[发明专利]一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置及方法

权利要求书

1.一种野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：它由步进机械导轨、样本平台(2)、控制系统、供电系统和机箱(1)五部分组成；

所述机箱(1)上表面的一侧设置有水平气泡(8)、底部设置有四个水平调节螺丝(10)；水平气泡(8)与四个水平调节螺丝(10)相配合用于调整机箱的水平位置；

所述机箱(1)上表面和水平气泡(8)相对应的一侧设置有步进电机(11)和导轨移动台(12)，步进电机(11)通过水平导轨(4)和导轨移动台(12)相连接；水平导轨(4)贯穿导轨移动台(12)；

所述步进电机(11)和驱动器相连接，驱动器连接在单片机上；单片机和供电模块、遥控模块进行有线连接，和PC端发送模块进行无线连接。

2.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述轨移动台(12)的上面设置有样本平台(2)，样本平台(2)上设置有两个样本托盘(3)；样本托盘(3)各自固定在样本平台(2)上挖空形成两个矩形框内。

3.根据权利要求2所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述样本平台(2)通过螺丝固定在导轨移动台(12)上，利用水平导轨(4)的水平移动控制样本托盘(3)的水平切换。

4.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述机箱(1)上水平气泡(8)的左侧从左向右依次设置有模式切换开关(5)、电源5V开关(6)和电源24V开关(7)，上水平气泡(8)右侧设置有电压显示表(9)。

5.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述机箱步进机械导轨由水平导轨(4)、导轨移动台(12)和步进电机(11)构成。

6.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述供电系统由电池组和电线构成，装于机箱内部，位于电压显示表(9)的一侧。

7.根据权利要求1所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置，其特征在于：所述控制系统由无线PC控制模块、遥控模块和驱动器组成；无线PC控制模块由具有接收功能的单片机和PC端发送模块组成。

8.根据权利要求1-7所述的野外便携式高光谱地表发射率辅助测量装置的测量方法，其特征在于：测量步骤如下：

a、目标样本离地辐亮度观测：

首先，安装样品平台并将其放置于红外光谱仪旁边，通过模式切换开关选择操作模式，打开5V和24V电源开关；然后根据目标样本是否需要放置在样本托盘上，进行观测；

b、参考板离地辐亮度观测：

通过远程遥控方式或者无线PC控制方式远程控制样本平台的水平移动，使得样本平台向靠近导轨电机的方向水平移动，使得参考板的样本托盘移动至原目标样本的位置，实现目标样本和参考板位置的自动切换，操作热红外光谱仪进行参考板离地辐亮度的观测；其中，远程遥控的方式是通过小型遥控器来完成平台的移动控制，距离需操作人员手动控制；无线PC控制是通过连接在PC端的发送模块，以PC指令方式控制平台的移动，可设定移动距离，实现精准移动；

c、环境辐亮度估算：

在通过步骤b测量得到参考板的离地辐亮度数据后，输入参考板的发射率以及参考板的表面温度，利用公式求取环境辐亮度；

d、地表发射率及地表温度的迭代优化分离

i、初值估算

采用线性统计关系1，利用测量得到的目标样本离地辐亮度与环境辐亮度来进行红外光谱仪每个通道地表发射率初值的估算，可表示如下：

ϵi0=C0+C1Ps+C2PE,s---(8)]]>

其中，P_s为目标样本离地辐亮度主成分变换后的前10个主成分构成的矩阵，P_s的每一列对应着的主成分。P_E，s为环境辐亮度主成分变换后的前10个主成分构成的矩阵，P_E，s的每一列对应着的主成分；C₀、C₁和C₂都是转换系数，其中C₁和C₂为矩阵；转换系数都是事先通过对大量包含地表和大气各种情况组合的模拟数据进行统计回归后获取的常数；

在得到每个通道发射率的初始值后，通过普朗克反函数估算每个通道的地表温度T_i，即：

Ti=c2λi(ln(c1ϵi0πRiλi5+1))-1---(9)]]>

其中，λ_i是红外光谱仪通道i的波长，c₁＝1.19104·10⁸W·μm·m^-2·sr^-1，c₂＝1.43877·10⁴μm·K；选择每个通道的地表温度的最大值作为地表温度初始值T₀：

T₀＝max(T_i)       (10)

ii、发射率和温度的迭代分离

利用(i)步得到的每个通道发射率初始值除以发射率的均值，得到相对发射率γ_i，进一步降低地表温度初始值对地表发射率测量的影响，即：

γi=ϵi01nΣ1nϵi0---(11)]]>

其中n为参与相对发射率计算的热红外光谱仪的通道个数；

接着，获取相对发射率的最小值γ_i，min和γ_i，max，即：

γ_i，min＝min(γ_i)       (12)

γ_i，max＝max(γ_i)

利用最小发射率与最小相对发射率的统计关系2可得到每个通道的发射率：

ϵi=γia+b(γi,max-γi,min)γi,min---(13)]]>

其中，a和b都是转换系数，可通过对地表发射率的光谱数据进行统计回归的方式获取；

进行迭代条件的判断，如果前后两次计算的最小发射率的差值Δε_i＝max(ε_i)-min(ε_i)小于给定的阈值(如0.01)，或者迭代次数N达到一定的次数(如N≥100)，则迭代停止，否则将计算得到的发射率ε_i作为下一轮的发射率初始值，继续下一轮迭代；

e、地表发射率与地表温度的获取

在完成步骤d中的迭代算法后，将此时得到的发射率ε_i与温度T₀作为最终值，完成地表发射率与地表温度的迭代优化分离，输出并保存地表发射率ε_i。