DE102022125348A1 - Watercraft for validating multi- and hyperspectral optical data - Google Patents
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Abstract
Bei einem Wasserfahrzeug zur Validierung von multi- und hyperspektralen optischen Daten von Gewässern mit- zumindest einem Schwimmkörper,- zumindest einer Antriebseinheit zum Antreiben des Schwimmkörpers auf einem Gewässer,- zumindest einer ersten Messeinrichtung zum direkten oder indirekten Messen einer für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevanten Messgröße, vorzugsweise ist die Messgröße die Remote Sensing Reflectance (Rrs),- zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinheit ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit eine omnidirektionale Antriebseinheit ist und die Steuereinrichtung dazu ausgebildet die omnidirektionale Antriebseinheit derart zu steuern, dass die Vorrichtung in jede beliebige Richtung auf dem Gewässer fortbewegt werden kann und davon unabhängig um eine im Wesentlichen vertikale Achse beliebig drehbar ist.In a watercraft for validating multi- and hyperspectral optical data from bodies of water with - at least one floating body, - at least one drive unit for driving the floating body on a body of water, - at least one first measuring device for directly or indirectly measuring a measured variable relevant for the validation of the multi- and hyperspectral optical data, preferably the measured variable is the Remote Sensing Reflectance (Rrs), - at least one control device for controlling the drive unit, it is provided that the drive unit is an omnidirectional drive unit and the control device is designed to control the omnidirectional drive unit such that the device can be moved in any direction on the body of water and can be rotated as desired about a substantially vertical axis independently of this.
Description
Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug zur Validierung von multi- und hyperspektralen optischen Daten im Bereich von Gewässern nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Validieren von multi- und hyperspektralen optischen Daten im Bereich von Gewässern nach Anspruch 13.The invention relates to a watercraft for validating multi- and hyperspectral optical data in the area of water according to
Es ist bekannt, multi- und hyperspektrale optische Daten im Bereich von Gewässern zu validieren. Bei bekannten Vorrichtungen kann zumindest eine Messeinrichtung zum direkten oder indirekten Messen einer für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevanten Messgröße vorgesehen sein. Die wesentliche Messgröße ist dabei die Remote Sensing Reflectance (Rrs). Es werden dafür häufig Wasserfahrzeuge verwendet. Wasserfahrzeuge können beispielsweise Schiffe oder Boote sein. Die Wasserfahrzeuge weisen dabei zumindest einen Schwimmkörper auf. Ferner sind meist zumindest eine Antriebseinheit zum Antreiben des Schwimmkörpers auf einem Gewässer vorgesehen und zumindest eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinheit.It is known to validate multi- and hyperspectral optical data in the area of water. In known devices, at least one measuring device can be provided for directly or indirectly measuring a measurement variable relevant to the validation of the multi- and hyperspectral optical data. The main measurement variable is the Remote Sensing Reflectance (Rrs). Watercraft are often used for this purpose. Watercraft can be, for example, ships or boats. The watercraft have at least one floating body. Furthermore, at least one drive unit is usually provided for driving the floating body on a body of water and at least one control device for controlling the drive unit.
Bei bekannten Vorrichtungen besteht häufig das Problem, dass die Messungen durch die Eigenschaften des verwendeten Wasserfahrzeuges zu Ungunsten der Genauigkeit beeinflusst werden.A common problem with known devices is that the measurements are influenced by the characteristics of the watercraft used, to the detriment of accuracy.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit der bzw. mit dem genauere Messungen möglich sind.The object of the present invention is therefore to create a device and a method with which more precise measurements are possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 13.The features of
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass die Antriebseinheit eine omnidirektionale Antriebseinheit ist und die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die omnidirektionale Antriebseinheit derart zu steuern, dass die Vorrichtung in jede beliebige Richtung auf dem Gewässer fortbewegt werden kann und davon unabhängig um eine im Wesentlichen vertikale Achse beliebig drehbar ist.The invention advantageously provides that the drive unit is an omnidirectional drive unit and the control device is designed to control the omnidirectional drive unit in such a way that the device can be moved in any direction on the body of water and independently thereof about a substantially vertical axis can be rotated as desired.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass das Driften des Wasserfahrzeugs vermieden werden kann. Mittels der omnidirektionale Antriebseinheit und der Steuerung der omnidirektionale Antriebseinheit kann dem Driften entgegengesteuert werden. Da das Messen der für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevanten Messgröße häufig mehrere Sekunden bis Minuten dauern kann, kann durch die Driftvermeidung eine wesentlich genauere Messung durchgeführt werdenThe present invention has the advantage that the drifting of the watercraft can be avoided. The drifting can be counteracted by means of the omnidirectional drive unit and the control of the omnidirectional drive unit. Since measuring the measurement quantity relevant for the validation of the multi- and hyperspectral optical data can often take several seconds to minutes, a much more precise measurement can be carried out by avoiding drift.
Das Erfindung hat den Vorteil, dass das Wasserfahrzeug unbemannt sein kann.The invention has the advantage that the watercraft can be unmanned.
Bei dem bisherigen Stand der Technik bestand der Nachteil, dass bei vorher bekannten Messungen von der für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevanten Messgröße häufig bemannten Schiffe und/oder Boote eingesetzt, die jedoch häufig Aufbauten oder Ähnliches aufweisen und Personen auf dem Schiff oder Boot anwesend ist. Dies hat den Nachteil, dass die Aufbauten als auch die Personen Licht in Richtung der Messeinrichtung reflektieren oder die einfallende Strahlung aus der oberen Hemisphäre abgeschattet können. Dadurch wird das Messergebnis verfälscht.The previous state of the art had the disadvantage that manned ships and/or boats were often used for previously known measurements of the measurement quantity relevant for the validation of multi- and hyperspectral optical data, but these often have superstructures or similar and people are present on the ship or boat. This has the disadvantage that the superstructures and the people can reflect light in the direction of the measuring device or shade the incoming radiation from the upper hemisphere. This distorts the measurement result.
Auch hat die Erfindung den Vorteil, dass durch das beliebige Drehen um eine vertikale Achse eine unerwünschte Änderung der Orientierung des Wasserfahrzeugs verhindert werden kann. Bei einer unerwünschten bzw. unkontrollierten Änderung des Wasserfahrzeugs kann es sonst zu einer unerwünschten Änderung der Messgeometrie in Bezug auf den gewünschten Winkel relativ zur Sonne sowie zu einer Änderung des Einflusses des Schiffes/Bootes, wie z.B. durch Schattenwurf, auf die Messung kommen. Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile vermieden.The invention also has the advantage that an undesirable change in the orientation of the watercraft can be prevented by freely rotating it about a vertical axis. An undesirable or uncontrolled change to the watercraft can otherwise lead to an undesirable change in the measurement geometry in relation to the desired angle relative to the sun, as well as a change in the influence of the ship/boat on the measurement, such as by casting shadows. With the present invention, these disadvantages are avoided.
Es kann zumindest eine Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung der aktuellen Position vorgesehen sein, wobei die Positionsbestimmungseinrichtung vorzugsweise eine GPS- Positionsbestimmungseinrichtung ist.At least one position determination device can be provided for determining the current position, the position determination device preferably being a GPS position determination device.
Die Antriebseinheit kann in Abhängigkeit von der mittels der Positionsbestimmungseinrichtung bestimmten Daten steuerbar sein.The drive unit can be controlled depending on the data determined by means of the position determining device.
Die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, die Antriebseinheit derart zu steuern, dass die Position und/oder die Ausrichtung bzw. Orientierung der Vorrichtung zumindest während der Messung für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevante Messgröße konstant bleibt.The control device can be designed to control the drive unit in such a way that the position and/or the alignment or orientation of the device remains constant, at least during the measurement for the validation of the multi- and hyperspectral optical data.
Die Ausrichtung bzw. Orientierung kann bezogen auf einen festen Punkt, wie beispielsweise ein an Land befindlicher fester Punkt konstant bleiben.The alignment or orientation can remain constant with respect to a fixed point, such as a fixed point on land.
Die Steuereinrichtung kann einen manuellen Betriebsmodus und/oder eine automatischen Betriebsmodus aufweisen, wobei in dem manuellen Betriebsmodus Steuerbefehle von einem Bediener vorgebbar sind.The control device can have a manual operating mode and/or an automatic operating mode, wherein in the manual operating mode control commands can be specified by an operator.
Im manuellen Betriebsmodus kann die Steuereinrichtung auch aus der Ferne bedient werden.In manual operating mode, the control device can also be operated remotely.
Die zumindest eine erste Messeinrichtung kann zumindest ein Spektrometer sein.The at least one first measuring device can be at least a spectrometer.
Mittels der ersten Messeinrichtung kann die Einstrahlung aus der oberen Hemisphäre (Ed) und/oder Strahldichte des Himmels (Ls) und/oder die aufsteigende Strahlung vom Gewässer (Lu) messbar sein.By means of the first measuring device, the radiation from the upper hemisphere (E d ) and/or the radiance of the sky (L s ) and/or the rising radiation from the water (L u ) can be measured.
Eine Auswerteeinrichtung kann vorgesehen sein, die mittels der Messeinrichtung gemessen Werte die Remote Sensing Reflectance (Rrs) bestimmt. Die Auswerteeinrichtung kann auf oder an dem Wasserfahrzeug vorgesehen sein. Alternativ kann diese auch extern davon vorgesehen sein.An evaluation device can be provided which determines the remote sensing reflectance (Rrs) values measured by the measuring device. The evaluation device can be provided on or at the watercraft. Alternatively, it can also be provided externally.
Das Wasserfahrzeug kann ein Boot, ein Schiff oder eine schwimmbare Plattform sein.The watercraft can be a boat, a ship or a floating platform.
Es kann eine Sonde vorgesehen sein, die über ein seilartiges Element und einem Datenübertragungselement mit dem auf dem Gewässer befindlichen schwimmbaren Körper verbunden ist, wobei die Sonde mittels einer Vorrichtung zum Heben und Senken der Sonde unter Wasser absenkbar ist, wobei die Sonde zumindest eine zweite Messeinrichtung zur Messung der spektrale Reflektion des Gewässerbodens aufweist. Das Datenübertragungselement kann ein Kabel zur Datenübertragung sein.A probe can be provided which is connected to the floatable body located on the body of water via a rope-like element and a data transmission element, the probe being able to be lowered underwater by means of a device for raising and lowering the probe, the probe having at least a second measuring device for measuring the spectral reflection of the water bottom. The data transmission element can be a cable for data transmission.
Die Vorrichtung zum Heben und Senken der Sonde kann eine Seilwinde sein.The device for raising and lowering the probe can be a winch.
Die zumindest eine zweite Messeinrichtung kann ein Spektrometer sein.The at least one second measuring device can be a spectrometer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Verfahren zum Validieren von multi- und hyperspektralen optischen Daten von Gewässern vorgesehen sein, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Antreiben eines schwimmbaren Körpers auf einem Gewässer mittels zumindest einer Antriebseinheit,
- - Messen einer für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevante Messgröße mittels zumindest einer ersten Messeinrichtung, vorzugsweise ist die Messgröße die Remote Sen-sing Reflectance (Rrs),
- - Steuern der Antriebseinheit mittels einer Steuereinrichtung, wobei
- - die Antriebseinheit eine omnidirektionale Antriebseinheit ist und wobei die omnidirektionale Antriebseinheit derart gesteuert wird, dass die Vorrichtung in jede beliebige Richtung auf dem Gewässer fortbewegt werden kann und davon unabhängig um eine im Wesentlichen vertikale Achse beliebig drehbar ist.
- - driving a floatable body on a body of water by means of at least one drive unit,
- - measuring a measurement variable relevant to the validation of the multi- and hyperspectral optical data using at least a first measuring device, preferably the measurement variable is the remote sensing reflectance (Rrs),
- - Controlling the drive unit by means of a control device, wherein
- - the drive unit is an omnidirectional drive unit and wherein the omnidirectional drive unit is controlled in such a way that the device can be moved in any direction on the body of water and can be independently rotated in any direction about a substantially vertical axis.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert.Exemplary embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:
-
1 ein Wasserfahrzeug der vorliegenden Erfindung -
2 erste Messeinrichtung -
3 ein Wasserfahrzeug in der Draufsicht -
4 das Wasserfahrzeug nach3 mit Verlauf der Strahlung -
5 das Wasserfahrzeug aus3 in einer Seitenansicht -
6 das Wasserfahrzeug in einer weiteren Seitenansicht -
7 das Wasserfahrzeug nach6 mit Verlauf der Strahlung -
8 das Wasserfahrzeug mit Sonde -
9 das Wasserfahrzeug mit abgesenkter Sonde
-
1 a watercraft of the present invention -
2 first measuring device -
3 a watercraft in top view -
4 the watercraft3 with the course of the radiation -
5 the watercraft3 in a side view -
6 the watercraft in another side view -
7 thewatercraft 6 with the course of the radiation -
8th the watercraft with probe -
9 the watercraft with the probe lowered
Eine Drehung um die vertikale Achse 10 ist unabhängig davon sowohl während der Fahrt als auch auf der Stelle möglich, um eine gewünschte Messposition einzunehmen. Die durch die Düsen gebildete Antriebseinheit 4 ist eine omnidirektionale Antriebseinheit 4. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu ausgebildet die omnidirektionale Antriebseinheit 4 derart zu steuern, dass das Wasserfahrzeug 1 jede beliebige Richtung auf dem Gewässer 5 fortbewegt werden kann und davon unabhängig um die im Wesentlichen vertikale Achse 10 beliebig drehbar ist.Regardless of this, rotation about the
In
Die erste Messeinrichtung 6 zum direkten und indirekten Messen einer für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevanten Messgröße kann bzgl.
Die für die Validierung der multi- und hyperspektralen optischen Daten relevante Messgröße ist vorzugsweise die sog. Remote Sensing Reflectance (Rrs). Sie ist folgendermaßen definiert:
- • Lw ist die das Wasser verlassende Strahldichte (engl. water leaving radiance)
- • Ed ist die Einstrahlung aus der oberen Hemisphäre (engl. downwelling irradiance)
- • Lw is the water leaving radiance
- • Ed is the downwelling irradiance from the upper hemisphere.
Lw kann nicht direkt gemessen werden, da ein auf die Oberfläche des Gewässers 5 gerichtete Messeinrichtung 6', vorzugsweise Spektrometer, zusätzlich zu Lw die Reflexion des Himmels Lr auf der Oberfläche des Gewässers sieht. Letztere muss also von der gemessenen aufsteigende Strahlung vom Gewässer Lu (upwelling radiance) abgezogen werden, um Lw zu erhalten:
Für die Validierung von optischen Daten können Lu und Ed knapp über der Oberfläche des Gewässers 5 gemessen werden. Da die Größen wellenlängenabhängig sind, werden dazu insbesondere Spektrometer (Wellenlängenbereich ca. 350-900 nm) benutzt.To validate optical data, Lu and Ed can be measured just above the surface of the body of
Ein gängiges Standardverfahren nach Mobley (1999), das zur Validierung verwendet werden kann, empfiehlt dabei, Lu nicht senkrecht nach unten, sondern in einem um 40° von der Senkrechten abweichenden Winkel (off-nadir angle) zu messen, um Spiegelungen der Sonne auf der Oberfläche des Gewässers 5 (engl. sun glitter oder sun glint) zu vermeiden.A common standard procedure according to Mobley (1999), which can be used for validation, recommends measuring Lu not vertically downwards, but at an angle deviating from vertical by 40° (off-nadir angle) in order to avoid reflections of the sun the surface of the water 5 (sun glitter or sun glint).
Aus demselben Grund sollte die Messeinrichtung 6', insbesondere Spektrometer, mit dem Lu gemessen wird, mit einem Winkel von 135° (Drehung in der horizontalen Ebene, Azimut-Differenz) zur Sonne stehen. Um Lr abschätzen zu können, wird zusätzlich die Strahldichte des Himmels (Lsky oder Ls) in einem um 40° vom Zenit abweichenden Winkel (off-zenith angle) gemessen. Das ist der Anteil der Einstrahlung, der für die Spiegelungen des Himmels, die das Lu messende Spektrometer sieht, verantwortlich ist.For the same reason, the measuring device 6', in particular the spectrometer used to measure Lu, should be positioned at an angle of 135° (rotation in the horizontal plane, azimuth difference) to the sun. In order to estimate Lr, the radiance of the sky (Lsky or Ls) is also measured at an angle deviating by 40° from the zenith (off-zenith angle). This is the portion of the radiation that is responsible for the reflections in the sky that the spectrometer measuring Lu sees.
Die reflektierte Strahldichte des Himmels Lr kann nach Mobley abgeschätzt werden mit:
Statt über drei verschiedene Messeinrichtungen 6' kann das Wasserfahrzeug über drei entsprechend ausgerichtete Optiken verfügen, die in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind und mit 14, 15 gekennzeichnet werden. Die mit den Optiken 14,15 umgeleiteten Strahlung können vorzugsweise per Glasfaser nacheinander auf die Messeinrichtung 6 geschaltet werden um Lu , Ed und Ls zu messen. In den Zeichnungen sind die Optiken für LS und Ed beide mit 14 bezeichnet, wobei es sich eigentlich um zwei getrennte Optiken handelt.Instead of three different measuring devices 6 ', the watercraft can have three correspondingly aligned optics, which are shown in the following figures and are marked 14, 15. The radiation redirected with the
Ed kann nicht nur direkt mittels der dafür vorgesehenen Optik 14, sondern auch indirekt mittels der Lu -Optik 15, vor die ein horizontal ausgerichteter Reflexionsstandard geschoben wird, gemessen werden, so dass die Ergebnisse dieser beiden Methoden zur Bestimmung von Ed miteinander verglichen werden können.Ed can be measured not only directly by means of the
Der off-nadir-Winkel der Optik 15 für Lu sowie der off-zenit-Winkel der Optik 14 für Ls kann einstellbar sein. Die Winkel können beispielsweise elektromechanisch eingestellt werden. Nach dem Verfahren von Mobley werden dafür jeweils 40° eingestellt. Es können jedoch auch andere Winkel als die von Mobley empfohlenen Winkel eingestellt werden.The off-nadir angle of the
Als Azimut-Differenz der Messrichtung bzw. der Optik 14 gegenüber der Sonne wird nach Mobley als 135° vorgesehen. Diese wird durch Drehen des gesamten Wasserfahrzeugs 1 eingestellt, wobei die Orientierung des Wasserfahrzeugs 1 dann während der gesamten Messung konstant gehalten werden muss. Da das Wasserfahrzeug währenddessen aber auch die Position halten und der Drift durch Wind und Strömung entgegenwirken muss, ist der spezielle omnidirektionale Antriebseinheit 4 nötig, bei dem Orientierung und Fahrtrichtung unabhängig voneinander sind.According to Mobley, the azimuth difference of the measuring direction or the
Um das Schaukeln des Wasserfahrzeugs 1 mit den Wellenbewegungen auszugleichen, sind die Optiken 14, 15 auf stabilisierenden Montierungen 16, sog. Gimbals, angebracht. Die Bezugsebene, zu der die Messwinkel eingestellt sind, bleibt damit immer die Senkrechte.In order to compensate for the rocking of the
Darüber hinaus ist eine Positionsbestimmungseinrichtung 12 zur Bestimmung der aktuellen Position vorgesehen. Die Positionsbestimmungseinrichtung 12 kann vorzugsweise eine GPS-Positionsbestimmungseinrichtung sein.In addition, a
Die Antriebseinheit 4 kann in Abhängigkeit der mittels der Positionsbestimmungseinrichtung 12 bestimmten Daten steuerbar sein.The
Wie bereits erwähnt, sind ebenfalls die Optiken 14 und 15 zu erkennen, die über stabilisierende Montageeinheiten 16 an dem Maschinenrahmen 7 befestigt sind.As already mentioned, the
In
In
In
Die Vorrichtung 25 zum Heben und Senken der Sonde 13 kann eine Seilwinde sein. Die zweite Messeinrichtung 24 kann ein Spektrometer sein. In
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