CN112945877A - 一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统及其工作方法，该系统中，水上运载平台上安装有大气传输特性光谱仪、水面环境参数传感器和第一计算机，水下运载平台上安装有水体下行辐照度光谱仪、水下高光谱成像仪和第二计算机。该系统通过实时获取大气传输光谱数据以及海表面环境参数建立气‑水界面模型，并结合水体下行光谱辐照度计算出水衰减系数，分别得到校正后的水面辐照度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱数据，从而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率，有效提高了水下高光谱的探测准确度。

Description

一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统及其工作 方法
技术领域
本发明涉及一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统及其工作方法，属于水下高 光谱成像探测技术领域。
背景技术
高光谱成像技术是融合了图像信息和光谱信息的一种技术，相比于传统的成像技术，高光 谱成像技术所获取的高光谱图像是一个三维数据立方体，它通过探测目标的二维空间信息和光 谱信息，来获取高分辨率、连续的图像数据，不仅可以获得目标图像的二维数据，并且还可以 获得高分辨率的一维光谱信息用来表征目标地物的属性，即以一种三维的方式反映地物的二维 场景信息和目标地物的光谱信息。高光谱成像技术具有纳米级的光谱分辨率，获取的许多光谱 连续的图像数据，为每个像元提供数十至数百个波段的光谱信息，是一条完整而连续的光谱曲 线。
海洋经济和海洋开发探测是二十一世纪的科学研究热点方向。高光谱成像技术在水下的各 类目标探测方面具有突出优势，能够获取水下目标物信息丰富、直观清晰的图像信息。在水产 养殖方面，能够对动、植物水产品的生长状况和病害情况进行快速探测，能有效提高对水产品 的生长状况的把控能力；在水下考古方面，欧洲国家也进行了大量研究，能够在沉船位置的陶 器、金属器具和古代遗迹等目标进行大范围探测发掘，有助于水下考古领域的新型技术发展。 同时，水下高光谱成像技术也在海洋油气资源勘探、海底可燃冰勘探、珊瑚礁资源生态系统状 况和海洋军事等领域均有应用。
但在水下高光谱成像过程中，水下目标的反射光受到水体的吸收和散射影响较大，并且在 浅海区域内，水体的环境光随大气传输特性变化导致差异很大，水柱、气-水界面和大气的复杂 光路的混杂效应导致水下不同波长的衰减，现有的水下高光谱成像系统所获取的水下目标的高 光谱数据会因为上述因素受到严重干扰，无法实现水下目标光谱反射率信息的精确探测，因此 如何测量并利用水体的衰减系数校正水下高光谱反射率信息是目前急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统。
本发明还提供了上述基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法，通过实时 获取大气传输光谱数以及海表环境参数建立气-水界面模型，并结合水体下行光谱辐照度光谱仪 计算出水衰减系数，分别得到校正后的水面辐照度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱数据， 从而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率，有效提高了水下高光谱的探测准确度。
本发明的技术方案为：
一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，该系统包括水上运载平台和水下运载 平台，
水上运载平台上安装有大气传输特性光谱仪、水面环境参数传感器和第一计算机，水上运 载平台一般是与AUV等水下运载平台相互传输数据的科考船等；
大气传输特性光谱仪用于测量大气辐照度，大气辐照度是指固体地球表面某一指定表面上 单位面积单位时间内所接受的来自大气圈的辐射能量；
水面环境参数传感器用于测量水面环境参数，水面环境参数包括测量温度、盐度、浊度、 PH值、风速和电导率；
所述大气传输特性光谱仪、水面环境参数传感器均与第一计算机相连接，将大气传输特性 光谱仪测量的大气辐照度和水面环境参数传感器测量的水面环境参数均输入到第一计算机；
水下运载平台上安装有水体下行辐照度光谱仪、水下高光谱成像仪和第二计算机，
水体下行辐照度光谱仪用来采集太阳光从水面穿透水体至水体下行辐照度光谱仪位置处的 水体下行辐照度；
水下高光谱成像仪用于测量水下目标的高光谱；
水体下行辐照度光谱仪、水下高光谱成像仪均与第二计算机相连接，从而将测得水体下行 辐照度和水下目标的高光谱传输到第二计算机中；
基于第一计算机实时获取的大气辐照度以及水面环境参数，建立空气-水界面模型，得到空 气-水界面辐照度的消光率，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度；
基于第二计算机获取的水体下行光谱辐照度，计算衰减系数，分别得到校正后的水面辐照 度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱，从而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率。
根据本发明优选的，水体下行辐照度光谱仪和水下高光谱成像仪均集成在水下运载平台的 主体上，且水体下行辐照度光谱仪和水下高光谱成像仪分别主体的上部和下部，水体下行辐照 度光谱仪在水体中竖直向上获取水体下行辐照度，水下高光谱成像仪在水体中竖直向下获取水 下目标的高光谱。
根据本发明优选的，水下运载平台的主体为自主水下航行器(AUV)或者遥控无人潜水器 (ROV)，水下运载平台的主体上集成有声学导航传感器、GPS、压力传感器、姿态传感器、有色 溶解有机物(CODM)传感器、叶绿素传感器、水体后向散射传感器。
根据本发明优选的，水下高光谱成像仪为多模式水下高光谱成像仪，模式包括内置扫描成 像采集模式与推扫式成像采集模式，内置扫描成像模式可实现悬停；根据水下运载平台情况， 可在其运行速度较慢的情况下选择推扫式成像采集模式；
在水下高光谱成像仪的镜头的两侧分别设置有双目立体视觉相机的一个窗口，双目立体视 觉相机用于提供相对于海底表面的距离，进行空间地理配准；
在水下高光谱成像仪的镜头的两侧还设置有第一辅助光源和第一辅助光源，第一辅助光源 和第一辅助光源用于照明；
水下高光谱成像仪的覆盖波长400-900nm，光谱分辨率≤5nm，空间分辨率≤2cm@1m，2cm@1m 表示在1m的距离时分辨率可达2cm，水下高光谱成像仪中探测器的像元尺寸为2048×2048。
根据本发明优选的，大气传输特性光谱仪安装在水上运载平台的顶部位置，位于一个最高 处且无障碍的位置，大气传输特性光谱仪向上进行探测，有利于实时获取水面上完整的光谱辐 照度。
根据本发明优选的，水体下行辐照度光谱仪上设置的余弦校正器与大气传输特性光谱仪上 设置的余弦校正器相同。方便采集到的光谱数据的处理。
根据本发明优选的，水上运载平台上还安装有惯性测量单元(IMU)，用于测量位置、俯仰和 航向，采样频率为10赫兹。
惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般一个IMU包含了 三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度 信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加 速度，并以此解算出物体的姿态，用于测量位置、俯仰和航向在导航中有着很重要的应用价值。
根据本发明优选的，大气传输特性光谱仪的光谱范围300-1300nm，光谱分辨率≤5nm，覆盖 了紫外、可见光、近红外的典型大气数据波波段。
根据本发明优选的，大气传输特性光谱仪为USB接口的光纤光谱仪。
根据本发明优选的，水面环境参数传感器为采用窄带滤光片分光或光栅分光的水质检测类 传感器。
根据本发明优选的，水体下行辐照度光谱仪的光谱范围335-820nm、光谱分辨率≤5nm，较 高的分辨率可准确的获取水下的辐照度信息。
根据本发明优选的，水体下行辐照度光谱仪为采用光栅色散分光的光纤光谱仪。
上述基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法，具体步骤包括：
(1)利用水上运载平台的大气传输特性光谱仪和水下运载平台的水体下行辐照度光谱仪同 步测量太阳光辐射度，大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)，水体下行辐照 度光谱仪测量得到环境光辐照度测量值Ed(λ)，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度 Es(λ)，λ表示大气传输特性光谱仪接收波长；
(2)利用水体下行辐照度光谱仪测量的环境光辐照度测量值Ed(λ)、环境光在海水表面以 下的辐照度Es(λ)以及水下运载平台的深度d，水下运载平台的深度d由水下运载平台的AUV中 设置的压力传感器计算得到，估计环境光从水面到水下运载平台之间水体的衰减系数K(λ)，如 式(VI)所示：
根据Ed(λ)＝Es(λ)e-K(λ)d(V)，得出式(VI)，
Figure BDA0002925505070000051
(3)结合环境光，计算第一辅助光源和第二辅助光源在海水中的衰减，通过式(VII)计算 水下高光谱成像仪内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)：
Figure BDA0002925505070000054
式(VII)中，Er(λ)＝cos(|θr-Ψr|)为第一辅助光源的总功率，Ef(λ)＝cos(|θf-Ψf|)为第 二辅助光源的总功率；θr为第一辅助光源出射光与水平方向的夹角，Ψr为第一辅助光源光轴与 水平方向的夹角，θf为第二辅助光源出射光与水平方向的夹角，Ψf为第二辅助光源光轴与水平 方向的夹角，pr为第一辅助光源距离海底表面的距离，pΛ为高光谱成像仪距离海底表面的距离， pf为第二辅助光源距离海底表面的距离；pr和pf通过双目立体视觉相机测定得到；pΛ由水下高 光谱成像仪测定得到；
(4)考虑环境光从水下高光谱成像仪到海底表面路径中的水衰减，根据水下高光谱成像仪 测量得到的光谱辐照度Eσ(λ)，计算得出离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)：
Figure BDA0002925505070000052
(5)海底表面光的最终反射率R(λ)为离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)与水下高光谱成像 仪内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)的比值，即：
Figure BDA0002925505070000053
由海底表面光的最终反射率R(λ)得到校正后的水下目标的高光谱。
根据本发明优选的，步骤(1)中，利用水上运载平台的大气传输特性光谱仪和水下运载平 台的水体下行辐照度光谱仪同步测量太阳光辐射度，大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照 度测量值Eψ(λ)，水体下行辐照度光谱仪测量得到环境光辐照度测量值Ed(λ)，然后计算得到环 境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)；具体过程为：
1-1、利用惯性测量单元(IMU)、GPS对大气传输特性光谱仪由于横摇和俯仰导致天顶角变 化引起的误差进行校正；天顶角指的是光线入射方向与天顶方向的夹角；
1-2、根据大气传输特性光谱仪测量的大气辐照度测量值和水面环境参数传感器测量的水面 环境参数，建立空气-水界面模型，空气-水界面模型是一种对于边界条件进行处理的计算机模 型，考虑到光会因反射和折射等各种因素而衰减，以及由太阳、波浪和风的角度产生的影响；
通过式(I)推出空气-水界面折射率n，并通过式(II)确定空气-水界面的反射率r：
Figure BDA0002925505070000061
式(I)中，S表示海水的盐度；T表示海水的温度；λ表示大气传输特性光谱仪接收波长，可 为固定波长589.3nm；n0＝1.31405，n1＝1.779×10-4，n2＝-1.05×10-6，n3＝1.6×10-8，n4＝-2.02×10-6，n5＝15.868，n6＝0.01155，n7＝-0.00423，n8＝-4.382， n9＝1.1455×106，式(I)属于经验公式，n0-n9为Quan&Fry在1995年给出的海水折射率经验 公式中的数值，由所发表论文中查表得出；详见文献：Empirical equation for theindex ofrefraction of seawater：
Figure BDA0002925505070000062
式(II)中，θα为入射光在空气中的天顶角；θω为入射光在水中的出射角，即入射光相对于 水平法线的夹角；
1-3、利用式(III)推出空气-水界面辐照度的消光率∈；再根据式(IV)，利用大气传输特性 光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)计算环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)：
Figure BDA0002925505070000063
式(III)中，ωs表示风速，单位为m/s，ωs由水面环境参数传感器测得；
Figure BDA0002925505070000064
式(IV)中，Eψ(λ)为大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值；θη表示采集辐照度 时大气传输特性光谱仪光轴和天顶角之间的角度。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，该系统通过实时获取 大气传输光谱数据以及海表面环境参数建立气-水界面模型，并结合水体下行光谱辐照度计算出 水衰减系数，分别得到校正后的水面辐照度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱数据，并通 过水上和水下双平台测量水下不同深度、不同环境中的光(包括水面和水体本身衰减的影响)从 而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率，有效提高了水下高光谱的探测准确度。
2.本发明同时考虑水下运载平台操作深度和水下地形上方高度的变化，以及水下运载平台 从一个地点移动到另一个地点时的变化(由水温、盐度等因素的变化引起的水衰减特性的差异)， 可适当选择高光谱成像仪的两种模式，同时考虑到这些变化可以通过计算来校正变化引起的误 差。本发明可以对一个海洋区域的生物健康或生产力等各种指标进行精确的调查，这对于长期 监测十分重要。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的中水下高光谱成 像仪的窗口示意图；
图3是本发明提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法流程图；
图4是本发明提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统中水下运载平台上 水下高光谱成像仪和辅助光源的布放位置图。
1、水上运载平台，2、大气传输特性光谱仪，3、水面环境参数传感器，4、水下运载平台， 5、水体下行辐照度光谱仪，6、水下高光谱成像仪，7、双目立体视觉相机的窗口，8、第一辅 助光源，9、第二辅助光源,10、水下高光谱成像仪的镜头。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，如图1所示，该系统包括水上运载平 台1和水下运载平台4，
水上运载平台1上安装有大气传输特性光谱仪2、水面环境参数传感器3和第一计算机，水 上运载平台1一般是与AUV等水下运载平台4相互传输数据的科考船等；
大气传输特性光谱仪2用于测量大气辐照度，大气辐照度是指固体地球表面某一指定表面 上单位面积单位时间内所接受的来自大气圈的辐射能量；
水面环境参数传感器3用于测量水面环境参数，水面环境参数包括测量温度、盐度、浊度、 PH值、风速和电导率；
大气传输特性光谱仪2、水面环境参数传感器3均与第一计算机相连接，将大气传输特性光 谱仪2测量的大气辐照度和水面环境参数传感器3测量的水面环境参数均输入到第一计算机；
水下运载平台4上安装有水体下行辐照度光谱仪5、水下高光谱成像仪6和第二计算机，
水体下行辐照度光谱仪5用来采集太阳光从水面穿透水体至水体下行辐照度光谱仪5位置 处的水体下行辐照度；
水下高光谱成像仪6用于测量水下目标的高光谱；
水体下行辐照度光谱仪5、水下高光谱成像仪6均与第二计算机相连接，从而将测得水体下 行辐照度和水下目标的高光谱传输到第二计算机中；
基于第一计算机实时获取的大气辐照度以及水面环境参数，建立空气-水界面模型，得到空 气-水界面辐照度的消光率，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度；
基于第二计算机获取的水体下行光谱辐照度，计算衰减系数，分别得到校正后的水面辐照 度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱，从而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率。
实施例2
根据实施例1提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的，区别之处在于：
水体下行辐照度光谱仪5和水下高光谱成像仪6均集成在水下运载平台4的主体上，且水 体下行辐照度光谱仪5和水下高光谱成像仪6分别主体的上部和下部，水体下行辐照度光谱仪5 在水体中竖直向上获取水体下行辐照度，水下高光谱成像仪6在水体中竖直向下获取水下目标 的高光谱。
水下运载平台4的主体为自主水下航行器(AUV)或者遥控无人潜水器(ROV)，水下运载平台 4的主体上集成有声学导航传感器、GPS、压力传感器、姿态传感器、有色溶解有机物(CODM) 传感器、叶绿素传感器、水体后向散射传感器。
水下高光谱成像仪6为多模式水下高光谱成像仪6，模式包括内置扫描成像采集模式与推扫 式成像采集模式，内置扫描成像模式可实现悬停；根据水下运载平台4情况，可在其运行速度 较慢的情况下选择推扫式成像采集模式；
如图2所示，在水下高光谱成像仪的镜头10的两侧分别设置有一个双目立体视觉相机的窗 口7，双目立体视觉相机用于提供相对于海底表面的距离，进行空间地理配准；
在水下高光谱成像仪的镜头10的两侧还设置有第一辅助光源8和第二辅助光源9，第一辅 助光源8和第二辅助光源9用于照明；本实施例中，第一辅助光源8和第二辅助光源9为LED。
水下高光谱成像仪6的覆盖波长400-900nm，光谱分辨率≤5nm，空间分辨率≤2cm@1m， 2cm@1m表示在1m的距离时分辨率可达2cm，水下高光谱成像仪6中探测器的像元尺寸为2048 ×2048。
大气传输特性光谱仪2安装在水上运载平台1的顶部位置，位于一个最高处且无障碍的位 置，大气传输特性光谱仪2向上进行探测，有利于实时获取水面上完整的光谱辐照度。
水体下行辐照度光谱仪5上设置的余弦校正器与大气传输特性光谱仪2上设置的余弦校正 器相同。方便采集到的光谱数据的处理。
通过Savitzky–Golay滤波器降低大气传输特性光谱仪2测量光谱中的噪声以及水体下行 辐照度光谱仪5测量光谱中的噪声。
水上运载平台1上还安装有惯性测量单元(IMU)，用于测量位置、俯仰和航向，采样频率为 10赫兹。
惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般一个IMU包含了 三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度 信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加 速度，并以此解算出物体的姿态,用于测量位置、俯仰和航向在导航中有着很重要的应用价值。
大气传输特性光谱仪2的光谱范围300-1300nm，光谱分辨率≤5nm，覆盖了紫外、可见光、 近红外的典型大气数据波波段。
本实施例中，大气传输特性光谱仪2为海洋光学USB+系列。属于市售产品。
本实施例中，水面环境参数传感器3为Wet Labs水质检测仪系列和Trios传感器。属于市售 产品。
水体下行辐照度光谱仪5的光谱范围335-820nm、光谱分辨率≤5nm，较高的分辨率可准确 的获取水下的辐照度信息。
本实施例中，水体下行辐照度光谱仪5为海洋光学STS-200VIS系列，尺寸为 40mm×42mm×24mm，属于市售产品。
实施例3
实施例1-2提供的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法，如图3所 示，具体步骤包括：
(1)利用水上运载平台1的大气传输特性光谱仪2和水下运载平台4的水体下行辐照度光 谱仪5同步测量太阳光辐射度，大气传输特性光谱仪2测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)，水 体下行辐照度光谱仪5测量得到环境光辐照度测量值Ed(λ)，然后计算得到环境光在海水表面以 下的辐照度Es(λ)，λ表示大气传输特性光谱仪2接收波长；
具体过程为：
1-1、利用惯性测量单元(IMU)、GPS对大气传输特性光谱仪2由于横摇和俯仰导致天顶角 变化引起的误差进行校正；天顶角指的是光线入射方向与天顶方向的夹角；
1-2、根据大气传输特性光谱仪2测量的大气辐照度测量值和水面环境参数传感器3测量的 水面环境参数，建立空气-水界面模型，空气-水界面模型是一种对于边界条件进行处理的计算 机模型，考虑到光会因反射和折射等各种因素而衰减，以及由太阳、波浪和风的角度产生的影 响；
通过式(I)推出空气-水界面折射率n，并通过式(II)确定空气-水界面的反射率r：
Figure BDA0002925505070000101
式(I)中，S表示海水的盐度；T表示海水的温度；λ表示大气传输特性光谱仪2接收波长， 可为固定波长589.3nm；n0＝1.31405，n1＝1.779×10-4，n2＝-1.05×10-6，n3＝1.6×10-8，n4＝-2.02×10-6，n5＝15.868，n6＝0.01155，n7＝-0.00423，n8＝-4.382， n9＝1.1455×106，式(I)属于经验公式，n0-n9为Quan&Fry在1995年给出的海水折射率经验 公式中的数值，由所发表论文中查表得出；详见文献：Empirical equation for theindex ofrefraction of seawater：
Figure BDA0002925505070000111
式(II)中，θα为入射光在空气中的天顶角；θω为入射光在水中的出射角，即入射光相对于 水平法线的夹角；
1-3、利用式(III)推出空气-水界面辐照度的消光率∈；再根据式(IV)，利用大气传输特性 光谱仪2测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)计算环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)：
Figure BDA0002925505070000112
式(III)中，ωs表示风速，单位为m/s，ωs由水面环境参数传感器3测得；
Figure BDA0002925505070000113
式(IV)中，Eψ(λ)为大气传输特性光谱仪2测量得到太阳光辐照度测量值；θη表示采集辐照 度时大气传输特性光谱仪2光轴和天顶角之间的角度。
(2)利用水体下行辐照度光谱仪5测量的环境光辐照度测量值Ed(λ)、环境光在海水表面 以下的辐照度Es(λ)以及水下运载平台4的深度d，水下运载平台4的深度d由水下运载平台4 的AUV中设置的压力传感器计算得到，估计环境光从水面到水下运载平台4之间水体的衰减系 数K(λ)，如式(VI)所示：
根据Ed(λ)＝Es(λ)e-K(λ)d(V)，得出式(VI)，
Figure BDA0002925505070000114
(3)结合环境光，计算第一辅助光源8和第二辅助光源9在海水中的衰减，通过式(VII) 计算水下高光谱成像仪6内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)：
Figure BDA0002925505070000115
式(VII)中，Er(λ)＝cos(|θr-Ψr|)为第一辅助光源8的总功率，Ef(λ)＝cos(|θf-Ψf|)为 第二辅助光源9的总功率；如图4所示，θr为第一辅助光源8出射光与水平方向的夹角，Ψr为 第一辅助光源8光轴与水平方向的夹角，θf为第二辅助光源9出射光与水平方向的夹角，Ψf为 第二辅助光源9光轴与水平方向的夹角，pr为第一辅助光源8距离海底表面的距离，pΛ为高光 谱成像仪距离海底表面的距离，pf为第二辅助光源9距离海底表面的距离；pr和pf通过双目立 体视觉相机测定得到；pΛ由水下高光谱成像仪6测定得到；
(4)考虑环境光从水下高光谱成像仪6到海底表面路径中的水衰减，根据水下高光谱成像 仪6测量得到的光谱辐照度Eσ(λ)，计算得出离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)：
Figure BDA0002925505070000121
(5)海底表面光的最终反射率R(λ)为离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)与水下高光谱成像 仪6内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)的比值，即：
Figure BDA0002925505070000122
由海底表面光的最终反射率R(λ)得到校正后的水下目标的高光谱。

Claims (10)

1.一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，该系统包括水上运载平台和水下运载平台，
水上运载平台上安装有大气传输特性光谱仪、水面环境参数传感器和第一计算机，
大气传输特性光谱仪用于测量大气辐照度，
水面环境参数传感器用于测量水面环境参数，水面环境参数包括测量温度、盐度、浊度、PH值、风速和电导率；
所述大气传输特性光谱仪、水面环境参数传感器均与第一计算机相连接，将大气传输特性光谱仪测量的大气辐照度和水面环境参数传感器测量的水面环境参数均输入到第一计算机；
水下运载平台上安装有水体下行辐照度光谱仪、水下高光谱成像仪和第二计算机，
水体下行辐照度光谱仪用来采集太阳光从水面穿透水体至水体下行辐照度光谱仪位置处的水体下行辐照度；
水下高光谱成像仪用于测量水下目标的高光谱；
水体下行辐照度光谱仪、水下高光谱成像仪均与第二计算机相连接，从而将测得水体下行辐照度和水下目标的高光谱传输到第二计算机中；
基于第一计算机实时获取的大气辐照度以及水面环境参数，建立空气-水界面模型，得到空气-水界面辐照度的消光率，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度；
基于第二计算机获取的水体下行光谱辐照度，计算衰减系数，分别得到校正后的水面辐照度、水体下行辐照度和水下目标的高光谱，从而计算得出校正后的水下目标的光谱反射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，水体下行辐照度光谱仪和水下高光谱成像仪均集成在水下运载平台的主体上，且水体下行辐照度光谱仪和水下高光谱成像仪分别主体的上部和下部，水体下行辐照度光谱仪在水体中竖直向上获取水体下行辐照度，水下高光谱成像仪在水体中竖直向下获取水下目标的高光谱。
3.根据权利要求2所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，水下运载平台的主体为自主水下航行器(AUV)或者遥控无人潜水器(ROV)，水下运载平台的主体上集成有声学导航传感器、GPS、压力传感器、姿态传感器、有色溶解有机物(CODM)传感器、叶绿素传感器、水体后向散射传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，水下高光谱成像仪为多模式水下高光谱成像仪，模式包括内置扫描成像采集模式与推扫式成像采集模式，
在水下高光谱成像仪的镜头的两侧分别设置有双目立体视觉相机的一个窗口，双目立体视觉相机用于提供相对于海底表面的距离，进行空间地理配准；
在水下高光谱成像仪的镜头的两侧还设置有第一辅助光源和第一辅助光源，第一辅助光源和第一辅助光源用于照明；
水下高光谱成像仪的覆盖波长400-900nm，光谱分辨率≤5nm，空间分辨率≤2cm@lm，水下高光谱成像仪中探测器的像元尺寸为2048×2048。
5.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，大气传输特性光谱仪安装在水上运载平台的顶部位置，大气传输特性光谱仪向上进行探测。
6.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，水体下行辐照度光谱仪上设置的余弦校正器与大气传输特性光谱仪上设置的余弦校正器相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，水上运载平台上还安装有惯性测量单元(IMU)，用于测量位置、俯仰和航向。
8.根据权利要求1所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统，其特征在于，大气传输特性光谱仪的光谱范围300-1300nm，光谱分辨率≤5nm；
水体下行辐照度光谱仪的光谱范围335-820nm、光谱分辨率≤5nm。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)利用水上运载平台的大气传输特性光谱仪和水下运载平台的水体下行辐照度光谱仪同步测量太阳光辐射度，大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)，水体下行辐照度光谱仪测量得到环境光辐照度测量值Ed(λ)，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)，λ表示大气传输特性光谱仪接收波长；
(2)利用水体下行辐照度光谱仪测量的环境光辐照度测量值Ed(λ)、环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)以及水下运载平台的深度d，估计环境光从水面到水下运载平台之间水体的衰减系数K(λ)，如式(VI)所示：
Figure FDA0002925505060000031
(3)结合环境光，计算第一辅助光源和第二辅助光源在海水中的衰减，通过式(VII)计算水下高光谱成像仪内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)：
Figure FDA0002925505060000032
式(VII)中，Er(λ)＝cos(|θr-Ψr|)为第一辅助光源的总功率，Ef(λ)＝cos(|θf-Ψf|)为第二辅助光源的总功率；θr为第一辅助光源出射光与水平方向的夹角，Ψr为第一辅助光源光轴与水平方向的夹角，θf为第二辅助光源出射光与水平方向的夹角，Ψf为第二辅助光源光轴与水平方向的夹角，pr为第一辅助光源距离海底表面的距离，pΛ为高光谱成像仪距离海底表面的距离，pf为第二辅助光源距离海底表面的距离；
(4)考虑环境光从水下高光谱成像仪到海底表面路径中的水衰减，根据水下高光谱成像仪测量得到的光谱辐照度Eσ(λ)，计算得出离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)：
Figure FDA0002925505060000033
(5)海底表面光的最终反射率R(λ)为离开海底表面的光谱辐照度Eu(λ)与水下高光谱成像仪内的两个辅助光源到达海底表面的光的总辐照度Eseafloor(λ)的比值，即：
Figure FDA0002925505060000034
由海底表面光的最终反射率R(λ)得到校正后的水下目标的高光谱。
10.根据权利要求9所述的一种基于水上和水下双平台的水下高光谱校正系统的工作方法，其特征在于，步骤(1)中，利用水上运载平台的大气传输特性光谱仪和水下运载平台的水体下行辐照度光谱仪同步测量太阳光辐射度，大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)，水体下行辐照度光谱仪测量得到环境光辐照度测量值Ed(λ)，然后计算得到环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)；具体过程为：
1-1、利用惯性测量单元(IMU)、GPS对大气传输特性光谱仪由于横摇和俯仰导致天顶角变化引起的误差进行校正；
1-2、根据大气传输特性光谱仪测量的大气辐照度测量值和水面环境参数传感器测量的水面环境参数，建立空气-水界面模型，
通过式(I)推出空气-水界面折射率n，并通过式(II)确定空气-水界面的反射率r：
Figure FDA0002925505060000041
式(I)中，S表示海水的盐度；T表示海水的温度；λ表示大气传输特性光谱仪接收波长，n0＝1.31405，n1＝1.779×10-4，n2＝-1.05×10-6，n3＝1.6×10-8，n4＝-2.02×10-6，n5＝15.868，n6＝0.01155，n7＝-0.00423，n8＝-4.382，n9＝1.1455×106；
Figure FDA0002925505060000042
式(II)中，θα为入射光在空气中的天顶角；θω为入射光在水中的出射角，即入射光相对于水平法线的夹角；
1-3、利用式(III)推出空气-水界面辐照度的消光率∈；再根据式(IV)，利用大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值Eψ(λ)计算环境光在海水表面以下的辐照度Es(λ)：
Figure FDA0002925505060000043
式(III)中，ωs表示风速；
Figure FDA0002925505060000044
式(IV)中，Eψ(λ)为大气传输特性光谱仪测量得到太阳光辐照度测量值；θη表示采集辐照度时大气传输特性光谱仪光轴和天顶角之间的角度。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114046777A (zh) * 2021-10-22 2022-02-15 自然资源部第一海洋研究所 适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法
CN114199829A (zh) * 2021-12-02 2022-03-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置
CN114623805A (zh) * 2022-05-13 2022-06-14 中国海洋大学 一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法
CN116660092A (zh) * 2023-05-31 2023-08-29 中国地质科学院岩溶地质研究所 一种水-气界面co2通量的测算系统和方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050151965A1 (en) * 2003-11-26 2005-07-14 Florida Environmental Research Institute, Inc. Spectral imaging system
US20110205536A1 (en) * 2008-05-21 2011-08-25 Ntnu Technoogy Transfer As Underwater hyperspectral imaging
US20120035884A1 (en) * 2010-08-06 2012-02-09 Raytheon Company Remote identification of non-lambertian materials
US20130286377A1 (en) * 2012-04-27 2013-10-31 SATOP GmbH Using Multispectral Satellite Data to Determine Littoral Water Depths Despite Varying Water Turbidity
CN103630495A (zh) * 2013-11-13 2014-03-12 北京航空航天大学 一种水生植被-大气耦合辐射传输模型
CA2836210A1 (en) * 2013-12-11 2015-06-11 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Methods for in-scene atmospheric compensation by endmember matching
CN104732019A (zh) * 2015-03-12 2015-06-24 清华大学 海面红外对抗仿真系统
JP2016053527A (ja) * 2014-09-03 2016-04-14 国立大学法人京都大学 水分量測定方法
US20180067209A1 (en) * 2015-03-06 2018-03-08 Bae Systems Plc Method and apparatus for processing spectral images
CN109444056A (zh) * 2018-10-30 2019-03-08 浙江大学 一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法
CN109490221A (zh) * 2018-12-11 2019-03-19 深圳市中达瑞和科技有限公司 水体表观光谱测量装置及其测量方法
CN110673159A (zh) * 2019-09-30 2020-01-10 中国海洋大学 一种海洋环境监测用无人机主动雷达高光谱探测系统及方法
US20200025613A1 (en) * 2018-03-27 2020-01-23 Flying Gybe Inc. Hyperspectral sensing system and processing methods for hyperspectral data
CN111024231A (zh) * 2019-12-12 2020-04-17 中国海洋大学 一种新型自校正一体化无人机载高光谱遥感系统

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050151965A1 (en) * 2003-11-26 2005-07-14 Florida Environmental Research Institute, Inc. Spectral imaging system
US20110205536A1 (en) * 2008-05-21 2011-08-25 Ntnu Technoogy Transfer As Underwater hyperspectral imaging
US20120035884A1 (en) * 2010-08-06 2012-02-09 Raytheon Company Remote identification of non-lambertian materials
US20130286377A1 (en) * 2012-04-27 2013-10-31 SATOP GmbH Using Multispectral Satellite Data to Determine Littoral Water Depths Despite Varying Water Turbidity
CN103630495A (zh) * 2013-11-13 2014-03-12 北京航空航天大学 一种水生植被-大气耦合辐射传输模型
CA2836210A1 (en) * 2013-12-11 2015-06-11 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Methods for in-scene atmospheric compensation by endmember matching
JP2016053527A (ja) * 2014-09-03 2016-04-14 国立大学法人京都大学 水分量測定方法
US20180067209A1 (en) * 2015-03-06 2018-03-08 Bae Systems Plc Method and apparatus for processing spectral images
CN104732019A (zh) * 2015-03-12 2015-06-24 清华大学 海面红外对抗仿真系统
US20200025613A1 (en) * 2018-03-27 2020-01-23 Flying Gybe Inc. Hyperspectral sensing system and processing methods for hyperspectral data
CN109444056A (zh) * 2018-10-30 2019-03-08 浙江大学 一种双目成像式水下光谱反射率原位测量装置及测量方法
CN109490221A (zh) * 2018-12-11 2019-03-19 深圳市中达瑞和科技有限公司 水体表观光谱测量装置及其测量方法
CN110673159A (zh) * 2019-09-30 2020-01-10 中国海洋大学 一种海洋环境监测用无人机主动雷达高光谱探测系统及方法
CN111024231A (zh) * 2019-12-12 2020-04-17 中国海洋大学 一种新型自校正一体化无人机载高光谱遥感系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EDWARD S. FRY: "Empirical equation for the index of refraction of seawater", 《TECHNICAL NOTE》 *
孙德勇: "基于光学分类的太湖水体叶绿素a浓度高光谱遥感", 《环境科学》 *
邢小罡: "叶绿素荧光遥感研究", 《优秀博士论文库-基础科学辑》 *
郑茹: "太阳辐射观测仪余弦误差修正方法", 《光子学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114046777A (zh) * 2021-10-22 2022-02-15 自然资源部第一海洋研究所 适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法
CN114199829A (zh) * 2021-12-02 2022-03-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置
CN114199829B (zh) * 2021-12-02 2024-03-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于太阳电池的简易水质监测报警装置
CN114623805A (zh) * 2022-05-13 2022-06-14 中国海洋大学 一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法
CN116660092A (zh) * 2023-05-31 2023-08-29 中国地质科学院岩溶地质研究所 一种水-气界面co2通量的测算系统和方法
CN116660092B (zh) * 2023-05-31 2024-04-16 中国地质科学院岩溶地质研究所 一种水-气界面co2通量的测算系统和方法

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