海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法

摘要

本发明提供了一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法，涉及水体光谱测量的技术领域，该系统包括水下测量箱和与水下测量箱连接的探测设备；水下测量箱为密封箱体，该密封箱体内封装有微型电脑，以及与微型电脑连接的第一光谱仪和第二光谱仪；探测设备包括第一光学探头、第二光学探头和深度探头，第二光学探头配置有白板；第一光学探头与第一光谱仪连接，第二光学探头与第二光谱仪连接。本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法，通过将白板作为参照，计算待测目标物的反射率，从而去除其他未知变量的影响，能够得到更为精确的检测结果和数据。

说明书

技术领域

本发明涉及水体光谱测量的技术领域，尤其是涉及一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法。

背景技术

海洋技术是人类21世纪的三大尖端科学探索领域之一。随着应用光学、光电子学、计算机等相关技术的发展，人类已经有能力利用各种光学仪器实时观测海洋。近十几年海洋光学仪器发展迅速，不同观测目标物所使用的光谱仪技术有所差异，如遥感所用的成像光谱仪、陆地测量的地物光谱仪。而海洋目标物所对应的水体波动性的存在，为海洋水体表面以及海水内部的光谱监测研究提出了一个新的技术要求。发展海洋技术、研发高新设备、提高长期海洋观测和预报能力，受到世界各国的高度重视。

海洋光辐射传输特性的变化，影响着海面-大气系统的辐射收支和水下生物活动，在全球变化研究中具有重要意义。太阳光在海洋特殊层—海气界面或海底层折射或反射造成的辐射传输变化，记录了不同类型海洋界面(如海洋白冠、溢油污染，海底的海草、珊瑚等底质类型等)的变化信息，为利用高光谱手段监测海洋生态环境、海面目标物识别、底质类型精细化分类等提供了重要基础。

然而，现有的仪器设备还难以满足所需要的测量精度和同步测量的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法，以缓解现有技术中的仪器设备难以满足需求测量精度的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种海底底质界面水下光谱测量系统，该系统包括水下测量箱和与水下测量箱连接的探测设备；水下测量箱为密封箱体，该密封箱体内封装有微型电脑，以及与微型电脑连接的第一光谱仪和第二光谱仪；探测设备用于进行水下探测，包括第一光学探头、第二光学探头和深度探头，第二光学探头配置有白板；第一光学探头与第一光谱仪连接，第二光学探头与第二光谱仪连接；深度探头与微型电脑连接；第一光谱仪通过第一光学探头采集待测目标物的数字光谱信号，并将待测目标物的数字光谱信号发送至微型电脑；第二光谱仪通过第二光学探头采集白板的数字光谱信号，并将白板的数字光谱信号发送至微型电脑；深度探头用于探测待测目标物和白板的水下深度，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致；微型电脑用于接收待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号，计算待测目标物的反射率，并将待测目标物的数字光谱信号、白板的数字光谱信号和反射率存储在数据库中。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述探测设备还包括摄像头；该摄像头与微型电脑连接；摄像头用于按照预先设置的时间间隔采集水下的图像信息，并将图像信息传输至微型电脑；其中，图像信息包括图片和/或视频；微型电脑还用于将图像信息与时间间隔内采集的待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号进行时间匹配，以使工作人员根据时间间隔和图像信息获取当前水体的光谱信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述系统还包括辅助测量模块，该辅助测量模块与微型电脑连接，包括温度传感器和GPS定位装置；温度传感器的感温器件设置在水下测量箱的外表面，用于测量水体温度，并将水体温度发送至微型电脑；GPS定位模块设置在水下测量箱内，用于采集水下测量箱的位置信息。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述系统还包括显示器；该显示器设置在水下测量箱内，与微型电脑连接，用于显示微型电脑存储的数据。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述显示器设置在水下测量箱外部，且位于水面上；显示器通过数据线与微型电脑连接，用于显示微型电脑存储的数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述白板设置在支撑架上，支撑架为可伸缩支撑架；白板和支撑架通过可旋转支架连接。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述白板上还设置有倾角传感器，倾角传感器与微型电脑连接，用于检测白板的倾斜角度；微型电脑还用于采集待测目标物的数字光谱信号的光学角度，根据光学角度和倾角传感器检测的倾斜角度控制可旋转支架进行旋转，以使白板的倾斜角度与光学角度一致。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述系统还包括水密按钮；该水密按钮与微型电脑连接，用于控制系统的开启和关闭状态；其中，水密按钮设置在水下测量箱的外表面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述第一光学探头和第二光学探头为玻璃材质的高亮度探头。

第二方面，本发明实施例还提供一种海底底质界面水下光谱测量方法，该方法应用于上述第一方面所述的海底底质界面水下光谱测量系统；该方法包括：第一光谱仪通过第一光学探头采集待测目标物的数字光谱信号，并将待测目标物的数字光谱信号发送至微型电脑；第二光谱仪通过第二光学探头采集白板的数字光谱信号，并将白板的数字光谱信号发送至微型电脑；微型电脑通过深度探头探测待测目标物和白板的水下深度，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致；微型电脑接收待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号，计算待测目标物的反射率，并将待测目标物的数字光谱信号、白板的数字光谱信号和反射率存储在数据库中。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法，通过在水下测量箱内设置微型电脑和光谱仪，使光谱仪能够通过光学探头采集待测目标物和白板的数字光谱信号，并将待测目标物和白板的数字光谱信号发送至微型电脑，通过将白板作为参照，计算待测目标物的反射率，从而去除其他未知变量的影响，能够得到更为精确的检测结果和数据。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的另一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

通常，海洋水体中的叶绿素、泥沙、黄色物质等组成结构及含量变化是影响水体光辐射分布的重要因素，在光学浅水中不同底质类型如海底珊瑚、海草、底泥都直接影响水面光谱变化特征。现场高光谱辐射测量是提高海洋水色定量化遥感精度的基础，加强不同底质类型的高光谱观测数据积累和研究，亦是实现海岸带遥感监测和底质类型精细化识别的关键，而水体底质类型及其反射特性变化是影响海底底质界面水下光谱测量的重要基础内容。在岛礁或浅滩处海底反射光对海水现场光谱辐射贡献占很大比例。实地获取珊瑚、海草等不同类型底质反射率光谱特性，是加强我国海岸带高光谱监测能力的重要基础工作。基于此，本发明实施例提供了一种海底底质界面水下光谱测量系统及测量方法，以对水体进行光谱辐射测量。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种海底底质界面水下光谱测量系统进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种海底底质界面水下光谱测量系统，如图1所示的一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构框图，该系统包括：水下测量箱10和与水下测量箱10连接的探测设备20；

具体实现时，水下测量箱为密封箱体，密封箱体内封装有微型电脑101，以及与微型电脑101连接的第一光谱仪102和第二光谱仪103；

探测设备20用于进行水下探测，包括第一光学探头201、第二光学探头202和深度探头203，第二光学探头202配置有白板204；第一光学探头201与第一光谱仪102连接，第二光学探头202与第二光谱仪103连接；深度探头203与微型电脑101连接；

第一光谱仪102通过第一光学探头201采集待测目标物的数字光谱信号，并将待测目标物的数字光谱信号发送至微型电脑101；第二光谱仪103通过第二光学探头202采集白板204的数字光谱信号，并将白板204的数字光谱信号发送至微型电脑101；深度探头203用于探测待测目标物和白板的水下深度，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致；

微型电脑101用于接收待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号，计算待测目标物的反射率，并将待测目标物的数字光谱信号、白板的数字光谱信号和反射率存储在数据库中。

本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量系统，通过在水下测量箱内设置微型电脑和光谱仪，使光谱仪能够通过光学探头采集待测目标物和白板的数字光谱信号，同时，通过深度探头探测待测目标物和白板的水下深度，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致；并将待测目标物和白板的数字光谱信号发送至微型电脑，通过将白板作为参照，计算待测目标物的反射率，从而去除其他未知变量的影响，能够得到更为精确的检测结果和数据。

具体实现时，本发明实施例采用的第一光谱仪和第二光谱仪为高光谱测量仪，高光谱测量仪由于具有较高的分辨率，在水体测量领域具有举足轻重的作用，可适用于现场海面背景辐射、海底珊瑚水草等光学特性测量的同步观测，在高光谱测量方面，应满足可见光波段连续光谱测量的需求，因此，光谱分辨率一般为1nm。

具体实现时，上述第一光学探头和第二光学探头为玻璃材质的高亮度探头，分别用来采集未知反射率的待测目标物，如泥沙、珊瑚或者海藻等的数字光谱信号，和已知反射率的白板的数字光谱信号。

进一步，图2示出了本发明实施例提供的另一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构框图。

如图2所示，除图1所示的结构外，本发明实施例所述的海底底质界面水下光谱测量系统中，上述探测设备还包括摄像头205；该摄像头205与微型电脑101连接；摄像头用于按照预先设置的时间间隔采集水下的图像信息，并将图像信息传输至微型电脑；其中，图像信息包括图片和/或视频；微型电脑还用于将图像信息与时间间隔内采集的待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号进行时间匹配，以使工作人员根据时间间隔和图像信息获取当前水体的光谱信号。

例如，摄像头在水下定时采集视频信息，该视频信息的时间参数可以与第一光学探头和第二光学探头所采集的数字光谱信号在时间上相匹配，所以，工作人员能够根据时间和图片获知对应的待测目标物光谱信号，比如，第一时间段拍摄的视频显示探头所采集的是珊瑚的光谱信号，第二时间段拍摄的视频显示探头所采集的是海藻的光谱信号等等。

同时，为了提高上述海底底质界面水下光谱测量系统的总体性能和某些必须环境参数测量，上述系统还包括辅助测量模块206，该辅助测量模块206与微型电脑连接101，包括温度传感器206a和GPS定位装置206b；温度传感器206a的感温器件设置在水下测量箱的外表面，用于测量水体温度，并将水体温度发送至微型电脑；GPS定位装置206b设置在水下测量箱内，用于采集水下测量箱的位置信息。

进一步，上述系统还包括显示器207；该显示器207设置在水下测量箱内，与微型电脑101连接，用于显示微型电脑存储的数据。

考虑到通常工作人员都是在采集工作结束后，将水下测量箱拉回岸上或者船上进行作业，因此上述显示器还可以设置在水下测量箱外部，且，位于水面上，如船上或者岸边的工作室等；显示器通过数据线与微型电脑连接，用于显示微型电脑存储的数据。具体显示器的设置方式可以根据实际情况进行设置，本发明实施例对此不进行限制。

具体实现时，由于本发明实施例中提供的白板是作为参考物来进行海底底质界面水下光谱测量的，因此，白板的深度和测量角度应该与待测目标物保持一致，因此，可以将上述白板设置在支撑架(图2中未示出)上，支撑架为可伸缩支撑架；白板和支撑架通过可旋转支架连接。具体地，可伸缩支撑架是为了保证白板与待测目标物的深度保持一致，白板和支撑架通过可旋转支架连接能够改变白板与第二光学探头之间的夹角，该夹角正常情况下是90°，当第一光学探头以一定的倾斜角度采集目标物的光谱信号时，需要白板旋转到相同的角度，而且，在不同角度下白板的反射率是已知的；另外，为了记录白板的旋转角度，上述白板上还设置有倾角传感器208，该倾角传感器208与微型电脑101连接，用于检测白板的倾斜角度；微型电脑还用于采集待测目标物的数字光谱信号的光学角度，根据光学角度和倾角传感器检测的倾斜角度控制可旋转支架进行旋转，以使白板的倾斜角度与光学角度一致。

进一步，为了便于工作人员对上述海底底质界面水下光谱测量系统进行控制，上述系统还包括水密按钮209；该水密按钮与微型电脑101连接，用于控制上述系统的开启和关闭状态；具体实现时，上述水密按钮可以设置在水下测量箱的外表面，由潜水员操作海底底质界面水下光谱测量系统的启动和关闭，或者，上述水密按钮设置在水上，如船上或者岸边的工作室中，不需要潜水即可控制开启工作；或者，还可以在水下和水上同时设置，以增加控制的灵活性。

实施例二：

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种海底底质界面水下光谱测量方法，该方法应用于上述实施例一所述的海底底质界面水下光谱测量系统；为了便于对本发明实施例所述的海底底质界面水下光谱测量方法进行理解，在上述图1和图2的基础上，本发明实施例还提供了一种海底底质界面水下光谱测量系统的结构示意图，如图3所示，包括微型电脑，和与微型电脑连接的显示器、深度探头和摄像头，还包括第一光谱仪DN1和第二光谱仪DN2，第一光谱仪DN1和第二光谱仪DN2、显示器、深度探头和摄像头均与微型电脑相连，第一光谱仪DN1通过第一光学探头测量待测目标物，如泥沙、珊瑚或者海藻等的数字光谱信号，第二光谱仪DN2通过第二光学探头测量白板的数字光谱信号，其中，该白板为已知反射率的标准白板，并且可伸缩可旋转，使得测量深度和测量交集与待测目标物一致。

具体地，图4示出了一种海底底质界面水下光谱测量方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S402，第一光谱仪通过第一光学探头采集待测目标物的数字光谱信号，并将待测目标物的数字光谱信号发送至微型电脑；

步骤S404，第二光谱仪通过第二光学探头采集白板的数字光谱信号，并将白板的数字光谱信号发送至微型电脑；

步骤S406，微型电脑通过深度探头探测待测目标物和白板的水下深度，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致；

具体地，如果水下深度不一致，可以通过调节可伸缩支撑架的方式对白板的深度进行调节，以使待测目标物与白板的水下深度保持一致。

步骤S408，微型电脑接收待测目标物的数字光谱信号和白板的数字光谱信号，计算待测目标物的反射率，并将待测目标物的数字光谱信号、白板的数字光谱信号和反射率存储在数据库中。

具体实现时，进行海底底质界面水下光谱测量通常分为三种情况：第一，在水非常深的情况下，即水体较深的区域，太阳光无法照射到水底，此时待测目标物为水体(水体包括水、泥沙、藻类、珊瑚等)，对水体进行光谱采集得到的水体光谱信号(简化表示为A)能够反应水中泥沙、藻类等的微型分布情况；第二，在近岸光能直达水底的情况下，待测目标物为底质(水底层的泥沙、珊瑚等)，对底质进行光谱采集得到的底质光谱信号(简化表示为B)；第三，基于第二种情况，但是想获知的是浅岸的水体信息(简化表示为C)，那么需要去除噪声：C＝A-B；上述三种情况，可以根据第一光学探头和第二光学探头采集到的数字光谱信号和特定的线性关系，获知待测目标物体的光谱信号。

具体地，可以通过以下方式进行计算：

以DN1和DN2分别表示第一光学探头和第二光学探头采集的数字光谱信号，其中，DN1和DN2是能够在光谱仪上读取到的数字光谱信号，通常，波长范围为400～700nm，可以表示为式(1)：

其中，F为太阳的入射光强度，由于白板与待测目标物的深度、角度和所处环境均相同，所以对应于待测目标物和白板的入射光强度相同，均为F；

R_未为待测目标物的反射率，是未知的；R_已为白板的反射率，是已知的；由式(1)可以得出R_未和R_已的关系，表示为式(2)：

由式(2)可以求得待测目标物的反射率R_未＝DN1/(DN2×R_已)，获知该反射率的意义，可以判断该水体中，水藻生长的健康状态等等。

工作人员获知待测目标物的数字光谱信号、白板的数字光谱信号和反射率等数据后，可以进行后续的水体分析，如深入研究海面波浪幅度和海洋白冠的生消等，能够提供宝贵的资料。

本发明实施例提供的一种海底底质界面水下光谱测量方法，通过在水下测量箱内设置微型电脑和光谱仪，使光谱仪能够通过光学探头采集待测目标物和白板的数字光谱信号，并将待测目标物和白板的数字光谱信号发送至微型电脑，通过将白板作为参照，计算待测目标物的反射率，从而去除其他未知变量的影响，能够得到更为精确的检测结果和数据。

本发明实施例提供的海底底质界面水下光谱测量方法，与上述实施例提供的海底底质界面水下光谱测量系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。