CN1170126C - 一种用数码相机测量地物波谱特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地物波谱特性的测量装置和方法。它包括光源、分光器、数码相机、转台机构和计算机。首先，测试数码相机光圈数、曝光时间；其次，对数码相机的光谱响应、噪声特性、像元均匀性进行光谱辐射定标；最后，用定标的数据对地物进行测量。可在实验室的进行测量，并适合在野外对作物、植被、岩矿、水体、建筑物以及其它地物进行测量和研究。能用于地面测量、还可用于气球和直升飞机等平台上的测量。对地物辐射现象研究、目标探测、识别和分类及航空、航天遥感中目标仿真研究等诸多领域的科学研究具有重要的应用价值。

Description

一种用数码相机测量地物波谱特性的装置及方法

本发明属于光谱辐射度测量领域，涉及一种用于地物(地面上各种物质)波谱特性的测量装置和方法。

本发明之前，地物波谱辐射度或反射率随波长变化而改变的特性称之为地物波谱特性。地物波谱特性测量基本上分为实验室测量和野外测量两类。目前，测定地物反射波谱特性的仪器有分光光度计、光谱仪、摄谱仪等。这类仪器一般由收集器、分光器、探测器和显示记录器组成。

为了实现较高精度的地物波谱测量，一般都需采用昂贵、专用的仪器设备，而且其操作过程往往是十分繁复的。此外，大多数方法通常都是以非成像的方式进行的。这种方法要求在仪器的观测视场内，地物样品保持均匀，且要避免大面积的阴影存在。非成像方式测量对于野外测量，尤其是多角度的二向反射特性测量而言，显得极为不便。

本发明的目的在于：克服通常地物波谱特性测量方法的设备复杂、操作不便和适用范围窄的缺点，将提供一种用数码相机测量地物波谱特性的装置及方法。

本发明测量系统的详细内容如图2所示，它包括光源1、分光器2、数码相机3、转台机构4和计算机5，把光源置于地物样品上方，在转台机构上端固定安装有数码相机，在数码相机的光学镜头本体上安装有分光器，分光器的光轴与数码相机的光轴相重合，数码相机通过通用串行总线与计算机相联结。

本发明的测量方法是：

测量之前，首先对数码相机的物镜光圈数、曝光时间参数进行测试；再对数码相机的光谱响应、噪声特性、像元均匀性进行光谱辐射定标；用定标的数据对地物进行波谱特性的测量：

测量时，首先将光源照在待测量的地物上，然后根据多角度测量需要选择观测视角(高低角和方位角)来调整转台机构，使数码相机的镜头对准地物目标；根据研究地物不同光谱特性的需要选择分光器的光谱响应波段或光谱带宽；利用数码相机的镜头分别收集所需地物和标准白板的光谱辐亮度信号，在数码相机镜头的焦平面上聚焦生成图像；由数码相机内的面阵CCD探测器获取地物的图像光信号，同时数码相机内的面阵CCD探测器把图像光信号转换成时序电信号；数码相机内的信号处理器把时序电信号模拟量转化成数字量，并以一定格式的数字图像文件形式存储在芯片中；最后，由数码相机采集数字图像送入计算机进行图像采样和处理，便可得到所需的地物波谱特性数据或曲线。

本发明主要优点是：采用成像方式，利用经过定标的、价格相对便宜的商品化数码相机，以及个人计算机，就能实现过去只有利用价格昂贵的专门仪器装置才能得到的较高精度的地物波谱特性数据。选用了目前商品化的普通数码相机(Digital Camera)作为一种集探测器、收集器和显示记录器于一体的摄像测量系统。采用数码相机的模式设置、图像采集、传输和计算机处理等技术简便易行；具有可供选择的光圈数、曝光时间，以及相对稳定的焦平面光谱响应特性。数码相机可以用于精度较高和可重复性的测量，并且本发明一旦定标后，便可用作简单的成像光谱测量系统。投入成本低廉、装置简单实用、操作方便易行、测量精度较高。利用这一测量方法及装置，既可以在实验室的环境下进行严格的测量，同时更适合于在野外条件下对于各种作物、植被、岩矿、水体、建筑物以及其它感兴趣的地物进行测量和研究。此外，由该方法构成的测量装置，不仅能用于地面测量，而且还能用于其它平台，如气球和直升飞机等等。这对于地物辐射现象研究、目标探测、识别和分类及航空、航天遥感中目标仿真研究等诸多领域的科学研究具有重要的应用价值。

附图说明：

图1是已有技术的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明实例的结构示意图；

本发明的实施例如图2、图3所示：

本发明装置的实施例：它包括光源1、分光器2、数码相机3、转台机构4和计算机5。光源1采用溴钨灯或自然光源如太阳和天空，光源作为测量装置的照明来源；分光器2采用一个滤光片组件，是一种可拆卸的分光器；数码相机3采用柯达公司生产的Kodak DC265变焦距彩色数码相机；转台机构4采用陀螺转台或普通的三脚架云台；计算机5采用台式PC机或或便携式电脑。

本发明方法的实施例：首先利用已知标准硅光电池探测器的绝对光谱响应为R_s(λ)数据，调整单色仪的输出波长为λ，设单色仪出射狭缝的单色光辐亮度为L(λ)。对应这一波长，测得硅光电池输出电流为i_s(λ)，则有

                 i_s(λ)＝R_s(λ)L(λ)            (1)

把数码相机放在单色仪的透镜组50倍焦距以外，并对单色仪的出射狭缝谱拍照。设置数码相机光圈数为F，曝光时间为τ，光谱响应为R(λ)。对所得数字RGB图象作8×8采样并求得平均量化数字DN(λ)：

$\mathrm{DN}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\mathrm{\π}}{4F^2}\·L\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\τ}\·R\left(\mathrm{\λ}\right)------\left(2\right)$

由公式(1)、(2)，可求得该单色仪的输出波长λ对应的数码相机光谱响应数据：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{4F^2}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{\mathrm{\τ}}{\·R}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\·\frac{1}{i_s\left(\mathrm{\λ}\right)}\·\mathrm{DN}\left(\mathrm{\λ}\right)------\left(3\right)$

其次，对数码相机进行摄像模式设置，主要包括设定光圈数、曝光时间和图像格式。在测量过程中，既可以采用数码相机内部菜单驱动的模式进行，也可采用计算机控制触发的模式进行。

利用本发明进行地物光谱辐亮度测量：

利用图2所示的示意图，可以用于测量地物的地物光谱辐亮度测量。由公式(2)，设地物光谱辐亮度为L_g(λ)，可求得

$L_g\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{4{F_1}^2}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}\·\frac{1}{R\left(\mathrm{\λ}\right)}\·D{N}_g\left(\mathrm{\λ}\right)------\left(4\right)$

式中，F₁为拍摄时的光圈数，τ₁为拍摄时的曝光时间，DN_g(λ)为处理后的地物量化数字对应的光谱值。

利用本发明进行地物光谱漫反射率测量：

利用公式(4)，如果在同一条件下测量标准白板的光谱量化数字DN_w(λ)，则对于漫反射地物，可间接测得其光谱漫反射率ρ_g(λ)

${\mathrm{\ρ}}_g\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{D{N}_g\left(\mathrm{\λ}\right)}{D{N}_w\left(\mathrm{\λ}\right)}------\left(5\right)$

利用本发明进行地物二向反射率测量：

通常，地面大多数物体的反射特性会偏离理想Lambert漫射体的假设，同太阳光的入射角，以及遥感器的观测视角密切相关。因而，地物的二向反射特性对于目标的探测、识别和分类有十分重要的意义。尤其在航空和航天遥感领域，这一特性测量有着更为重要的应用价值。

利用标准白板和上述装置，对于每一太阳光入射角(θ_s，_s)和数码相机观测视角(θ_v，_v)，可以测得地物的二向反射率

Claims (2)

1、一种用数码相机测量地物波谱特性的装置，它包括光源1，其特征在于：还包括分光器(2)、数码相机(3)、转台机构(4)和计算机(5)，把光源置于地物样品上方，在转台机构上端固定安装有数码相机，在数码相机的光学镜头本体上安装有分光器，分光器的光轴与数码相机的光轴相重合，数码相机通过通用串行总线与计算机相联结。

2、一种用数码相机测量地物波谱特性的方法，其特征在于：

测量之前，首先对数码相机的物镜光圈数、曝光时间参数进行测试；再对数码相机的光谱响应、噪声特性、像元均匀性进行光谱辐射定标；用定标的数据对地物进行波谱特性的测量：

测量时，首先将光源照在待测量的地物上，然后根据多角度测量需要选择观测视角(高低角和方位角)来调整转台机构，使数码相机的镜头对准地物目标；根据研究地物不同光谱特性的需要选择分光器的光谱响应波段或光谱带宽；利用数码相机的镜头分别收集所需地物和标准白板的光谱辐亮度信号，在数码相机镜头的焦平面上聚焦生成图像；由数码相机内的面阵CCD探测器获取地物的图像光信号，同时数码相机内的面阵CCD探测器把图像光信号转换成时序电信号；数码相机内的信号处理器把时序电信号模拟量转化成数字量，并以一定格式的数字图像文件形式存储在芯片中；最后，由数码相机采集数字图像送入计算机进行图像采样和处理，便可得到所需的地物波谱特性数据或曲线。

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