模块2、所述数据处理模块3、所述存储显示模块4和所述摄像机5形成电连接并提供电源。
具体的，所述光谱测量模块2用于检测水面和天空的光谱信息，并传输所述光谱信息至所述数据处理模块3；所述光谱测量模块2包括光谱仪21以及至少三个分别与所述光谱仪21连接的光谱通道22，所述光谱通道22用于测量光谱数据，所述光谱仪21接收所述光谱数据后分析生成光谱信息。
需要说明的是，所述光谱仪21和所述光谱通道22的数量是不限的，可以根据测量的需求而确定所述光谱仪21和所述光谱通道22设置的数量；比如，在本实施方式中，所述光谱仪21为一个，所述光谱通道22包括三个且分别通过光纤连接于该光谱仪21，具体的，三个所述光谱通道22分别为天空总辐照度计221、天空光辐亮度计222和水体和天空光辐亮度计223。
请同时参阅图1及图3所示，进一步的，所述水体表观光谱测量装置100采用的是水面以上测量方法，因此所述光谱测量模块2的各个部件需要预设一定的观测几何状态；当所述水体表观光谱测量装置100应用于目标水体中时，所述目标水体的水平面为所述水体表观光谱测量装置100的水平方向，即所述天空总辐照度计221、所述天空光辐亮度计222和所述水体和天空光辐亮度计223分别与水平面呈一定的角度设置；具体的，所述天空总辐照度计221包括通过光纤依次形成连接的第一光学耦合系统2211、第一光学天线2212以及余弦辐照度计2213，所述第一光学耦合系统2211通过光纤连接于所述光谱仪21，所述余弦辐照度计2213垂直于水面并朝向天空设置；所述天空光辐亮度计222包括通过光纤与所述光谱仪21连接的第二光学耦合系统2221以及通过光纤与所述第二光学耦合系统2221连接的朝向天空的第二光学天线2222；所述水体和天空光辐亮度计223包括通过光纤与所述光谱仪21连接的第三光学耦合系统2231以及通过光纤与所述第三光学耦合系统2231连接的朝向水面的第三光学天线2232。
需要说明的是，所述天空光辐亮度计222和所述水体和天空光辐亮度计223的观测角度可以根据目标水体的测量需求进行手动调整。具体的，所述第二光学天线2222朝向天空设置并与水面法线形成夹角α1，所述夹角α1的角度为20°至50°之间，所述第三光学天线2232朝向水面设置并与水面法线形成夹角α2，所述夹角α2角度为20°至50°之间；进一步的，所述第二光学天线2222与水面法线的所述夹角α1角度为30°，所述第三光学天线2232与水面法线的所述α2夹角角度为30°。
当然，所述天空光辐亮度计222和所述水体和天空光辐亮度计223的观测角度不限于此。
更进一步的，所述天空总辐照度计221用于测量并接收水面入射总辐照度数据(Ed(0+))，所述天空光辐亮度计222用于测量并接收天空漫反射辐亮度数据(Lsky)，所述水体和天空光辐亮度计223用于测量并接收水面总辐亮度数据(Lsw)，所述光谱仪21接收所述水面入射总辐照度数据(Ed(0+))、所述天空漫反射辐亮度数据(Lsky)以及所述水面总辐亮度数据(Lsw)后分析生成所述光谱信息，所述光谱信息通过所述光谱仪21传输至所述数据处理模块3。
上述结构中，所述天空总辐照度计221、天空光辐亮度计222和所述水体和天空光辐亮度计223分别单独地作为一个光谱通道通过光纤与所述光谱仪21形成连接，使得在同一所述光谱仪21具有三个所述光谱通道22，即在同一所述光谱仪21通过三个所述光谱通道22便能测量三个方位的光谱信息，简化了所述光谱测量模块2的光路结构，从而使得所述水体表观光谱测量装置100的结构简单，所述水体表观光谱测量装置100的制造成本也随之降低。
本实施方式中，所述数据处理模块3用于采集所述光谱仪21生成的所述光谱信息并对该光谱信息进行数据处理，获取测量结果并传输至所述存储显示模块4，所述存储显示模块4接收所述测量结果并进行存储和显示；具体的，所述数据处理模块3对所述光谱信息进行数据降噪及数据融合的预处理，再通过构建算法、反演水体反射率及离水辐亮度参数得到水体反射率参数，利用人工神经网络算法建立水体要素高精度反演模型，以获取所述测量结果；需要说明的是，所述测量结果包括叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度信息。
上述结构中，所述测量结果存储在所述存储显示系统4，省去了在测量过程中数据标号记录的工作，提高所述水体表观光谱测量装置100的测量效率，并且存储在所述存储显示模块4的所述测量结果可随时调用，为所述水体表观光谱测量装置100在无人值守的情况下进行测量创造了条件，即在无人值守的情况下，所述水体表观光谱测量装置100对目标水体进行持续的测量并获得相应的所述测量结果，大量的所述测量结果可以直接存储在所述存储显示系统4、无需人工实时记录，使得所述水体表观光谱测量装置100能够实现无人值守的实时监测功能。
为了更全面地获取目标水体的信息，所述水体表观光谱测量装置100还装设有所述摄像5；所述摄像机5包括高清相机和/或高光谱相机，所述摄像机5用于拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块4进行存储和显示。
通过所述摄像机5的设置，所述存储显示模块4同时接收所述测量结果与所述图像信息和/或所述图谱信息，所述存储显示模块4能够实现对叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度数据信息及水面和天空的实时状态的所述图像信息和/或所述图谱信息的同时存储和显示，使得所述水体表观光谱测量装置100为使用者提供关于该目标水体的多方面的信息，方便使用者对该目标水体的污染状态有更准确的把握；即所述测量结果展示的是该目标水体在该时间点的叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度信息，所述图像信息和/或所述图谱信息展示的则是目标水体在该测量结果下的水面和天空的实时状态；当然，所述测量结果包括但不限于叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度信息。
作为优选方案的，所述摄像机5优选为高光谱相机；具体的，所述摄像机5为基于液晶可调谐滤波器的高光谱相机、基于AOTF的高光谱相机、基于光栅分光的高光谱相机或基于光学滤光片的相机中的一种；当然，所述摄像机5的种类不限于此。
所述高光谱相机用于拍摄记录目标水体的水面和天空的实时所述图谱信息。需要说明的是，在同一时间点，对所述目标水体测量并获得的所述测量结果与所述图谱信息是相互对应补充的关系，将所述光谱测量模块2采集得到的所述光谱信息及所述摄像机5采集到的所述图谱数据进行数据融合，最终实现对目标水体进行大面积、高精度、快速、长期的动态监测。所述数据融合包括光谱分辨率匹配、高光谱相机反射率反演等算法。
请同时参阅图1～2所示，为了提高所述水体表观光谱测量装置100测量的精确度，需要保证所述光谱测量模块2相对于太阳的方位而言始终处于预设的位置状态，使太阳始终位于所述光谱通道22的背面，具体的，需要保证所述天空总辐照度计221、所述天空光辐亮度计222以及所述水体和天空光辐亮度计223始终背对太阳设置。
在本实施方式中，通过设置所述方位调节模块1实现所述光谱测量模块2的方位调整，所述方位调节模块1用于计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于所述天空总辐照度计221、所述天空光辐亮度计222和所述水体和天空光辐亮度计223的背面。
进一步的，所述方位调节模块1包括转台11、驱动所述转台11转动的驱动系统12、太阳方位角计算系统13以及GPS系统14；所述转台11与所述驱动系统12形成电连接，所述GPS系统14接收太阳方位角信息并传输至所述太阳方位角计算系统13，所述太阳方位角计算系统13根据所述太阳方位角信息计算生成转动信号并传输至所述驱动系统12，所述驱动系统12根据所述转动信号驱动所述转台11转动；所述光谱测量模块2和所述摄像机5分别装设于所述转台11，即所述转台11和所述摄像机5随所述转台11的转动而改变自身的方位。
上述结构中，通过所述方位调节模块1的设置，使得所述光谱测量模块2和摄像机5能够自动调节相对于太阳的方位，在无人值守的情况下，所述水体表观光谱测量装置100依然处于预设的测量状态，使得所述水体表观光谱测量装置100能够在无人值守的情况下也能够测量到高精度的光谱信息，并获得相对应的所述测量结果和所述图像信息。
请同时参阅图1～3所示，本发明还提供一种水体表观光谱的测量方法，包括本发明所述的水体表观光谱测量装置100，该测量方法的步骤包括：
步骤S1，在目标水体安装所述水体表观光谱测量装置100，预设所述水体表观光谱测量装置100的观测几何状态，通过所述方位调节模块1实时旋转使太阳始终位于所述光谱通道22的背面。
在所述步骤S1中，具体的，所述光谱通道22至少包括与所述光谱仪21连接的天空总辐照度计221、天空光辐亮度计222以及水体和空气光辐亮度计223，所述天空光辐亮度计222和所述水体和空气光辐亮度计223分别与水平面呈一定角度设置；所述方位调节模块1实时旋转使太阳始终位于所述天空总辐照度计221、所述天空光辐亮度计222以及所述水体和空气光辐亮度计223的背面。
步骤S2，通过所述光谱通道22采集所述光谱数据，并通过所述光谱仪21接收所述光谱数据后进行光谱分析，生成所述光谱信息。
在所述步骤S2中，具体的，通过所述天空总辐照度计、所述天空光辐亮度计和所述水体和天空光辐亮度计分别采集所述水面入射总辐照度数据(Ed(0+))、所述天空漫反射辐亮度数据(Lsky)以及所述水面总辐亮度数据(Lsw)，并通过所述光谱仪接收所述水面入射总辐照度数据(Ed(0+))、所述天空漫反射辐亮度数据(Lsky)以及所述水面总辐亮度数据(Lsw)后进行光谱分析，生成所述光谱信息。
进一步的，通过所述摄像机5拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，并以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块4进行存储和显示。
步骤S3，通过所述数据处理模块3采集所述光谱信息，并对该光谱信息进行按预设规则进行数据处理以获得所述测量结果。
在所述步骤S3中，具体的，所述预设规则包括通过所述数据处理模块3对所述光谱信息进行数据降噪及数据融合的预处理，再通过构建算法、反演水体反射率及离水辐亮度参数得到水体反射率参数，利用人工神经网络算法建立水体要素高精度反演模型，以获取所述测量结果；所述测量结果包括叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度信息。
具体预处理过程的如下所示：
根据水面以上测量方法的理论，首先，反演离水辐亮度，可以通过以下公式得出：
Lsw＝Lw+r Lsky+Lg (1)
其中：
Lsw指光谱仪测得的总辐射率(水面光辐亮度)；
Lw指离水辐射率；
r Lsky指的是天空漫反射光经水面的反射辐射(天空光在水面反射以后进入仪器的信号，没有任何水体信息)；
Lg指的是太阳直射反射(水面波浪对太阳直射光的随机反射，没有任何水体信息)；Lg通过调整合适的几何观测角度，理想状态下可忽略。
在避开太阳直射反射、忽略或避开水面泡沫的情况下，光谱仪测量的水体光谱信息为：
Lsw＝Lw+r Lsky (2)
其中
Lw为离水辐亮度；
Lsky天空漫散射光，不带有任何水体信息，必须在测量后去掉；
r指气-水界面对天空光的反射比(一般为2％-5％)r＝2.1％～5％，r＝r(W，qv，fv，q0，f0)为气--水界面对天空光的反射率，取决于太阳位置(q0，f0)、观测几何(qv,fv)、风速风向(W)或海面粗糙度等因素。根据经验，一定的观测几何条件下，平静水面可取r＝2.2％，在5m/s左右风速的情况下，r可取2.5％，10m/s左右风速的情况下，取2.6％-2.8％。
由(2)式得，离水辐亮度Lw为：
Lw＝Lsw-rLsky
取r＝2.2％，将测量得到的水面总辐亮度(Lsw)和天空漫反射辐亮度(Lsky)代入(2)式获得离水辐亮度Lw的数值。
然后，水体遥感反射率是描述水体光谱特征的重要参数之一，是水色遥感的基础物理量。水体遥感反射率测量是需要通过辐射能量间接计算得出。水体的遥感反射率R为：
R＝Lw/Ed(0+) (4)
(4)式代入(3)式，得出：
R＝(Lsw-rLsky)/Ed(0+) (5)
将等水面总辐亮度(Lsw)、天空漫反射辐亮度(Lsky)和水面入射总辐照度(Ed(0+))分别代入(5)式，得出水体遥感反射率R的数值。
最后，借助人工神经网络等算法建立水体要素高精度反演模型，将运算得到的水体遥感反射率R代入该反演模型，最终可以获得叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等物质的浓度信息，即本发明所称的所述测量结果；当然，所述测量结果包括但不限于叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度信息。
步骤S4，通过所述存储显示模块4将所述测量结果进行存储与显示。具体的，所述存储显示模块4将所述目标水体的叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物(CDOM)等的浓度数据信息及该目标水体的水面和天空的实时状态的图像信息和/或图谱信息进行存储和显示。
与相关技术相比，本发明的所述水体表观光谱测量装置中，所述光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个与所述光谱仪连接的光谱通道，所述光谱通道用于测量光谱数据，所述光谱仪接收所述光谱数据后分析生成光谱信息，即该结构实现了在同一所述光谱仪通过多个所述光谱通道便能测量到多个方位的光谱信息，该结构简化了所述光谱测量模块的光路结构，使得所述水体表观光谱测量装置的结构简单；同时，通过所述数据处理模块采集所述光谱仪生成的所述光谱信息并对该光谱信息进行数据处理，获取测量结果，所述存储显示模块接收所述测量结果并进行存储和显示，所述测量结果存储在所述存储显示模块，省去了测量过程中数据标号记录的工作，提高所述水体表观光谱测量装置的测量效率，并且所述测量结果可随时调用，为所述水体表观光谱测量装置在无人值守的情况下进行实时监测创造了条件。另外，所述方位调节模块用于计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于所述光谱通道的背面，所述光谱测量模块装设于所述方位调节模块，即所述光谱测量模块随所述方位调节模块的转动而改变自身的方位，使得在无人值守的情况下，所述水体表观光谱测量装置依然处于预设的测量状态，从而确保所述水体表观光谱测量装置能够在无人值守的情况下对目标水体进行精确的测量。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述水体表观光谱测量装置包括方位调节模块、分别安装于所述方位调节模块的光谱测量模块、数据处理模块和存储显示模块以及分别与所述方位调节模块、所述光谱测量模块、所述数据处理模块及所述存储显示模块电连接并提供电源的供电系统；所述光谱测量模块用于检测水面和天空的光谱信息，并传输所述光谱信息至所述数据处理模块；所述光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个分别与所述光谱仪连接的光谱通道，所述光谱通道用于测量光谱数据，所述光谱仪接收所述光谱数据后分析生成光谱信息；所述数据处理模块用于采集所述光谱仪生成的所述光谱信息并对该光谱信息进行数据处理，获取测量结果；所述存储显示模块接收所述测量结果并进行存储和显示；所述方位调节模块用于计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转，使太阳始终位于所述光谱通道的背面。
2.根据权利要求1所述的水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述光谱通道至少包括与所述光谱仪连接的天空总辐照度计、天空光辐亮度计以及水体和空气光辐亮度计，所述天空光辐亮度计和所述水体和空气光辐亮度计分别与水平面呈一定角度设置；所述天空总辐照度计用于测量并接收水面入射总辐照度数据，所述天空光辐亮度计用于测量并接收天空漫反射辐亮度数据，所述水体和空气光辐亮度计用于测量并接收水面总辐亮度数据，所述光谱仪至少接收所述水面入射总辐照度数据、所述天空漫反射辐亮度数据以及所述水面总辐亮度数据后分析生成所述光谱信息。
3.根据权利要求2所述的水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述天空总辐照度计包括依次形成连接的第一光学耦合系统、第一光学天线以及余弦辐照度计，所述第一光学耦合系统连接于所述光谱仪，所述余弦辐照度计垂直于水面并朝向天空设置；所述天空光辐亮度计包括与所述光谱仪连接的第二光学耦合系统以及与所述第二光学耦合系统连接的朝向天空的第二光学天线；所述水面光辐亮度计包括与所述光谱仪连接的第三光学耦合系统以及与所述第三光学耦合系统连接的朝向水面的第三光学天线。
4.根据权利要求1所述的水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述水体表观光谱测量装置还包括装设于所述方位调节模块并与所述供电系统电连接的摄像机；所述摄像机用于拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
5.根据权利要求4所述的水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述摄像机为高光谱相机，所述摄像机用于拍摄记录目标水体的实时图谱信息，以所述图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
6.根据权利要求1所述的水体表观光谱测量装置，其特征在于，所述方位调节模块包括转台、驱动所述转台转动的驱动系统、GPS系统以及太阳方位角计算系统；所述转台与所述驱动系统形成电连接，所述GPS系统接收太阳方位角信息并传输至所述太阳方位角计算系统，所述太阳方位角计算系统根据所述太阳方位角信息计算生成转动信号并传输至所述驱动系统，所述驱动系统根据所述转动信号驱动所述转台转动；所述光谱测量模块装设于所述转台。
7.一种水体表观光谱的测量方法，其特征在于，提供如权利要求1所述的水体表观光谱测量装置，该测量方法的步骤包括：
步骤一：在目标水体安装所述水体表观光谱测量装置，预设所述水体表观光谱测量装置的观测几何状态，通过所述方位调节模块实时旋转使太阳始终位于所述光谱通道的背面；
步骤二：通过所述光谱通道采集所述光谱数据，并通过所述光谱仪接收所述光谱数据后进行光谱分析，生成所述光谱信息；
步骤三：通过所述数据处理模块采集所述光谱信息，并对该光谱信息进行按预设规则进行数据处理以获得所述测量结果；
步骤四：通过所述存储显示模块将所述测量结果进行存储与显示。
8.根据权利要求7所述的水体表观光谱的测量方法，其特征在于，所述光谱通道至少包括与所述光谱仪连接的天空总辐照度计、天空光辐亮度计以及水体和空气光辐亮度计，所述天空光辐亮度计和所述水体和空气光辐亮度计分别与水平面呈一定角度设置；在所述步骤二中，至少通过所述天空总辐照度计、所述天空光辐亮度计及所述水体和空气光辐亮度计分别采集水面入射总辐照度数据、天空漫反射辐亮度数据以及水面总辐亮度数据，所述光谱仪至少接收所述水面入射总辐照度数据、所述天空漫反射辐亮度数据以及所述水面总辐亮度数据后分析生成所述光谱信息。
9.根据权利要求7所述的水体表观光谱的测量方法，其特征在于，所述水体表观光谱测量装置还包括装设于所述方位调节模块的摄像机，在所述步骤二中，通过所述摄像机拍摄记录目标水体的水面和天空的实时状态，并以图像信息和/或图谱信息的形式上传至所述存储显示模块进行存储和显示。
10.根据权利要求7所述的水体表观光谱的测量方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述预设规则包括通过所述数据处理模块对所述光谱信息进行数据降噪及数据融合的预处理，再通过构建算法、反演水体反射率及离水辐亮度参数得到水体反射率参数，利用人工神经网络算法建立水体要素高精度反演模型，以获取所述测量结果；所述测量结果包括叶绿素、悬浮物、有色可溶性有机物等的浓度信息。
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