模拟现实场景的地物波谱采集装置和采集方法

摘要

本发明涉及一种模拟现实场景的地物波谱采集装置和采集方法，所述采集装置包括水平设置的基座板以及设置于所述基座板上的人工光源模拟装置和接收光谱模拟装置；所述基座板为圆形板体，在其板面的边沿设有360°的方位角度线；所述接收光谱模拟装置包括第一立杆、横支杆、第一量角器、光纤固定尺和光纤传感器；所述人工光源模拟装置包括第二立杆、随意停支撑、第二量角器、量角尺、支板和人工光源。本发明可实现对模拟太阳的人工光源的入射方位角、高度角或天顶角，以及对模拟遥感卫星的光纤传感器的方位角、高度角或天顶角等的精确设定，可模拟野外自然状态下卫星传感器的标准及侧摆姿态，从而获取相应的地物在人工试验条件下接近自然状态的光谱特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地物波谱的采集与测定，具体地说是一种模拟现实场景的地物波谱采集装置和采集方法。

背景技术

光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，利用连续波长测定的物体反射率曲线构成反射率波谱，即为常说的地物反射波谱曲线。而影响地物波谱曲线变化特征的主要因素则为该物体组成成分、结构和表面状态。因此，地物波谱分析作为一种重要的分析手段，在农业、环境、地矿、产品质量控制等方面，都发挥着极大的作用。

由于测定方式的差异，反射率波谱可以根据入射能量的照明方式及反射能量测定方式包括方向—方向反射率波谱、半球—方向反射率波谱、方向—半球反射率波谱和半球—半球反射率波谱四种类型。由于诸多客观条件限制，很难测定这四种类型的理想反射率波谱，航空和卫星光学遥感技术获取的是地物某些特定观测方向的反射太阳光能量（参见图1），可以近似为第一种的方向—方向反射率数据，即入射能量照明方式为平行直射光，没有或可以忽略散射光，波谱测定仪器仅测定某个特定方向的反射能量，因此，目前国内外遥感应用研究采用的主要数据源还是方向—方向反射率数据。

由于通过航空或航天遥感平台获取地物波谱信息的代价十分昂贵，不利于科学研究的开展和深入分析，研究人员往往利用光谱仪进行地物波谱的测定研究，为航空和航天卫星遥感应用提供基础依据。光谱仪测定的测定方法一般是采用光谱仪（即光辐射计）来测量，将地物与已知反射率的白板（即标准板）相比较，求出地物反射率光谱曲线。

现有的地物光谱测量方式主要有室内测量和野外测量两种。室内测量是将样品拿到实验室，利用人工光源进行测量，测量结果的精度高，但不反映实际自然状态；而野外测量，是将仪器拿到实地，利用太阳辐射作为照明光源，利用漫反射参考板对比测量，获得目标的反射率光谱信息，能够较好反映地物自然状态的波谱特征。

然而，野外地物光谱测量是一个需要综合考虑各种光谱影响因素的复杂过程，所获取的光谱数据是太阳高度角、太阳方位角、云、风、相对湿度、入射角、探测角、仪器扫描速度、仪器视场角、仪器的采样间隔、光谱分辨率、坡向、坡度及目标本身光谱特性等各种因素共同作用的结果。测量时要求选择合适的时间，天气晴朗，无云或少云，风力要小；探头定位时必须避免阴影和周围目标的光极化干扰，对操作者的着装也有一定的要求，以防止光污染等。另外，还要求详细记录环境参数、异常条件、探头的高度、仪器参数以及观测目标的辅助信息。只有这样，所测结果才是可靠的，并具有可比性，能够为图遥感像解译和光谱重建提供依据。

相比野外地物光谱测量的诸多限制条件，室内光谱测定对环境背景要求较低，然而目前国际上常用的地物波谱仪，如美国ASD公司的FieldSpec系列、美国海洋光谱学公司的HR2000/4000等光谱仪，其室内光谱的测定主要是针对土壤、农作物、叶片、矿物、矿石、水等样品的物质组成及内部结构所引起的光谱特征变化分析的测定，虽测定精度较高，但在测量过程中没有考虑光源入射角和反射率测量角度的变化，测定结果并非是物体自然状态下的波谱特征，因此，其结果不能与基于航空或航天平台获取的地物波谱信息进行对比分析，也为遥感专题信息的定量反演带来困难，其研究成果的应用范围和推广领域受到直接制约。

另外，在遥感的实际应用中，经常面对的是遥感历史数据，而缺乏同步的地面观测计划的遥感观测。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种模拟现实场景的地物波谱采集装置，以更好地模拟地物在不同的太阳入射高度角、方位角以及在不同观测状态下所呈现的光谱特性。

本发明的目的之二就是提供一种模拟现实场景的地物波谱采集方法，以尽可能地消除不同的入射光和反射能量测定角度的变化等因素对地物波谱信息测定所带来的不利影响。

本发明的目的之一是这样实现的：一种模拟现实场景的地物波谱采集装置，包括水平设置的基座板以及设置于所述基座板上的人工光源模拟装置和接收光谱模拟装置；

所述基座板为圆形板体，在其板面的边沿设有360°的方位角度线，在其板面的中心设置有水平仪，在其底面设置有可调支脚；

所述接收光谱模拟装置包括第一立杆、横支杆、第一量角器、光纤固定尺和光纤传感器；所述第一立杆垂直固定在所述基座板的边沿，在所述第一立杆的顶端设置有水平仪，所述横支杆的一端通过连接件固定连接在所述第一立杆的杆体上，所述横支杆位于所述基座板的板面上方并与所述基座板的板面平行，所述第一量角器设置在所述横支杆的杆体上，所述光纤固定尺的上端铰接在所述第一量角器的圆心处，所述光纤传感器通过光纤固定扣固定在所述光纤固定尺上，在所述光纤固定尺的板面上开有用于观察所述第一量角器上的刻度线的第一角度读数孔；

所述人工光源模拟装置包括第二立杆、随意停支撑、第二量角器、量角尺、支板和人工光源；所述第二立杆垂直固定在所述基座板的边沿，在所述第二立杆的顶端设置有水平仪，所述第二量角器和所述随意停支撑设置在所述第二立杆的杆体上，所述支板设置在所述随意停支撑的悬臂上，所述人工光源设置在所述支板上，所述量角尺的一端铰接在所述第二量角器的圆心处，所述量角尺的另一端固定在所述随意停支撑的悬臂上，在所述量角尺的板面上开有用于观察所述第二量角器上的刻度线的第二角度读数孔。

在所述横支杆的端部接有第一套筒，所述第一套筒套接在所述第一立杆上，并通过紧定螺栓紧固定位。

所述第一量角器通过转换连接柱与第四套筒活动连接，所述第四套筒套接在所述横支杆的杆体上，并通过紧定螺栓紧固定位。

在所述第二量角器上接有第二套筒，所述第二套筒套接在所述第二立杆上，并通过紧定螺栓紧固定位。

在所述随意停支撑上接有第三套筒，所述第三套筒套接在所述第二立杆上，并通过紧定螺栓紧固定位。

本发明采集装置以垂直的立杆和水平的横支杆为架体结构，其他组件均可在水平和垂直方向上灵活调整，以适应被测目标物。通过随意停支撑调整量角尺的位置，确定人工光源的入射角，以模拟自然状态下太阳的高度角或天顶角（注：天顶角=90°–高度角）。通过转动光纤固定尺，设定光纤传感器的角度，以模拟卫星传感器接收地物反射波谱信号的角度。

本发明采集装置为地物波谱仪辅助装置，可以实现对人工光源入射角度和光纤传感器检测角度的精确设定，达到在实验室条件下较好的模拟野外自然状态下卫星传感器标准及侧摆姿态、不同的太阳高度角或天顶角，获取地物在人工试验条件下接近自然状态的光谱特性，其检测结果可以与同样角度条件下野外基于航空或航天平台获取的地物波谱信息进行对比分析，同时，便于开展不同的入射光和反射能量测定角度变化对地物波谱信息的影响。

本发明的目的之二是这样实现的：一种模拟现实场景的地物波谱采集方法，包括以下步骤：

a、将模拟现实场景的地物波谱采集装置中的基座板放置在实验室内的地板上或是放置在实验室内的实验平台的台面上，调整基座板底部的可调支脚，使基座板保持水平和稳定；

b、根据模拟实验的需要，将接收光谱模拟装置中的第一立杆按需要模拟的观测方位角固定在基座板边沿对应的方位角位置上，调整第一立杆保持垂直状态；

c、根据模拟卫星的沿轨道飞行状态下或是侧摆状态下与被测物的相对姿态，调整每个接收光谱模拟装置中的横支杆上的第一量角器的平面与横支杆之间为垂直或平行状态；

d、将地物波谱仪上的光纤传感器固定在接收光谱模拟装置中的光纤固定尺上；

e、将人工光源模拟装置中的第二立杆按需要模拟的入射光方位角固定在基座板边沿对应的方位角位置上，并调整第二立杆保持垂直状态；

f、将目标物放置到基座板的中心位置，根据目标物的大小和形状，调节人工光源模拟装置中的随意停支撑的设置高度和悬臂的倾角，以调整人工光源的入射角度，使人工光源的平行光以需要模拟的太阳高度角或天顶角的角度对准目标物；

g、根据需要模拟的卫星高度角的大小，调整各接收光谱模拟装置中横支杆的设置高度和光纤固定尺的偏转角度，使固定在光纤固定尺上的光纤传感器以对应的模拟角度对准目标物，从而模拟出卫星传感器的高度角或天顶角；

h、关闭实验室内的照明光源和外部光源，使实验室成为无光暗室，开启人工光源，启动地物波谱仪，开始地物波谱的数据采集工作。

本发明综合考虑了光谱入射角度、观测角度和环境背景信息等影响因素，更好地模拟了地物在不同太阳入射高度角、方位角等自然状态下的光谱特性，模拟了地物在卫星的不同观测状态下的光谱特性，有利于地物光谱特性的准确测定，便于开展不同的入射光和反射能量测定角度变化对地物波谱信息的影响，并可最大程度地模拟测定历史场景下的地物光谱信息，有利于促进定量遥感反演研究工作的开展。通过对比分析研究所得地物光谱与遥感像元光谱之间的关系，建立室内、野外、航空航天遥感数据之间转换模型，利于更精准的开展定量遥感反演研究的开展。

本发明作为室内模拟室外复杂环境的地物波谱采集装置和采集方法，可实现对模拟太阳的人工光源的入射方位角、高度角（或天顶角）以及对模拟遥感卫星的光纤传感器的方位角、高度角（或天顶角）的精确设定，达到在室内实验条件下较好的模拟野外自然状态下卫星传感器在不同的高度角（或天顶角）和方位角下标准及侧摆姿态，模拟不同的太阳高度角（或天顶角）和方位角，从而获取相应的地物在人工试验条件下接近自然状态的光谱特性，其结果可以与同样角度条件下野外基于航空或航天平台获取的地物波谱信息进行对比分析，便于开展不同的入射光和反射能量测定角度变化对地物波谱信息的影响。

附图说明

图1、图2是卫星收集太阳反射光谱的空间关系示意图。

图3是本发明采集装置的结构示意图。

图4、图5是本发明采集装置在两种模拟卫星姿态下的结构示意图。

图6是接收光谱模拟装置中的第一量角器及与之连接部分的局部结构示意图。

图中：1、第二套筒，2、第三套筒，3、基座板，4、随意停支撑，5、可调支脚，6、紧固安装架，7、管座，8、第一立杆，9、第一套筒，10、第二立杆，11、第一量角器，12、第一角度读数孔，13、水平仪、14、第四套筒，15、横支杆，16、光纤固定尺，17、支板，18、第二量角器，19、量角尺，20、第二角度读数孔，21、光纤固定扣。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，本发明模拟现实场景的地物波谱采集装置包括基座板3、人工光源模拟装置和接收光谱模拟装置等几部分。

如图4所示，基座板3是一个圆形板体，在其板面的顶面边沿设有360°的方位角刻度线，在其板面的中心处设置有水平仪，在其底面设置有若干可调支脚5（图3），在水平仪的指示下，调整基座板保持水平。

如图3所示，接收光谱模拟装置包括第一立杆8、横支杆15、第一量角器11、光纤固定尺16和光纤传感器（未图示）等部分。第一立杆8的下端插接在管座7中，管座7固定在紧固安装架6上，紧固安装架6可卡接在基座板3的边沿，在锁紧后，即可将第一立杆8固定在基座板3的顶面边沿。在第一立杆8的顶端设置有水平仪12，以方便调整其垂直度。在横支杆15的端部接有第一套筒9，第一套筒9套接在第一立杆8上，并通过紧定螺栓在第一立杆8的杆体上紧固定位。横支杆15位于基座板3的板面上方，并与基座板3的板面平行。

如图6所示，在横支杆15的杆体上套接有第四套筒14，并可通过紧定螺栓予以紧固定位。在第四套筒14上还接有下垂的转换连接柱（未图示），转换连接柱可实现0—90°的定位转动。第一量角器11通过螺钉固定在转换连接柱上，从而实现与第四套筒14的活动式连接。即第一量角器11的板平面可调整与横支杆15的中心线方向相平行（图4），也可调整与横支杆15的中心线方向相垂直（图5）。前者可使得光纤传感器模拟卫星传感器在沿轨道飞行状态下与被测地物的相对姿态；后者可使得光纤传感器模拟卫星传感器在侧摆状态下与被测地物的相对姿态。

图6中，第一量角器11的圆心与光纤固定尺16的上端铰接在一起，光纤传感器通过光纤固定扣21固定在光纤固定尺上。在光纤固定尺16的板面上还开有第一角度读数孔12，以便观察第一量角器11上的刻度线，确定光纤固定尺的偏转角度。

如图3、图4所示，人工光源模拟装置包括第二立杆10、随意停支撑4、第二量角器18、量角尺19、支板17和人工光源（未图示）等部分。第二立杆10以与第一立杆8相同的方式固定在基座板3的顶面边沿，在第二立杆10的顶端也设置有水平仪，以便于垂直调整。

第二量角器18为标有0—90°分度线的1/4圆板，在第二量角器18的一个直边上接有第二套筒1，第二套筒1套接在第二立杆10上，并通过紧定螺栓予以紧固定位。在随意停支撑4上接有第三套筒2，第三套筒2套接在第二立杆10上，并通过紧定螺栓予以紧固定位。支板17固定在随意停支撑4的悬臂上，人工光源固定在支板17上。量角尺19的一端铰接在第二量角器18的圆心处，量角尺19的另一端固定在随意停支撑4的悬臂上。量角尺19与随意停支撑4的悬臂平行。在量角尺19的板面上开有第二角度读数孔20，以便观察第二量角器18上的刻度线，确定随意停支撑4的悬臂的偏转角度，亦即确定人工光源对目标物的投射角度（高度角或天顶角）。

本发明采集装置可根据需要制作成不同尺寸，以适用不同的地物光谱的采集；也可以制作成较大尺寸的落地型装置，以获取较大型的地物或较大面积地物光谱的采集。

实施例2：

参见图3—图6，本发明模拟现实场景的地物波谱采集方法包括以下步骤：

a、将模拟现实场景的地物波谱采集装置中的基座板3放置在实验室内的地板上或是放置在实验室内的实验平台的台面上，调整基座板3底部的可调支脚5，使基座板3保持水平和稳定。

b、根据模拟实验的需要，选定1—6个接收光谱模拟装置，将每个接收光谱模拟装置中的第一立杆8按需要模拟的观测方位角固定在基座板3边沿对应的方位角位置上，调整各接收光谱模拟装置中的第一立杆8保持垂直状态。

c、当需模拟卫星的沿轨道飞行状态下与被测物的相对姿态时，调整每个接收光谱模拟装置中的横支杆15上的第一量角器11的平面与横支杆15之间为平行状态；当需模拟卫星的侧摆状态下与被测物的相对姿态时，调整每个接收光谱模拟装置中的横支杆15上的第一量角器11的平面与横支杆15之间为垂直状态。

d、将地物波谱仪上的光纤传感器固定在接收光谱模拟装置中的光纤固定尺16上，每个光纤固定尺16上固定一个光纤传感器。

e、将人工光源模拟装置中的第二立杆10按需要模拟的入射光方位角固定在基座板3边沿对应的方位角位置上，并调整第二立杆10保持垂直状态。

f、将目标物放置到基座板3的中心位置，根据目标物的大小和形状，调节人工光源模拟装置中的随意停支撑4的设置高度和悬臂的倾角，以调整人工光源的入射角度，使人工光源的平行光以需要模拟的太阳高度角或天顶角的角度对准目标物。

g、根据需要模拟的卫星方位角的大小，调整各接收光谱模拟装置中横支杆15的设置高度和光纤固定尺16的偏转角度，使固定在光纤固定尺16上的光纤传感器以对应的模拟角度对准目标物，从而模拟出卫星传感器的高度角或天顶角，达到图2所示的模拟姿态。

h、关闭实验室内的照明光源和外部光源，使实验室成为无光暗室，开启人工光源，启动地物波谱仪，即可开始地物波谱的数据采集工作。