一種多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置制造方法
【專利摘要】一種多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，由全自動樣本旋轉平臺，地表離地紅外輻射亮度測量裝置以及地表精細發射率譜反演模塊三部分組成。全自動樣本旋轉平臺通過搭載在可移動式桌面上的電動旋轉臺實現快速旋轉，可以遠程控制旋轉平臺按設定的旋轉角度和步速自動快速的在樣本和金板之間進行旋轉切換；地表離地紅外輻射亮度測量裝置主要由傅立葉變換紅外波譜儀進行觀測，裝置配合全自動樣本旋轉平臺采集并存儲3-16微米波長范圍內樣本和金板的離地輻射亮度數據；將測量到的離地紅外輻射亮度數據輸入到構建的地表精細發射率譜反演模塊中，獲得樣本在3-16微米波長范圍內的發射率譜線。
【專利說明】一種多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，可實現自動采集 和存儲不同觀測角度條件下樣本的紅外離地輻射亮度譜，經計算得到不同觀測角度所對應 的紅外波譜區樣本的精細發射率譜線，可以在地表溫度和發射率遙感反演與驗證等領域發 揮重要作用。
【背景技術】
[0002] 地表發射率定義為地表向外發射的熱輻射與同溫度下黑體向外發射熱輻射的比 值。它與地表組成成分，地表粗糙度，波長以及土壤濕度等因素有關。地表發射率是熱紅外 遙感反演中的一個關鍵特征參數，與地表溫度有著同等重要的作用。它是氣候模型研究中 的一個重要輸入參數，能夠有效地預測地表向大氣傳輸的輻射能量，是地球表層系統過程 中一個非常重要的特征物理量，被廣泛應用于陸面過程研究、能量平衡研究、氣候模式、短 期以及中長期天氣預報等研究領域。
[0003] 由紅外輻射傳輸方程可知，地表發射率與地表溫度和大氣參數總是耦合在一起， 即使在地面上也不能用儀器直接測量出地表發射率。因為紅外儀器測量到的地表離地紅外 輻射亮度不僅包含地表的發射輻射，還包含地表反射大氣的下行輻射。而且，在中紅外波譜 區還包括白天中太陽直射輻射的貢獻以及大氣向下散射太陽輻射的貢獻。故要想從地面波 譜儀測量數據中得到地物的發射率曲線，首先要去除大氣的影響（中紅外波譜區還要去除 太陽輻射貢獻的影響），其次要進行地表溫度和發射率的分離。
[0004] 在去除大氣影響方面，可以借助于一些外部條件，如金板等。因為金板的發射率是 已知的，只要在測量時獲得金板的溫度，就可以結合測量的金板的紅外輻射亮度譜數據，根 據紅外輻射傳輸方程，計算得到相應的大氣參數。在溫度和發射率分離方面，由普朗克方 程可知，某個通道接收到輻射能是溫度和發射率的函數，N個通道觀測到的輻射亮度，總有 N+1個未知數（N個發射率和1個溫度），溫度和發射率始終耦合在一起，導致了溫度和發射 率的反演始終是一個欠定問題。因此，如何從紅外儀器測量的輻射亮度數據中分離地表溫 度和發射率，從而獲得地表發射率譜，這是本發明的主要出發點之一。
[0005] 眾所周知，熱輻射是有方向性的，特別是對于非同溫非同質的混合像元，熱輻射的 方向性效應更為明顯。有研究指出天頂方向的亮溫和斜視方向的亮溫可能會相差5度，特 別在植被冠層溫度和裸土表面溫度相差大的地區，這種方向性尤其明顯。此外，對于同溫同 質的地物，也存在熱輻射的方向性問題。有實驗表明這種熱輻射方向性主要是由發射率的 方向性所導致。因此，可以說目前利用衛星遙感數據反演的地表溫度和發射率都代表的是 某個觀測方向上的測量值。由于不同衛星傳感器具有不同的觀測角度，所以利用不同衛星 數據反演的地表溫度和發射率不具有可比性，限制了地表溫度和發射率的應用。故此，開展 不同方向性地表發射率的測量試驗，獲取不同觀測角度條件下地物的發射率曲線，對于地 表溫度和發射率的反演與驗證、熱紅外的輻射傳輸機理以及各種陸面與水文過程模型而言 具有非常重要的意義。
[0006] 然而，在熱紅外多角度測量中，當觀測角度發生變化時，紅外儀器觀測到的地物也 隨之發生變化，導致了紅外觀測數據的非一致性，嚴重限制了紅外遙感的輻射傳輸機理研 究。如何設置一種設備，在觀測角度發生變化的情況下，紅外儀器測量的仍然是同一地物， 這也是本發明的主要出發點之一。
[0007] 目前尚未有相關文獻報道。
【發明內容】
[0008] 本發明技術解決問題：克服了熱紅外多角度地面測量時儀器鏡頭對準的是非同一 地物問題，實現了不同觀測角度條件下紅外儀器測量數據的一致性和準確性；解決了紅外 測量數據中地表溫度、地表發射率以及大氣參數相互耦合問題，實現了紅外測量數據中地 表精細發射率譜的全自動提取；提供了一種可遠程控制、集數據采集、存儲、計算于一體的 全自動地表發射率譜測量系統，減少了人為等外部因素對熱紅外輻射測量的影響。
[0009] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：多角度全自動地表精細發射率譜采 集系統裝置，包括：全自動樣本旋轉平臺、地表離地紅外輻射亮度測量裝置、地表精細發射 率譜反演模塊；其中：
[0010] 所述全自動樣本旋轉平臺裝置：負責對樣本進行不同角度的旋轉，由可移動式的 桌面平臺、電動旋轉臺、夾持工具和樣本鋁盤組成。其中電動旋轉臺安裝在桌面平臺上，由 兩個電機控制，通過無線模塊遠程操作。夾持工具將樣本鋁盤夾持在旋轉平臺內，鋁盤內兩 端可分別放置樣本和金板，通過旋轉平臺的旋轉來實現對樣本和金板的自動快速旋轉； [0011] 所述地表離地紅外輻射亮度測量裝置：負責采集和存儲樣本和金板的離地紅外輻 射亮度數據。主要由三腳架、便攜式傅立葉變換紅外波譜儀以及金板組成。利用紅外波譜 儀分別對樣本和金板進行觀測，采集和存儲樣本以及金板在3-16微米（熱紅外5-16微米 和中紅外3-5微米）的離地紅外輻射亮度數據；
[0012] 所述地表精細發射率譜反演模塊：由熱紅外發射率譜反演和中紅外發射率譜反演 兩部分組成；負責反演得到樣本的精細發射率譜，分別針對熱紅外（5-16微米）和中紅外 (3-5微米）實現了不同的反演算法；對于熱紅外波譜區測量數據，首先對金板的測量數據 進行計算，獲得大氣下行輻射譜數據，然后代入到樣本測量數據中，再利用地表溫度和發射 率分離的分段線性法來反演得到樣本的發射率波譜；對于中紅外波譜區測量數據，利用對 金板的測量數據，計算得到地面上中紅外波譜區大氣自身的下行輻射譜和大氣向下散射的 太陽輻射譜，然后結合熱紅外波譜區反演的地表溫度（T s)，即可根據中紅外輻射傳輸方程， 計算得到中紅外波譜區樣本的發射率波譜，具體過程如下：
[0013] (1)對于熱紅外波譜區，在局地熱平衡的晴空大氣條件下，儀器在地面上觀測到樣 本的熱紅外輻射亮度為：
[0014]
【權利要求】
1. 一種多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在于：包括全自動樣本 旋轉平臺、地表離地紅外輻射亮度測量裝置、地表精細發射率譜反演模塊；其中： 所述全自動樣本旋轉平臺裝置：負責對樣本進行不同角度的旋轉，它包括可移動式的 桌面平臺、電動旋轉臺、夾持工具和樣本鋁盤；其中電動旋轉臺安裝在桌面平臺上，由兩個 電機控制，通過無線模塊遠程操作；夾持工具將樣本鋁盤夾持在電動旋轉臺內，樣本鋁盤內 兩端分別放置樣本和金板，通過電動旋轉臺的旋轉來實現對樣本和金板的自動快速旋轉； 所述地表離地紅外輻射亮度測量裝置：負責采集和存儲樣本和金板的離地紅外輻射亮 度數據，利用紅外波譜儀分別對樣本和金板進行觀測，采集和存儲樣本以及金板在熱紅外 (5-16微米）和中紅外（3-5微米）的離地紅外輻射亮度數據； 所述地表精細發射率譜反演模塊：由熱紅外發射率譜反演和中紅外發射率譜反演兩部 分組成；負責反演得到樣本的精細發射率譜，分別針對熱紅外（5-16微米）和中紅外（3-5 微米）實現了不同的反演算法；對于熱紅外波譜區測量數據，首先對金板的測量數據進行 計算，獲得大氣下行輻射譜數據，然后代入到樣本測量數據中，再利用地表溫度和發射率分 離的分段線性法來反演得到樣本的發射率波譜；對于中紅外波譜區測量數據，利用對金板 的測量數據，計算得到地面上中紅外波譜區大氣自身的下行輻射譜和大氣向下散射的太陽 輻射譜，然后結合熱紅外波譜區反演的地表溫度（T s)，即可根據中紅外輻射傳輸方程，計算 得到中紅外波譜區樣本的發射率波譜，具體過程如下： (1)熱紅外發射率譜反演的實現為：對于熱紅外波譜區，在局地熱平衡的晴空大氣條 件下，在地面上觀測到樣本的熱紅外輻射亮度為：
式中，Θ和φ分別代表觀測方向的天頂角和方位角，
表示為在觀測天頂角為 Θ，觀測方位角為Φ的條件下所觀測到波長λ處樣本的紅外輻射亮度，ε λ為觀測天頂角 為Θ，觀測方位角為φ的條件下波長λ處樣本的發射率，Βλ為波長λ處的普朗克函數，Ts 為樣本的表面溫度，
為波長λ處大氣向下輻射的熱紅外輻射亮度； 1) 大氣下行輻射亮度
估算： 首先利用地表離地紅外輻射亮度測量裝置測量得到金板的離地輻射亮度譜，然后利 用接觸式點溫儀測量得到金板的表面溫度Tfld，再結合已知的金板發射率譜，根據方程式 (1)計算得到大氣下行輻射亮度譜：
式中，
為觀測到波長λ處金板的紅外輻射亮度，sfld為波長λ處金板的發射 率； 2) 地表溫度和發射率分離： ①溫度初值估算：根據測量得到的地表離地紅外輻射亮度譜數據，設Βλ (T) =RA，則根 據普朗克方程計算出紅外輻射亮度譜中最大值所對應波長λ e處時的輻射溫度Τλ^
式中，心為第一輻射常數，等于1. 191X108W· (ym)V(Sr ·ι?2)，(：2*第二輻射常數，等 于1. 439 X ΙΟ4 μ m · Κ，該溫度作為后面地表溫度和發射率分離算法中輸入的初始溫度； ② 假設地表發射率譜曲線用一個分段線性函數來表示，將整個發射率譜分為Μ段，其 中第k段有mk個通道，則：
式中，系數ak和bk分別為對應第k段線性擬合函數的斜率和截距；如果整個發射率譜 段的通道數為N，那么要求每一段的通道數目必須為mk彡3,即Μ彡N/3 ; 將方程式（4)代入方程式（1)，得：
考慮一個有m個通道的分段區間，將方程式（5)寫成矩陣形式為：
為了書寫方 便，方程式中省略了觀測天頂角和方位角的符號Θ和φ; ③ 將方程式（2)計算的大氣下行輻射亮度譜、方程式（3)計算的初始溫度Τ；以 及地表離地紅外輻射亮度測量裝置測量到的輻射亮度RA代入方程式￠)，即可利用最小二 乘法擬合得到系數a，b值，進而根據擬合系數恢復整個發射率譜：
④ 定義代價函數E為估算的地表離地輻射亮度與實際測量的輻射亮度差值的平方和， 即：
⑤ 當得到了某一溫度下的發射率估值譜之后，將該溫度以及相應的發射率譜代入方程 式（8)，并利用代價函數的值得到溫度估值的改變量：
進而得到改進后的溫度：
利用前后兩次的代價函數數值和溫度改變量，判斷迭代過程是否收斂； ⑥ 如果迭代過程收斂，重復③-⑤步，直至溫度改變量
小于一個設定的閾值，即得 到最終的反演溫度1；值； ⑦ 如果迭代過程不收斂，設置一個大小合適的溫度區間，盡量使真實溫度處于區間中， 在該區間內利用黃金分割算法找到代價函數最小值對應的溫度； ⑧ 如果尋找到的溫度落在了區間的端點上，擴大溫度區間范圍，重復第⑦步。否則，尋 找到的溫度就為最終的反演溫度Ts; ⑨ 利用最終反演的地表溫度Ts、大氣下行輻射亮度譜
以及觀測的地表離地紅外輻 射亮度譜RA，根據方程式（1)，即可反演得到整個熱紅外波譜區間樣本的發射率波譜為：
(2)中紅外發射率譜反演為：對于中紅外波譜區，由于白天太陽輻射的貢獻很大，故方 程式（1)中必須要考慮太陽的輻射貢獻，因此在白天，觀測到的中紅外波譜區地表輻射亮 度應該是：
式中，Θ 3和％分別為太陽的天頂角和方位角，
為大氣對太陽輻射能的散射所產生 的向下輻射亮度，pb;l為波長λ處樣本表面的雙向反射率，
代表在太陽天頂角 為θ s、方位角為q>s的情況下到達地面上波長λ處的太陽直射輻射能，其他項與方程式a) 中的相同； 1)中紅外波譜區大氣參數的估算： 為了消除方程式（12)中很難獲取的太陽直射輻射能，實際測量金板和樣本時，需利用 遮陽物如傘等遮住太陽直射輻射，于是方程式（12)就變為：
這樣，就可與熱紅外波譜區計算大氣下行輻射項類似，即利用金板測量值，計算出中紅 外波譜區大氣下行輻射和大氣向下散射的太陽輻射之和：
2)中紅外波譜區樣本的發射率譜計算： 結合熱紅外波譜區反演的樣本表面溫度Ts和中紅外波譜區的大氣下行輻射和大氣向 下散射的太陽輻射之和
，根據方程式（13)，即可計算出中紅外波譜區樣本的發 射率譜為：
2. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述電動旋轉臺搭載在離地40厘米的可移動式桌面平臺上，桌面平臺由四個支撐柱支 撐離地，桌面與地面平行，支撐柱底部安裝有滾輪，使桌面平臺以及電動旋轉臺可方便的在 地面上移動。
3. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述電動旋轉臺為直徑30厘米的圓形樣本臺，圓形樣本臺水平時離地高度為60厘米， 圓形樣本臺上能夠夾持直徑為27厘米、深度為2厘米的圓形鋁制容器來盛裝樣本。
4. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述電動旋轉臺由兩個電機控制，帶動旋轉臺上的樣本容器按照設定的旋轉角度和步 速進行旋轉，范圍可達水平方向360°旋轉和垂直方向360°翻轉，且重復定位精度優于 0.005。。
5. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述全自動樣本旋轉平臺由筆記本電腦遠程模式控制，無線數字模塊傳輸，在中間無障 礙物情況下傳輸距離可達30米，由可以進行友好交互的軟件來設定電動旋轉臺旋轉的角 度和步速。
6. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述地表離地紅外輻射亮度測量裝置包括三腳架、便攜式傅立葉變換紅外波譜儀以及 金板；由便攜式傅立葉變換紅外波譜儀測量樣本和金板的紅外輻射亮度，便攜式傅立葉變 換紅外波譜儀架設在三腳架上，便攜式傅立葉變換紅外波譜儀的旋轉鏡置于全自動樣本旋 轉平臺上方，旋轉鏡的鏡頭垂直向下正對樣本或金板中心，測量距離應小于50厘米，以保 證樣本旋轉時鏡頭仍然對準樣本或金板中心。
7. 根據權利要求1所述的多角度全自動地表精細發射率譜采集系統裝置，其特征在 于：所述地表離地紅外輻射亮度測量裝置由電源、蓄電池或汽車點煙器供電，可由筆記本電 腦遠程控制數據的采集和存儲，方便在室外操作。
【文檔編號】G01J3/443GK104155007SQ201410441813
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】唐伯惠, 彭碩, 李召良, 吳驊, 唐榮林, 王界 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所