DE102011117713B4

DE102011117713B4 - Transportables Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum

Info

Publication number: DE102011117713B4
Application number: DE201110117713
Authority: DE
Inventors: Reinhold Petereit; Marcel Buchhorn
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: CA2842979A1; US20140152985A1; US9019504B2; DE102011117713A1; WO2013013652A1

Abstract

Transportables Goniospektrometer (01) mit konstantem Observationszentrum (BC), geeignet für die radiometrische Messung des Reflexionsverhaltens einer Oberfläche (SF), mit einer Hauptsäule (02), die eine Abstützung (08) gegenüber der Oberfläche (SF) aufweist und an ihrem oberen Säulenende (030) über eine Verschraubung (10) mit dem festgelegten Auslegerende (037) eines Auslegers (03), dessen anderes Auslegerende als freies Auslegerende (038) ausgebildet ist, verbunden ist, und mit einem Spektrometer (13) mit einem Sensor (131) und einer Auswerteeinheit (132), wobei der Sensor (131) über eine optische Faser (133) mit der Auswerteeinheit (132) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (03) an seinem freien Auslegerende (038) eine um eine lotrecht zur Oberfläche (SF) ausgerichtete Vertikalachse (VA) dreh- und fixierbare Aufhängung (04) aufweist, die mit der Auswerteeinheit (132) des Spektrometers (13) und mit einem festgelegten Bogenende (054) eines Bogens (05) verbunden ist, wobei das andere Bogenende des Bogens (05) als freies Bogenende (055) ausgebildet ist, und dass die Aufhängung (04) den Bogen (05) im Abstand seines Bogenradiusses (BR) oberhalb der Oberfläche (SF) positioniert, und dass an dem Bogen (05) ein entlang des Bogens (05) verschieb- und fixierbarer Schlitten (06) angeordnet ist, der den Sensor (131) in einer Ausrichtung auf das Oberservationszentrum (BC) trägt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein transportables Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum, geeignet für die radiometrische Messung des Reflexionsverhaltens einer natürlichen Oberfläche, mit einer Hauptsäule, die eine Abstützung gegenüber der natürlichen Oberfläche aufweist und an ihrem oberen Säulenende über eine Verschraubung mit dem festgelegten Auslegerende eines Auslegers, dessen anderes Auslegerende als freies Auslegerende ausgebildet ist, verbunden ist, und mit einem Spektrometer mit einer Optik und einem Sensor, wobei die Optik über eine optische Faser mit dem Sensor verbunden ist.
Ein Goniospektrometer (auch Spektrogoniometer, Gonioreflektometer, Reflexionsgoniometer, Reflektanzgoniometer oder auch kurz nur Goniometer, wobei ein Goniometer grundsätzlich ein Gerät zur Winkelbestimmung ist) ist ein Gerät zur Messung des Reflexionsverhaltens einer natürlichen Oberfläche, beispielsweise eines gewachsenen Untergrunds. In der Regel wird die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) bei gegebener Lichteinfalls- und Betrachtungsrichtung ermittelt, d. h. es wird der Reflexionsfaktor in Abhängigkeit vom Sonnenstand und von der Optikposition ermittelt. Dabei werden der Azimutwinkel (Winkelrichtung der Sonne, gemessen von einer Himmelsrichtung (i. a. Norden) an (0°) im Uhrzeigersinn bis 360°) und der Zenitwinkel (Winkelstand der Sonne über dem Horizont, gemessen vom Horizont (0°) bis 90° über dem Objekt) als Parameter in der Beobachtungsgeometrie berücksichtigt. Die BRDF ist eine fundamentale optische Eigenschaft des reflektierenden Materials. Wegen der großen Variabilität der BRDF können sich praktische Anwendungen nicht auf einzelne Messungen stützen. Es werden Modelle benötigt, die die charakteristischen Eigenschaften beschreiben. Die satellitenbasierte Erdbeobachtung (seit Ende 1970) führte zu einer verstärkten Untersuchung der gerichteten Reflexionseigenschaften der Materie und damit zur Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der gerichteten Reflexion. Beispielsweise zeigt die Vegetation in einem Permafrostgebiet, z. B. die sibirische Tundra, ein starkes anisotropes Verhalten, d. h. ein richtungsabhängiges Rückstrahlungsverhalten des Sonnenlichts. Die Stärke der Anisotropie ist dabei von der Bodenfeuchte, Sonnenzenitwinkel und Zenitwinkel der Optik des Goniospektrometers abhängig. Anisotropes Reflexionsverhalten (auch anisotrope Reflektanz oder differentielle spektroskopische Reflektanz) beeinflusst also in starkem Maße die BRDF.
Hintergrund für Feldmessungen ist die Tatsache, dass sich klimabedingte Änderungen beispielsweise in einem Permafrostgebiet in der Änderung des Oberflächentemperaturregimes und des Feuchteregimes zeigen. Sekundär wird damit die Vegetationsbedeckung und die Vegetationsentwicklung beeinflusst. Permafrostgebiete nehmen fast ein Viertel der Landoberfläche nördlich des Äquators ein und sind damit global bedeutend, dabei aber schwer zugänglich und wissenschaftlich bislang nur gering erkundet. Die hyperspektrale Fernerkundung mit Satellitenmissionen bietet hier ein großes Potenzial, um Modelle zur Kohlenstoffbilanzierung und zur Berechnung von Energie- und Treibhausgasflüssen und zur Exploration von Rohstoffen, deren Vorkommen die natürliche Oberfläche in charakteristischer Weise beeinflussen, und zur Erkundung von geeigneten Anbaugebieten, beispielsweise für Getreide oder Ölpflanzen, zu speisen. Neue Satelliten sind in der Lage, durch Verschwenkung auch Schrägaufnahmen von der Erdoberfläche zu erstellen, was zu einer Vervielfachung der Messpunkte gegenüber den einfachen Vertikalaufnahmen führt. In diesen Schrägaufnahmen ist der Einfluss der Anisotropie bislang nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt. Um zu ermitteln, ob eine Korrektur von Schrägaufnahmen nötig ist, müssen in-situ Messungen unter realen Aufnahmebedingungen im Gelände durchgeführt werden. Hierfür werden seit Jahren Goniospektrometer genutzt. Ein transportables Goniospektrometer (auch Feld- oder Gelände-Goniospektrometer) ist für den Feldeinsatz besonders geeignet (ein Laboreinsatz ist aber auch ohne weiteres möglich). Dabei hat es sich aber gezeigt, dass bekannte Geländegoniometer für die speziellen Anforderungen, insbesondere Logistik und hohe Luftfeuchtigkeit, in Permafrost- und Arktisgebieten nur bedingt geeignet sind. Grundsätzlich kann unterschieden werden zwischen Goniospektrometern mit konstantem Observationszentrum (Messort) und Goniospektrometern mit konstanter Optikposition. Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum bestehen meist aus einem Azimutring (entspricht Himmelsrichtung-Horizont), auf welchem ein Zenitring (entspricht Sonnentageslauf) befestigt ist, der sich unter Führung durch den Azimutring bewegen lässt. Am Zenitring ist ein verschiebbarer Schlitten befestigt, der die Optik zur radiometrischen Messung trägt und ihn frei unter einem Zenitwinkel fixieren kann. Goniospektrometer mit einer konstanten Optikposition bestehen meist aus einem Arm, an dem eine Optik befestigt ist, welche in verschiedenen Winkeln zum Objekt eingestellt werden kann.
Das „Environmental Mapping and Analysis Program” (EnMAP) ist die erste deutsche hyperspektrale Satellitenmission. Ziel ist es, qualitativ hochwertige hyperspektrale Daten zum zeitlich hochaufgelösten Monitoring von geo- und biosphärischen Parametern der Erdoberfläche bereitzustellen. Der Start von EnMAP ist für 2015 vorgesehen. EnMAP zeichnet die Erdoberfläche auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn aus einer Höhe von 643 km mit einer Bodenauflösung von 30 Metern auf. Die Abtastbreite beträgt 30 Kilometer, wobei der Satellit eine Streifenlänge von bis zu 5000 km pro Tag verarbeiten kann. Die Möglichkeit der Schwenkung des Satelliten um bis zu +/–30° erlaubt Vergleichsbeobachtungen desselben Ortes innerhalb von vier Tagen. Der ca. 766 kg schwere Satellit besitzt 218 Kanäle im reflexiven Spektralbereich zwischen 420 und 2.450 Nanometern. Aus der Analyse der spektralen Signaturen lassen sich quantitative Informationen über Vegetation, Boden und Umweltbeschaffenheit ableiten. Im Rahmen des EnMAP wird vom Alfred-Wegener-Institut das Forschungsprojekt „hy-ARK-VEG” (Hyperspektrale Methodenentwicklung für Arktische Vegetationsbiome) betrieben, das sich mit der Algorithmenentwicklung für Schmal- und Mehrband-Vegetations-Indizes für Permafrost- und Tundralandschaften beschäftigt. Ziel ist es, die entwickelten Algorithmen für Vegetations-Indizes (VI) und Leaf-Area-Indizes (LAI) mit weiter veredelten, quantitativen biophysikalischen Parametern (empirische Ableitungen zu Vegetationsbedeckung und Vegetationsbiomasse) in die EnMAP-Toolbox einzubinden. Darüber hinaus werden innovative Anisotropie-Untersuchungen mittels Geländegoniometermessungen in der arktischen Tundra und Tundra-äquivalenten Biomen in mitteldeutschen Bergbaufolgelandschaften durchgeführt, um EnMAP Aufnahmegeometrien zu simulieren und Normalisierungsmethoden für Schrägaufnahmen zu implementieren.
Stand der Technik
Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der Veröffentlichung I „Polarised Multiangular Reflectance Measurements Using the Finish Geodetic Institute Field Goniospectrometer” von J. Suomalainen et al. (in Sensors 2009, 9, 3891–3907) beschrieben. Das offenbarte transportable Goniometer (Akronym FIGIFIGO) wird für die radiometrische Messung des Reflexionsverhaltens von natürlichen Untergründen, gezeigt werden Messungen im Schnee, eingesetzt. Das FIGIFIGO gehört zur Gattung der Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum und besteht aus einer zentralen Hauptsäule, die eine Abstützung in Form einer Box gegenüber der zu vermessenden natürlichen Oberfläche, hier eine Schneedecke als natürlicher Untergrund, aufweist. Die Hauptsäule ist an einer Längsseite der Box seitlich schwenkbar angeordnet. An ihrem oberen Säulenende ist die Hauptsäule über eine Verschraubung mit dem festgelegten Auslegerende eines Auslegers verbunden. Weiterhin weist das bekannte Goniometer ein Spektrometer mit einer Optik und einem Sensor auf, wobei die Optik über eine optische Faser mit dem Sensor verbunden ist. Die Optik ist am Ort der Verschraubung angeordnet, am Ende des Auslegers befindet sich ein drehbarer Spiegel, über den die Reflexionen der Schneedecke in die Optik umgeleitet werden. Damit wird das konstante Observationszentrum nur durch den Spiegel und nicht durch die Optik erreicht. Die Verschraubung besteht aus einer Art offener Schelle, die das runde Gehäuse umfasst und durch eine Schraubverbindung festklemmt. Der Sensor ist zusammen mit einer Auswerteeinheit in der Box am unteren Säulenende der Hauptsäule untergebracht. In einer Position der Box auf der Schneedecke kann mit dem Gerät eine Messreihe in einer Ebene parallel zur Vorderkante der Box unter verschiedenen Betrachtungswinkeln (Kippen der Hauptsäule entlang der Vorderkante der Box) in einem Messort (Sichtfeld) durchgeführt werden. Um Messungen im Messort in verschiedenen Ebenen durchzuführen zu können, muss die ganze Box gedreht werden.
Das klassische Feld-Goniospektrometer mit konstantem Oberservationszentrum mit dem oben beschriebenen Aufbau aus Azimut- und Zenitring wird in der Veröffentlichung IA: „The improved Dual-view Field-Goniometer System FIGOS” von J. Schopfer et al. (in Sensors 2008, 8, pp. 5120–5140) beschrieben und hier der Vollständigkeit des Überblicks halber erwähnt. Deutlich zu erkennen ist der konstruktiv stabile, aber auch raumeinnehmende Aufbau. Nach dem Vorbild des FIGOS wurden viele weitere Gelände- und Labor-Goniospektrometer entwickelt.
Aus der Veröffentlichung II: „A low-cost field and laboratory goniometer system for estimating hyperspectral bidirectional reflectance” von C. A. Coburn et al. (in Can. J. Remote Sensing, Vol. 32, No. 3, pp. 244–253, 2006) ist der Grundtyp des Goniospektrometers mit konstantem Oberservationszentrum bekannt. Er besteht aus einem geschlossenen Azimutring, auf dem diametral ein halber Zenitring drehbar angeordnet ist. Auf dem halben Zenitring läuft ein Schlitten mit der Optik, die an jeden Punkt auf der Halbkugelschale gefahren werden kann. Ein vollständig automatisiertes Goniospektrometer mit konstantem Oberservationszentrum ist aus der Veröffentlichung III: „Automated spectro-goniometer: A spherical robot for the field measurement of the directional reflectance of snow” von T. Painter et al. (in Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, No. 12. Dec. 2003, pp. 6179–5177) bekannt. Hier ist über einem Azimutbogen nur ein Viertel Zenitbogen vorgesehen, der an seinem Ende zwei weitere Bogenabschnitte trägt, die jeweils drehbar gelagert sind. Am Ende des zweiten Bogenabschnitts ist die Optik angeordnet. Gemessen wird die HRDF (Hemispherical directional reflectance function), die im Gegensatz zur BRDF noch die diffuse Reflexion der natürlichen Oberfläche berücksichtigt. Ein guter Überblick über die verschiedenen Entwicklungen auf dem Gebiet der Feldspektros-kopie bis 2007 wird in der Veröffentlichung IV: „Progress in field spectroscopy” von E. J. Milton et al. (in Remote Sensing of Environment (2007), doi: 10.1016/j.rse.2007.08001) gegeben. Gut zu erkennen sind die unterschiedlichen Bemühungen der Anwender, die Goniospektrometer möglichst leicht und einfach transportabel zu machen.
Aus der WO 2006/056647 A1 ist ein tragbares Goniometer zur Charakterisierung von künstlichen Oberflächen bekannt, dessen Hauptsäule mit drei Stempeln als Stützen gelagert ist. Entlang dieser Stützen ist die Hauptsäule vertikal und horizontale verfahrbar. Am unteren Säulenende ist die Hauptsäule mit dem festgelegten Auslegerende eines relativ kurzen Auslegers fest verbunden. Dessen freies Auslegerende ist fest mit der Mitte eines Bogens verbunden. Der Bogen trägt in fester Position eine Röntgenquelle und einer Optik. Durch Drehung des Auslegers um dessen Längsachse können Einstrahl- und Beobachtungswinkel relativ zum Messort in einem Winkelbereich verändert und im Labor gemessen werden.
Aus der DE 26 43 647 A1 ist eine Einrichtung zur Simulierung von Sonneneinstrahlung im Labor bekannt, bei dem an einem um die Horizontalachse des Einstrahlobjekts schwenkbarer Bogen vorgesehen ist, der einen weiteren Bogen mit orthogonaler Ausrichtung zum ersten Bogen trägt. Der weitere Bogen kann entlang des ersten Bogens verschoben werden. Am weiteren Bogen ist ein verschiebbarer Schlitten mit einer Beleuchtungsquelle angeordnet. Das Einstrahlobjekt ist auf einem Drehtisch angeordnet, sodass durch das Zusammenspiel der einzelnen Drehungen, Schwenkungen und Verschiebungen alle gerichteten Sonneneinstrahlungen auf jeden Ort des Einstrahlobjekts simuliert werden können.
Aus der EP 1 470 413 B1 ist ein transportables Diffraktometer zur Labormessung mit einer Hauptsäule bekannt, das auf einem fahrbaren Gestell angeordnet ist. An der Hauptsäule ist ein vertikaler Ausleger befestigt, der über eine drehbare Aufhängung fest mit einem Bogen verbunden ist. Auf dem Bogen ist neben einer Röntgenstrahlquelle auch ein Detektor befestigt, der auf dem Bogen verschoben werden kann. Weiterhin kann der Bogen noch um die Ebene entlang des vertikalen Auslegers verkippt werden, sodass mit dem Detektor beliebige Winkeleinstellungen auf einem Vollkreis um das Messobjekt herum eingenommen werden können.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen, gattungsbildenden transportablen Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum und einem Ausleger gemäß dem nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, dieses so weiterzubilden, dass eine radiometrische Messung der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) einer natürlichen Oberfläche, insbesondere mit anisotropem Reflektanzverhalten, unter frei wählbarem Azimut- und Zenitwinkel der Optik bei einer gegebenen Strahlungsquelle mit beliebigem Einfallswinkel, insbesondere Sonneneinstrahlung, durchführbar ist. Dabei soll das erfindungsgemäße Goniospektrometer aber besonders leicht und damit gut transportabel, robust und kostengünstig sowie besonders wetterfest sein, um auch unter erschwerten Einsatzbedingungen optimal im Gelände arbeiten zu können. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Das weitergebildete gattungsgemäße Goniospektrometer ist erfindungsgemäß einerseits dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger an seinem freien Auslegerende eine Aufhängung aufweist, die mit dem Sensor des Spektrometers und mit einem festgelegten Bogenende eines Bogens verbunden ist. Dabei ist die Aufhängung um eine vertikal zur natürlichen Oberfläche ausgerichtete Vertikalachse dreh- und fixierbar. Das andere Bogenende des Bogens ist als freies Bogenende ausgebildet. Durch die Aufhängung wird der Bogen im Abstand seines Radius oberhalb der natürlichen Oberfläche positioniert. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Bogen ein Schlitten angeordnet ist, der die Optik in einer radiometrischen Ausrichtung auf das Oberservationszentrum trägt. Dabei kann der Schlitten entlang des Bogens verschoben und an jeder Stelle fixiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Goniospektrometer ist also ein Bogen mit definierter Länge an seinem einen Ende an einer drehbaren Aufhängung befestigt, die ihrerseits wiederum am Ende des Auslegers befestigt ist. Es entsteht ein leichtgewichtiges Gebilde nach Art eines Mobiles, das eine einfache und leichte Ausrichtung des Bogens durch Drehung der Aufhängung ermöglicht. Dabei ist der Bogen im Abstand seines Bogenradius zur zu vermessenden natürlichen Oberfläche, auf der das Observationszentrum liegt, aufgehängt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Optik bei der Drehung des Bogens um die Aufhängung und beim Verschieben des Schlittens entlang des Bogens immer auf das Observationszentrum ausgerichtet ist. Bei einer maximalen Bogenlänge von π und einer maximalen Bogendrehung von 2π kann damit die Optik des Sensors auf jede Azimut- und Zenitposition auf einer Halbkugelschale mit dem Observationszentrum im Mittelpunkt der Kugel eingestellt werden. Dadurch kann bei gegebenem Einfallswinkel einer Strahlungsquelle, insbesondere des Sonnenlichts, an jeder beliebigen Position auf der Halbkugelschale der BRF (bidirektionaler Reflektanzfaktor) gemessen werden, welcher dann in den BRDF-Wert umgerechnet werden kann.
Das Goniospektrometer nach der Erfindung wurde für das o. g. Forschungsprojekt des AWI entwickelt und zeichnet sich durch ein geringes Gewicht, eine hohe Transportierbarkeit und eine geringe Anfälligkeit gegenüber Witterungseinflüssen aus. Besonders vorteilhaft ist auch die schnelle Datenaufnahme, da immer nur ein Zenitwinkel am Bogen eingestellt wird und dann ohne weitere Umbauten alle Azimutwinkel zu diesem Zenitwinkel gemessen werden können. Bei einem Betrieb unter EnMAP-Spezifikationen (–30° bis +30° Blickzenitwinkel) und einer Zenitwinkelauflösung von 10° sind nur vier Umbauten erforderlich, um alle Zenit- und Azimutpositionen aufnehmen zu können. Das Goniospektrometer nach der Erfindung kann alle EnMAP-Aufnahmegeometrien simulieren und somit unter realen Bedingungen den Einfluss der Anisotropie auf die spektrale Signatur in arktischen Gebieten zeigen. Es verbindet die Vorteile der Vorrichtungen mit konstantem Observationszentrum (höhere Winkelgenauigkeit in der Positionseinstellung) mit denen der Vorrichtungen mit einer konstanten Optikposition (leichter, transportabler, schnell aufzubauen).
Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Goniospektrometers ist der Ausleger bogenförmig ausgebildet. Dies führt zu einem stabilen Halt des Auslegers in einer definierten Höhe über der natürlichen Oberfläche mit dem Oberservationszentrum. Dabei ist der Ausleger aber trotzdem leicht, transportabel und robust. Einen optisch besonders ästhetischen Gesamteindruck ergibt sich, wenn der Ausleger entsprechend seines Abstands zum Bogen einen solchen Krümmungsradius aufweist, dass der Bogen und der Ausleger konzentrisch zueinander angeordnet sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Bogen eine solche Bogenlänge aufweist, dass der Schlitten beginnend bei der Vertikalachse um einen Bogenwinkel von 30° auf dem Bogen verschiebbar ist. Grundsätzlich kann der Bogen jede Länge bis zum Viertelkreis aufweisen. Darüber hinaus ist eine einfache Ausrichtung der Optik auf das Oberservationszentrum nicht mehr möglich. Um eine freie Verdrehbarkeit des Bogens in einem Vollkreis mit einer Drehrichtung zu ermöglichen, ist ein entsprechender Abstand zum Ausleger bzw. zur Hauptsäule einzuhalten. Dabei hängt es von der Höhe der Säule, von der Länge der Aufhängung und vom Neigungswinkel des Auslegers ab, ob das freie Bogenende bei entsprechender Bogenlänge gegen den Ausleger oder gegen die Hauptsäule stoßen könnte. Ansonsten kann der Bogen auch aus beiden Drehrichtungen bis an der Hauptsäule bzw. an den Ausleger gedreht werden. Bei einer Einbindung des Goniospektrometers in ein Programm mit einem verschwenkbaren Satelliten hängen die Einblickswinkel der Optik in das Oberservationszentrum entsprechend von den Schwenkwinkeln des Satelliten ab. Bei EnMAP kann dieser um ±30° verschwenkt werden. Folglich muss auch die Optik einen Einblickswinkel von 30° einnehmen können. Damit der Schlitten in eine entsprechende Position auf dem Bogen verfahren werden kann, ist es also nur erforderlich, dass der Bogen eine Bogenlänge von etwas über π/6 aufweist. Dadurch kann der Ausleger entsprechend kurz und stabil gehalten und immer noch gewährleistet werden, dass der Bogen frei darunter hindurchdrehen kann.
Um die Optik an jedem Oft der Kugelschale platzieren zu können, ohne dabei das gesamte Goniometer drehen zu müssen, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Aufhängung in einem Vollkreis drehbar ausgebildet ist. Bei einem begrenzten Drehwinkelbereich wäre entsprechend die gesamte Apparatur zu drehen. Bei einer Positionierbedingung der Optik nur auf der einen Hälfte der Kugelschale (bei einer Symmetrie der Anisotropie der Reflexion) kann aber ein begrenzter Drehwinkelbereich ausreichend sein. Die Aufhängung kann dann entsprechend einfach konzipiert sein. Wenn gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung die Aufhängung manuell verdrehbar und der Schlitten manuell verschiebbar ausgebildet ist, ist eine weitere Vereinfachung möglich. Vorteilhaft ist auch das Entfallen von elektrischen Antrieben, die unter Witterungseinflüssen, insbesondere unter Feuchtigkeit leiden können. Somit kann das Goniospektrometer nach der Erfindung auch in Regionen mit höherer Feuchte (z. B. Tundra) betrieben werden. Außerdem verringert sich durch das Wegfallen von Elektronik und ggfs. Batterien das Gesamtgewicht des Goniospektrometers.
Insbesondere das manuelle Verdrehen der Aufhängung zur Einstellung des Azimutwinkels der Optik und das manuelle Verschieben des Schlittens zur Einstellung des Zenitwinkels der Optik wird erleichtert, wenn auf dem Bogen und auf der Aufhängung eine Gradeinteilung, beispielsweise mit einer 1°-Schrittweite, vorgesehen ist. Ansonsten sind die Gradeinteilungen auch bei einer motorischen Verstellung von Vorteil, um die aktuelle Winkelposition ablesen zu können.
Zur Ermittlung zuverlässiger Messwerte muss der Abstand des Bogens über dem Observationszentrum im Bogenradius konstant sein. Dies wird zum einen bei der Erfindung durch eine ausreichende Stabilität der Materialien und Verbindungen erreicht. Eine weitere Verbesserung kann aber erreicht werden, wenn bevorzugt vorteilhaft das festgelegte Auslegerende des Auslegers über die Verschraubung hinausgeht und hinter der Verschraubung mittels einer längenverstellbaren Auslegerverstrebung mit der Hauptsäule verbunden ist. Eine an der Aufhängung und damit am freien Auslegerende angreifende Zugkraft kann dadurch nicht mehr zu einer Absenkung des Auslegers führen. Ähnliches gilt für den Bogen, der analog zum Ausleger über ein festgelegtes und ein freies Ende verfügt. Die Stabilität des Bogens kann verbessert und ein Absenken verhindert werden, wenn bevorzugt und vorteilhaft der Bogen mittels einer an seinem freien Bogenende angeordneten längenverstellbaren Bogenverstrebung mit der drehbaren Aufhängung verbunden ist. Verstrebung und Bogen werden somit gemeinsam gedreht, sodass ein Verdrehen verhindert ist.
Ein weiterer Punkt für die Handhabbarkeit und Genauigkeit des Goniospektrometers bei der Arbeit im Feld betrifft die Abstützung der Hauptsäule gegenüber der natürlichen Oberfläche. Bekannt sind geschlossene Azimutkreise und kompakte Boxen, die aber insbesondere auf unebenen Oberflächen (Untergründen) verkippen können. Vorteilhaft ist bei der Erfindung deshalb die Abstützung der Hauptsäule gegenüber der natürlichen Oberfläche als Dreibeingestell ausgebildet, das über eine Ständerhülse mit der Hauptsäule verbunden ist, wobei jedes Bein mit seinem oberen Beinende mit der Ständerhülse und mit einer Dreibeinverstrebung mit der Hauptsäule verbunden ist und aus zumindest zwei Beinelementen besteht, die längenverstellbar miteinander verbunden sind. Ein Dreibeingestell ermöglicht eine optimale Abstützung und Unabhängigkeit von möglichen Bodenunebenheiten. Über die Standerhülse wird das Dreibeingestell in einfacher Weise mit der Hauptsäule verbunden, wobei dies in unterschiedlicher Höhe erfolgen kann, was lediglich einen unterschiedlichen Anstellwinkel der einzelnen Beine zur Folge hat. Dabei kann das Dreibeingestell noch zusätzlich in seiner Standfestigkeit gesichert werden, wenn die Hauptsäule an ihrem unteren Säulenende und die Beine des Dreibeingestells an ihren unteren Beinenden Bodenplatten aufweisen, die über Bodendorne zum Einstecken in die natürliche Oberfläche und Befestigungsplatten auf der natürlichen Oberfläche fixiert sind.
Andere wichtige Aspekte bei dem Goniospektrometer nach der Erfindung sind seine Anpassbarkeit an den und seine Transportierbarkeit zum Messort. Vorteilhaft bestehen dafür die Hauptsäule aus zumindest zwei Säulenelementen und der Ausleger aus zumindest zwei Auslegerelementen, die jeweils längenverstellbar und lösbar miteinander verbunden sind. Dabei weisen die Säulenelemente und Auslegerelemente solche Abmaße auf, dass sie in einer kompakten Transportkiste mit Griff und Rädern oder Kufen unterbringbar sind. Analoges gilt auch für das Dreibeingestell. Die Hauptsäule kann durch die längenverstellbare Mehrteiligkeit einfach in ihrer Länge eingestellt werden, um den Bogen im Radiusabstand über dem Oberservationszentrum zu positionieren. Durch die Längenverstellbarkeit können alle Komponenten optimal an den Messort und auch aufeinander abgestimmt werden. Durch die Mehrteiligkeit können sie einfach demontiert und transportiert werden. Dies kann beispielsweise in einer Box mit den Maßen 150 × 30 × 50 cm erfolgen. Zum Transport auf festem Boden kann die Box Gummireifen oder Ballonreifen aufweisen. Zum Transport auf Schnee kann sie alternativ Kufen aufweisen oder es können Kufen über die Reifen geschoben werden.
Die Verschraubung dient der Verbindung und der Einhaltung eine vorgegebenen Winkels zwischen Hauptsäule und Ausleger. Dabei muss die Verschraubung so fest sein, dass der Ausleger unter der angehängten Last nicht absinkt. Dafür kann in einer nächsten Modifikation der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Verschraubung zwischen Hauptsäule und Ausleger aus einer Säulenplatte an der Hauptsäule und einer Auslegerplatte am Ausleger mit einer Zentralverschraubung und einer Reihe von Fixierverschraubungen zur Einstellung eines Winkels zwischen Säulenplatte und Auslegerplatte aufgebaut ist. Die Zentralverschraubung sorgt für die feste Verbindung zwischen den Platten die Fixierschrauben für die feste Winkeleinstellung. Ein weiteres wesentliches Element bei dem Goniospektrometer nach der Erfindung ist die drehbare Aufhängung des Bogens am Ausleger. Vorteilhaft kann diese dadurch gekennzeichnet sein, dass sie aus einer Zentralstange mit einer oberen Aufnahmeplatte für den Sensor des Spektrometers und einem Drehstativkopf mit einer unteren Aufnahmeplatte zur Befestigung des festgelegten Bogenendes des Bogens aufgebaut ist. Die Aufhängung des Bogens mit der Aufnahmeplatte für den Sensor kann zusammen mit dem Bogen gedreht werden, sodass sich keine Kabelverschlingungen ergeben. Der Drehstativkopf ist insbesondere aus der Fotografie bekannt, beispielsweise kann es von der Firma Manfrotto hergestellt werden. Er erlaubt eine präzise Einhaltung der Winkelgenauigkeit und ist um 360° drehbar.
Weiterhin kann mit dem Schlitten vorteilhaft auch zusätzlich eine Videokamera zur Beobachtung des Oberservationszentrums während der Messung und zeitweilig eine Spektralonplatte mit einem Reflexionsgrad 1 zur Kalibrierung der Optik des Spektrometers verbunden sein. Weiterhin kann vorteilhaft ein satellitengestützter Ortsdetektor zur Feststellung der globalen Position des Goniospektrometers während des Messens an der Aufhängung befestigt sein. Schließlich können noch vorteilhaft Wasserwaagen zur lotrechten Ausrichtung der Hauptsäule und der Optik und/oder ein zweites Spektrometer zur Messung der Irradianz (Strahlungsflussdichte, die das Beobachtungszentrum durchquert) und der diffusen Reflexion der natürlichen Oberfläche vorgesehen sein. Die Wasserwaagen werden bevorzugt an der Hauptsäule und an der Aufhängung befestigt. Das zweite Spektrometer kann zusammen mit einem Diffusor am oberen Ende der Hauptsäule befestigt sein und dient der Bestimmung der HRDF. Alternativ zu einer direkten Befestigung am Goniospektrometer nach der Erfindung kann es auch als eigenständiges Gerät in unmittelbarer Nähr zum Goniospektrometer nach der Erfindung positioniert sein. Weitere Details zur Erfindung sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele
Ausbildungsformen des Goniospektrometers nach der Erfindung mit konstantem Observationszentrum, insbesondere geeignet für die radiometrische Messung des anisotropen Reflexionsverhaltens einer natürlichen Oberfläche, werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Erfindung anhand der schematischen Figuren, die in unterschiedlichen Maßstäben dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt:
1 die Beobachtungsgeometrie (Stand der Technik),
2 den prinzipiellen konstruktiven Aufbau,
3 im Detail die Hauptsäule,
4 im Detail die Auslegerverstrebung,
5 im Detail ein Dreibein als Abstützung,
6 im Detail den Ausleger,
7 im Detail die Verschraubung,
8 im Detail die Aufhängung,
9 im Detail den Bogen,
10 ein Schema für den gesamten Messaufbau und
11 Messschemen für Objekte ohne und mit Symmetrieachse.
Die 1 zeigt aus dem Stand der Technik die Beobachtungsgeometrie für anisotrope Reflektanzmessungen, oben in der Schrägsicht, unten in der Nadir-Aufsicht (Nadir = dem Zenit auf der natürlichen Oberfläche SF gegenüberliegender Lotfußpunkt; Zenit = der senkrecht über dem Beobachter liegende Scheitelpunkt des Himmelsgewölbes). In der Schrägsicht oben ist in der Projektion die Sonnenbahn (Himmelsrichtungen) mit verschiedenen Azimutwinkeln ψ_n über der Sonnenbahn (Tageslauf) mit verschiedenen Zenitwinkeln Θ_n, dargestellt. Gezeigt ist in der Mitte der Projektion ein konstantes Beobachtungszentrum BC auf einer natürlichen Oberfläche SF, in das Sonnenstrahlung SN einfällt und das von einem Satelliten ST beobachtet wird (Messung der reflektierten Strahlung). In der Nadir-Aufsicht unten ist die Grundebene PP dargestellt, die durch die Sonne (Hot Spot) verläuft und die dazu orthogonal verlaufene Querebene CP. Die Außenlinie stellt den Horizont HZ dar.
In der 2 ist der Aufbau des transportablen Goniospektrometers 01 nach der Erfindung in einem Prinzipschema dargestellt. Gezeigt ist eine ungekrümmte, gerade Hauptsäule 02 mit einem Ausleger 03, einer dreh- und fixierbaren Aufhängung 04 (lotrechte Ausrichtung entlang einer Vertikalachse VA) und einem Bogen 05, auf dem ein Schlitten 06 verschieb- und fixierbar angeordnet ist. Gezeigt ist weiterhin eine Abstützung 08 der Hauptsäule 02 in Form eines Dreibeingestells 07 sowie eine Auslegerverstrebung 09 und eine Verschraubung 10 der Hauptsäule 02 gegenüber dem Ausleger 03. Weiterhin sind eine Bogenverstrebung 11 und eine Dreibeinverstrebung 12 dargestellt. Im Nachfolgenden werden die einzelnen Komponenten näher erläutert.
Die 3 zeigt die Hauptsäule 02 im Detail. Dargestellt sind zwei (erstes, zweites) Säulenelemente 021, 022, die über ein Verbindungsstück 023 miteinander verbunden sind. Die Hauptsäule 02 besteht im gewählten Ausführungsbeispiel aus 30 mm Aluminiumrohr mit einer Gesamtlänge von ca. 2 m. Bei dem Verbindungsstück 023 handelt es sich im gewählten Ausführungsbeispiel um eine einfache Einschiebhülse 024 mit einem Mittensteg 025. Die Hauptsäule 02 trägt am unteren Säulenende 029 eine Bodenplatte 026 zur Aufstellung auf ebenem Gelände. Ein Bodendorn 027 dient zum Einstecken in die natürliche Oberfläche SF des weichen Erdbodens. Die Bodenplatte 026 dient dabei als Anschlag. Eine Befestigungsplatte 028 wird über das untere Säulenelement 022 geschoben und mit dem Bodendorn 027 im Boden fixiert. Am oberen Säulenelement 021 ist am oberen Säulenende 030 eine Säulenplatte 101 angeordnet, die Teil der Verschraubung 10 ist. Zur erkennen sind weiterhin eine Zentralbohrung 102 und eine Reihe von Fixierbohrungen 103.
Die 4 zeigt die Auslegerverstrebung 09, die am festgelegten Auslegerende 037 (vergleiche 6) des Auslegers 03 angeordnet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Auslegerverstrebung 09 aus zwei Hülsen 091, 092, die über die Hauptsäule 02 und über das Ende des Auslegers 03 geschoben und mit einer Rändelschraube 093 arretiert sind. Zwischen zwei Laschen 094, 095 ist eine Verstellhülse 096 angeordnet, über die die Länge der Auslegerverstrebung 09 einstellbar ist. Alle genannten Elemente sind über Gelenke 097 miteinander verbunden.
In der 2 ist als Abstützung 08 ein Dreibeingestell 07 dargestellt. Die 5 zeigt im Detail ein Dreibein 071, das aus zwei Beinelementen 072, 073 besteht, die mittels einer einsteckbaren Verschraubung 074 (eingestecktes Gegengewinde) längenverstellbar miteinander verbunden sind. Jedes Dreibein 071 besteht im gewählten Ausführungsbeispiel aus einem 30 mm Aluminiumrohr mit einer Gesamtlänge von ca. 1,75 m. Am unteren Beinende 082 des unteren Beinelements 073 ist wiederum eine Bodenplatte 075 angeordnet. Mit Hilfe eines Bodendorns 076 zum Einstecken in den Boden und einer Befestigungsplatte 028 wird die Bodenplatte 075 fixiert. Über ein Verschraubungsblech 077 an seinem oberen Dreibeinende 081 ist das Dreibein 071 gelenkig mit einer Ständerhülse 078 verbunden, die über die Hauptsäule 02 geschoben und mit einer Rändelschraube 079 fixiert wird. Die Ständerhülse 078 trägt drei Verschraubungslaschen 080 (am Umfang unter 120° gleichmäßig verteilt), an die die drei Dreibeine 071 montiert werden. Weiterhin ist an jedem Dreibein 071 eine Dreibeinverstrebung 12 angeordnet, die aus einer verschieb- und fixierbaren Verstrebungshülse 121 und einem Verstrebungsarm 122 aufgebaut ist. Der Verstrebungsarm 122 ist mit einer Säulenhülse 123 verbunden, die auf der Hauptsäule 02 läuft und über eine Feststellschraube 124 höhenfixierbar ist. Je nach Höhe der Anordnung der Dreibeinverstrebung 12 an der Hauptsäule 02 und am Dreibein 071 und je nach Länge des Verstrebungsarms 122 ergibt sich ein Öffnungswinkel des Dreibeingestells 07, der bevorzugt bei ca. 65° liegt.
Auch der Ausleger 03 kann aus einem 30 mm (Durchmesser) Aluminiumrohr mit einer Länge von ca. 2 m bestehen. Vorteilhaft kann daher für die Hauptsäule 02, das Dreibeingestell 07 und den Ausleger 03 dann identisches Halbzeug verwendet werden. In der 6 sind weitere Details zum Ausleger 03 und zur Verschraubung 10 aufgezeigt. Der Ausleger 03 weist ein festgelegtes Auslegerende 037 und ein freies Auslegerende 038 auf. Dabei bedeutet „frei” nicht eingespannt, d. h. offen, und frei drehbar und „festgelegt” eingespannt, gelagert und nicht frei drehbar. Der Ausleger 03 ist ebenfalls zweiteilig und besteht aus zwei Auslegerelementen 031, 032, die über angearbeitete Flansche 033 und zwei Fixierschrauben 034 miteinander verbunden sind. Eine Längenverstellbarkeit ist für den Ausleger 03 nicht erforderlich. An seinem einem freien Auslegerende 038 weist der Ausleger 03 einen angearbeiteten Ring 035 zur Aufnahme der Aufhängung 04 mit einem Feststellknebel 036 zur Fixierung der Aufhängung 04 auf. Vor dem festgelegten Auslegerende 039 ist eine Auslegerplatte 104 mit einer Zentralbohrung 105 und einer Reihe von Fixierbohrungen 106 als Teil der Verschraubung 10 mit der Hauptsäule 02 angeordnet.
In der 7 ist die Verschraubung 10 dargestellt. Die Säulenplatte 101 ist mit der Auslegerplatte 104 mittels einer Knebelschraube 107 durch die Zentralbohrungen 102, 105 fest verbunden. Die Winkelstellung des Auslegers 03 zur Hauptsäule 02 ergibt sich durch Einstecken eines Fixierstifts 108 in entsprechend übereinander liegende Fixierbohrungen 103, 106.
Die 8 zeigt Details zur Aufhängung 04. Eine Zentralstange 041 trägt an ihrem oberen Ende ein Gewinde 042, auf das der Ring 035 des Auslegers 03 aufgeschoben und zwischen zwei Gewindemuttern 043 aus einem frostfesten Kunststoff fixiert ist. Durch die auf dem Gewinde 042 drehbaren Gewindemutttern 043 kann eine Höhenfixierung der Aufhängung 04 in Relation zur natürlichen Oberfläche SF vorgenommen werden. Am unteren Ende weist die Zentralstange 041 ein Drehstativkopf 045 mit einem Vollkreisdrehbereich (beispielsweise Manfrotto nord Art. 300 N, der Fa. Manfrotto^TM) auf. Zur Einstellung des Drehstativkopfs 045 ist eine Gradeinteilung 050 vorgesehen. An seinem unteren Ende weist der Drehstativkopf 045 eine untere Aufnahmeplatte 046 zur höhen- und winkelverstellbaren Befestigung des Bogens 05 auf. Die Fixierung erfolgt mittels einer Knebelschraube 047, die in eine Bohrung 048 eingeschraubt wird. Zwischen dem Drehstativkopf 045 und dem Ausleger 03 ist eine obere Aufnahmeplatte 040 zur Befestigung eines Sensors eines Spektrometers (nicht gezeigt) mittels zweier gelochter Laschen 049 über die Zentralstange 041 geschoben. Die obere Aufnahmeplatte 040 ist mit einer Fixiermutter 044 festgelegt. Die Aufhängung 04 ist insgesamt frei drehbar um den Ring 035 des Auslegers 03 gelagert.
Die 9 zeigt den Bogen 05, der einteilig mit einer Länge von 1,4 m aufgebaut ist und im gewählten Ausführungsbeispiel aus einem 20 mm Aluminiumrohr besteht. An seinem festgelegten Bogenende 054 weist der Bogen 05 eine Befestigungsplatte 051 mit einem Langloch 052 auf, durch die die Knebelschraube 047 zur Befestigung an der unteren Aufnahmeplatte 046 des Drehstativkopfs 045 gesteckt ist. An freien Bogenende 055 des Bogens 05 ist ein Strebenstück 111 angeordnet, das die Bogenverstrebung 11 trägt. Über eine Längenverstellung 112 ist die Bogenverstrebung 11 mit der Aufhängung 04 bzw. der frei drehbaren oberen Aufnahmeplatte 040 verbunden und damit zusammen mit dem Bogen 05 ebenfalls frei drehbar. Auf dem Bogen 05 ist der Schlitten 06 frei verschiebbar angeordnet. Zur Positionierung ist auf dem Bogen 05 eine Gradeinteilung 053 vorgesehen. Die Verschiebung erfolgt über einen Läufer 061, der mittels einer Fixierschraube 062 an jedem Ort entlang des Bogens 05 feststellbar ist. Am Läufer 061 ist eine Läuferplatte 063 befestigt, die mehrere Bohrungen 064 zur Aufnahme der Optik 131 des Spektrometers 13 und ggfs. weiterer Komponenten aufweist (vergleiche 10).
Die 10 zeigt zusammenfassend ein Schema für den gesamten Messaufbau mit dem tragbaren Goniospektrometer 01 nach der Erfindung. Schematisch dargestellt ist ein Spektrometer 13 zur Messung der Reflektanz bzw. Radianz (beispielsweise GER 1500 der Fa. SVC, Spectra Vista Corporation) mit der Optik 131 und dem Sensor 132, die mit einer optischen Faser 133 miteinander verbunden sind. Neben der Optik 131 ist eine Videokamera 14 (beispielsweise Webcam CM-3010 AF der Firma Hama^®) an der Läuferplatte 063 angeordnet, deren Zuleitung 141 ebenfalls zum Spektrometer 13 geleitet wird. Vom Spektrometer 13 verläuft ein Verbindungskabel 142 entlang des Auslegers 03 und der Hauptsäule 02 zu einem Auswerteeinheit 134 zur Datenspeicherung und -verarbeitung als Zubehör des Spektrometers 13. Optische Faser 133 und Zuleitung 141 werden je nach Flexibilität lose mit Führungsringen 134 versehen, um die flexible Nachführung zum Schlitten 06 zu ermöglichen. Um eine Verdrehung der optischen Faser 133 und der Zuleitung 141 um die Aufhängung 04 zu vermeiden, wird der Bogen 05 nur maximal einmal im Vollkreis in eine Richtung und dann wieder zurück gedreht. Weiterhin ist ein zweites Spektrometer 15 mit einem Diffusor 151 zur Messung der Irradianz auf der Hauptsäule 02 im Bereich der Verschraubung 10 angeordnet und mit einem weiteren Verbindungskabel 152 mit der Auswerteeinheit 134 verbunden. Zur Ortsdetektion ist ein satellitengestützter Ortsdetektor 16 (beispielsweise NL-402U USB Empfänger der Fa. Navilock^®) am oberen Ende des Aufhängung 04 vorgesehen, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit 134 verbunden ist (nicht dargestellt). An der Hauptsäule 02 und an der Aufhängung 04 sind zu deren lotrechter Ausrichtung mehrere Wasserwaagen 17 angeordnet. Gezeigt ist auch eine Spektralonplatte 18 an einer Spektralonhalterungsplatte 181 zur Kalibrierung der Optik 131.
In der Darstellung hat der Bogen 05 eine solche Länge, dass ein maximaler Beobachtungswinkel von 30° vom Lot (Vertikalachse VA) durch die Aufhängung 04 aus in das Oberservationszentrum BC durch Verschieben des Schlittens 06 erreicht werden kann. Durch Drehen des Bogens 05 um die Aufhängung 04 im Vollkreis ergibt sich damit ein Beobachtungskegel von 60°. Dies entspricht dem Beobachtungskegel durch einen Satelliten ST mit einem Schwenkwinkel von 30°. Auf der zugehörigen Kugelschale dieses Beobachtungskegels kann der Schlitten 06 (und damit die Optik 131) an jeder Position fixiert werden. Bei einem vorgegebenen Erfassungswinkel der Optik 131 kann in der Position des Schlittens 06 lotrecht unterhalb der Aufhängung 04 ein Oberservationszentrum BC mit einer Kantenlänge von 300 mm und bei einer Position des Schlittens 06 am freien Ende des Bogens 05 (Verschiebung um π/6 bzw. um einen Bogenwinkel BW von 30°) mit einer Kantenlänge von ca. 350 mm erfasst werden.

Mit dem tragbaren Goniospektrometer 01 nach der Erfindung wird ein leichtes, stabiles, aber robustes und gut transportables Messgerät zur Verfügung gestellt, das größtenteils aus Normteilen besteht und damit relativ preisgünstig in der Herstellung ist. Die Betätigung der verschieb- und drehbaren Elemente erfolgt nicht motorisch, sondern manuell. Dadurch wird feuchteempfindliche Elektronik vermieden. Durch eine Optikhöhe BR von ca. 2 m über der natürlichen Oberfläche SF ergibt sich nur ein geringer Schattwurf durch das Gerät an sich. Die Gerätespezifikationen entsprechen den Aufnahme-Spezifikationen für EnMAP. Folgende Eckdaten zeigt das Datenblatt für das tragbare Goniospektrometer nach der Erfindung:

Gesamthöhe	2,50 m
Gewicht (ohne Spektrometer)	21,5 kg
Material	Aluminium
Höhe der Optik über Objekt	2,02 m
Grundprobenbreite GSD (nadir)	30 cm
Grundprobenbreite GSD (30°)	34,8 cm
Aufnahmemöglichkeit im Azimut	Vollkreis (360°)
Einstellgenauigkeit im Azimut	2,5°
Aufnahmemöglichkeit im Zenit	–30° bis +30°
Einstellgenauigkeit im Zenit	1°
Zeit für Durchführung einer Messreihe	ca. 20 min (Vollkreis)

Die 11 zeigt ein mögliches Messschema zur Positionierung der Optik 131 für Objekte ohne Symmetrieachse (links, 61 Messpunkte) und mit Symmetrieachse (rechts, 35 Messpunkte). Durch die Verringerung der Messpunkte kann die Durchführung eines Messzyklusses noch erheblich beschleunigt werden.
Bezugszeichenliste

01: Goniospektrometer
02: Hauptsäule
021: oberes Säulenelement
022: unteres Säulenelement
023: Verbindungsstück
024: Einschiebhülse
025: Mittensteg
026: Bodenplatte
027: Bodendorn
028: Befestigungsplatte
029: unteres Säulenende
030: oberes Säulenende
03: Ausleger
031: erstes Auslegerelement
032: zweites Auslegerelement
033: Flansch
034: Fixierschraube
035: Ring
036: Feststellknebel
037: festgelegtes Auslegerende
038: freies Auslegerende
04: Aufhängung
040: obere Aufnahmeplatte
041: Zentralstange
042: Gewinde
043: Gewindemutter
044: Fixiermutter
045: Drehstativkopf
046: untere Aufnahmeplatte
047: Knebelschraube
048: Bohrung
049: Lasche
050: Gradeinteilung
05: Bogen
051: Befestigungsplatte
052: Langloch
053: Gradeinteilung
054: festgelegtes Bogenende
055: freies Bogenende
06: Schlitten
061: Läufer
062: Fixierschraube
063: Läuferplatte
064: Bohrung
07: Dreibeingestell
071: Dreibein
072: oberes Beinelement
073: unteres Beinelement
074: Verschraubung
075: Bodenplatte
076: Bodendorn
077: Verschraubungsblech
078: Ständerhülse
079: Rändelschraube
080: Verschraubungslasche
081: oberes Dreibeinende
082: unteres Dreibeinende
08: Abstützung
09: Auslegerverstrebung
091: Hülse
092: Hülse
093: Rändelschraube
094: Lasche
095: Lasche
096: Verstellhülse
097: Gelenk
10: Verschraubung
101: Säulenplatte
102: Zentralbohrung
103: Fixierbohrung
104: Auslegerplatte
105: Zentralbohrung
106: Fixierbohrung
107: Knebelschraube
108: Fixierstift
11: Bogenverstrebung
111: Strebenstück
112: Längenverstellung
12: Dreibeinverstrebung
121: Verstrebungshülse
122: Verstrebungsarm
123: Säulenhülse
124: Feststellschraube
13: Spektrometer (Radianz)
131: Optik
132: Sensor
133: optische Faser
134: Auswerteeinheit
14: Videokamera
141: Zuleitung
142: Verbindungskabel
15: Spektrometer (Irradianz)
151: Diffusor
152: weiteres Verbindungskabel
16: Ortsdetektor
17: Wasserwaage
18: Spektralonplatte
181: Spektralonhalterungsplatte
BC: Beobachtungszentrum
BL: Bogenlänge
BR: Bogenradius
BW: Bogenwinkel
CP: Querebene
HZ: Horizont
PP: Grundebene
SF: natürliche Oberfläche
SN: Sonnenstrahlung
ST: Satellit
VA: Vertikalachse
ψ_n: Azimutwinkel
Θ_n: Zenitwinkel

Claims

Transportables Goniospektrometer (01) mit konstantem Observationszentrum (BC), geeignet für die radiometrische Messung des Reflexionsverhaltens einer Oberfläche (SF), mit einer Hauptsäule (02), die eine Abstützung (08) gegenüber der Oberfläche (SF) aufweist und an ihrem oberen Säulenende (030) über eine Verschraubung (10) mit dem festgelegten Auslegerende (037) eines Auslegers (03), dessen anderes Auslegerende als freies Auslegerende (038) ausgebildet ist, verbunden ist, und mit einem Spektrometer (13) mit einem Sensor (131) und einer Auswerteeinheit (132), wobei der Sensor (131) über eine optische Faser (133) mit der Auswerteeinheit (132) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (03) an seinem freien Auslegerende (038) eine um eine lotrecht zur Oberfläche (SF) ausgerichtete Vertikalachse (VA) dreh- und fixierbare Aufhängung (04) aufweist, die mit der Auswerteeinheit (132) des Spektrometers (13) und mit einem festgelegten Bogenende (054) eines Bogens (05) verbunden ist, wobei das andere Bogenende des Bogens (05) als freies Bogenende (055) ausgebildet ist, und dass die Aufhängung (04) den Bogen (05) im Abstand seines Bogenradiusses (BR) oberhalb der Oberfläche (SF) positioniert, und dass an dem Bogen (05) ein entlang des Bogens (05) verschieb- und fixierbarer Schlitten (06) angeordnet ist, der den Sensor (131) in einer Ausrichtung auf das Oberservationszentrum (BC) trägt.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (03) bogenförmig ausgebildet ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogen (05) eine solche Bogenlänge (BL) aufweist, dass der Schlitten (06) beginnend bei der Vertikalachse (VA) um einen Bogenwinkel (BW) von 30° auf dem Bogen (05) verschiebbar ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (04) in einem Vollkreis drehbar ausgebildet ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (04) manuell verdrehbar und der Schlitten (06) manuell verschiebbar ausgebildet ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bogen (05) und auf der Aufhängung (04) eine Gradeinteilung (053, 050) vorgesehen ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das festgelegte Auslegerende (037) des Auslegers (03) über die Verschraubung (10) hinausgeht und hinter der Verschraubung (10) mittels einer längenverstellbaren Auslegerverstrebung (09) mit der Hauptsäule (02) verbunden ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogen (05) mittels einer an seinem freien Bogenende (055) angeordneten längenverstellbaren Bogenverstrebung (11) mit der drehbaren Aufhängung (04) verbunden ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (08) der Hauptsäule (02) gegenüber der Oberfläche (SF) als Dreibeingestell (07) ausgebildet ist, das über eine Ständerhülse (078) mit der Hauptsäule (02) verbunden ist, wobei jedes Dreibein (071) mit seinem oberen Beinende (081) mit der Ständerhülse (078) und über eine Dreibeinverstrebung (12) mit der Hauptsäule (02) verbunden ist und aus zumindest zwei Beinelementen (072, 073) besteht, die längenverstellbar miteinander verbunden sind.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsäule (02) an ihrem unteren Säulenende (029) und die Dreibeine (071) des Dreibeingestells (07) an ihren unteren Beinenden (082) Bodenplatten (026) aufweisen, die über Bodendorne (027, 076) zum Einstecken in die Oberfläche (SF) und Befestigungsplatten (028) auf der Oberfläche (SF) fixiert sind.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsäule (02) aus zumindest zwei Säulenelementen (021, 022) und der Ausleger (03) aus zumindest zwei Auslegerelementen (031, 032) besteht, die jeweils längenverstellbar und lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Säulenelemente (021, 022) und die Auslegerelemente (031, 032) solche Abmaße aufweisen, dass sie in einer kompakten Transportkiste unterbringbar sind.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung (10) zwischen Hauptsäule (02) und Ausleger (03) aus einer Säulenplatte (101) an der Hauptsäule (02) und einer Auslegerplatte (104) am Ausleger (03) mit einer Zentralbohrung (102, 105), in die eine Knebelschraube (107) eingreift, und einer Reihe von Fixierbohrungen (106), in die ein Fixierstift (108) eingreift, zur Einstellung eines Winkels zwischen Säulenplatte (101) und Auslegerplatte (104) aufgebaut ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Aufhängung (04) des Bogens (05) am Ausleger (03) aus einer drehbaren Zentralstange (041) mit einer oberen Aufnahmeplatte (040) für die Auswerteeinheit (132) des Spektrometers (13) und einem Drehstativkopf (045) mit einer unteren Aufnahmeplatte (046) zur Befestigung des festgelegten Bogenendes des Bogens (05) aufgebaut ist.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schlitten (06) zusätzlich eine Videokamera (14) und zeitweilig eine Spektralonplatte (18) für die Kalibrierung verbunden sind.
Tansportables Goniospektrometer (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wasserwaagen (17) zur lotrechten Ausrichtung der Hauptsäule (02) und des Sensors (131) gegenüber der Oberfläche (SF) und/oder ein satellitengestützter Ortsdetektor (16) vorgesehen sind.