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摘要 摘要 地面目标、大气及天空辐射的光谱测量是遥感技术发展和信息应用不可缺 少的基础环节，为此中科院安徽光机所多年来发展了包括地物光谱辐射计、光谱 辐照度计、太阳光谱辐射计等一系列地面光谱辐射测量设备，但这些结合具体任 务要求发展的各类设备致使其数据预处理和分析程序各异，给综合分析处理带来 不便。遥感信息是地物目标、大气传输及天空背景辐射信息的综合，各类信息相 互作用和影响，把握各类设备信息获取过程、统一处理标准是保证遥感信息定量 化的基础。 综合光谱辐射计、光谱辐照度计及太阳辐射计的通用处理及分析软件系统 在国内尚属空白。本文首先调研了国外类似仪器的软件系统及三类仪器目前主要 的应用领域，对其数据应用方向加以总结，据此进行各软件模块的功能分解，运 用v c + + 6 0 ，结合不同仪器的特点开发了包括光谱辐射计、光谱辐照度计及太阳 辐射计啬勺通用软件处理分析系统。 通过实际应用证明，该软件系统能够满足光谱辐射计、光谱辐照度计和太阳 光谱辐射计多种地面光谱辐射测量仪器的数据传输控制和数据预分析处理。该软 件能将所获数据进行归一化处理并能将大量数据从不同角度进行统计分析，以求 从数据中得到更多有用的信息。从对软件的实际操作和对实际的试验数据处理证 明，该软件实用性强，简单易操作，界面友好并具有一定的容错性。 关键词：通用软件m f c 串行通讯遥感 硕论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h eu n i v e r s a ls o f t w a r es y s t e m w h i c hi sa p p l i e dt og r o u n ds p e c t r a lr a d i a t i o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s p a n gy a f e i ( o p t i c s ) d i r e c t e db yp r o f q i a oy a n l ia n dz h a n g y u n j i e t h eg r o u n d ，a t m o s p h e r ea n ds k yb a c k g r o u n ds p e c t r a lm e a s u r e m e n ti st h e f o u n d a t i o no fr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n f o rm a n yy e a r s ， a i o f m ( a n h u ii n s t i t u t eo fo p t i c sa n df i n em e c h a n i c s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ) h a sd e v e l o p e ds e v e r a ld i f f e r e n tk i n do fg r o u n ds p e c t r a lr a d i o m e t e r ss u c ha sf i e l d s p e c t r o m e t e r , s p e c t r a li l l u m i n o m e t e ra n ds t i l lp h o t o m e t e r t h e s ei n s t r u m e n t s ，w h i c h a r ed e v e l o p e df o rs p e c i f i ct a s k sa n dm a t c h e dd i f f e r e n tp o s t p r o c e s s i n gp r o g r a m s ， b r i n gi n c o n v e n i e n c ef o rp o s td a t aa n a l y s i s r e m o t es e n s i n gi n f o r m a t i o n ，h o w e v e r , i s s y n t h e s i si n f o r m a t i o no fg r o u n do b j e c t ，a t m o s p h e r et r a n s m i s s i o na n ds k yb a c k g r o u n d t h e s ed i f f e r e n ti n f o r m a t i o nm u t u a l l ya f f e c t se a c ho t h e r h a n d l i n gt h ec o u r s eo f i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n du n i f y i n gd a t ap r o c e s s i n gs t a n d a r d sa r et h ef o u n d a t i o no f q u a n t i t a t i v er e m o t es e n s i n g s of a r , t h e r ei sn ou n i v e r s a ls o f t w a r ew h i c hc o u l dc o n t r o ld a t ac o m m u n i c a t i o n a n dd a t ap r o c e s s i n go fa l lt h r e ek i n do fi n s t r u m e n t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，is h a l l s u m m a r i z et h es o f t w a r ea n dm a i na p p l i c a t i o na s p e c t so ft h e s ei n s t r u m e n t si nt h e w o r l dt o d a y a n dt h e nid i s a s s e m b l et h es o f t w a r ei n t os e v e r a lf u n c t i o nm o d u l e s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n w i t l lv c + + 6 0p l a t f o r m is e tu paf l e x i b l es o f t w a r e f r a m ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ei n s t r u m e n t s ，a n dt h e ni m p l e m e n t e a c hf u n c t i o nm o d u l e i tp r o v e st h i ss o f t w a r ec a nb ea p p l i e dt ot h e s eg r o u n di n s t r u m e n t s t h es o f t w a r e n o to n l yc a nm a k et h ed a t au n i f i c a t i o n ，b u ta l s oc a l li ta n a l y s i st h e s ed a t as t a t i s t i c a l l y f r o md i f f e r e n tr e s p e c t s ，s ow ec a ng e tm o r eu s e f u li n f o r m a t i o n s o f t w a r eo p e r a t i o n a n dd a t ap r o c e s s i n gp r o v et h a ti th a sp r a c t i c a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d s o m ef a u l tt o l e r a n c e k e y w o r d s ： u n i v e r s a ls o f t w a r e ，m f c ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , r e m o t es e n s i n g n 知识产权声名 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归属于培养单位。 本人签名： 硭垂髦 日期： 2 婴：呈f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 “遥感”是在一定的距离之外，也就是不实际接触物体，通过测量而获得某 一物体信息的科学n 1 。任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，并且 不同物体的电磁波特性是不同的。在现代遥感系统中，最经常测量的量就是由被 测目标发射出来的电磁波能量，这是遥感的信息源，由探测到的地表物体对电磁 波的反射或其发射的电磁波来提取这些物体的信息，从而完成远距离识别物体。 按照遥感传感器搭载的平台分类，遥感可分为地面遥感、航空遥感、航天遥感以 及航宇遥感。地面遥感指传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定 或活动高架平台等；航空遥感是指传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等； 航天遥感指传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间 站、火箭等；航宇遥感则是指传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外目标的 探测。当前遥感形成了一个从地面到空中、乃至空间，从信息数据收集、处理到 判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系， 成为获取地球资源与环境信息的重要手段。 从本质上说，遥感是一个信息流和信息交换的过程。遥感数据获取系统可分 为四个基本部分：辐射源、大气路径、目标和传感器。在被动式遥感系统中，主 要的辐射源是太阳，其能量光谱分布几乎遍及整个的电磁频谱范围。当太阳辐射 与目标发生作用后，就被目标物反射、透射或吸收。被反射或发射的能量在返回 大气层时，强度和光谱分布也将随之发生变化。这些辐射能可为遥感传感器所测 得，并转换成数据，最终形成遥感信息。 1 2 地面遥感传感器 遥感传感器是接收、记录目标物电磁波特征的仪器，它的类别很多，按照使 用平台可分为地面、航空( 机载) 、卫星( 星载) 遥感器。 地面遥感传感器即为地面光谱辐射测量仪器，它们主要用于在地面进行光谱 辐射信息的获取，是进行地面遥感试验的基础设施。初期大量的遥感应用主要集 中于地物的识别与分类。用户可以直接用原始空间遥感数据对各种地物进行识别 和分类。由于来自水体、植被、土壤和城市等地物的信号很强，空间传感器和大 气的影响不足以妨碍到对这些地物之间差异的探测和识别。使用d n 值数据不仅 硕- ：论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 不影响结果，而且处理速度较快。随着遥感应用领域的扩展，资源和环境的遥感 监测越来越重要，遥感定量化程度要求更高，内容不再限于森林变为草原或草原 改变为农田这样质变的监测，提出了对土地覆盖类型，在某一时间内无质变的监 测新需求。例如，植被的叶面积指数、光合有效辐射等生物物理量的差异信息微 弱，要消除大气的影响因素，才有可能获得这些量。另外，空间遥感器的复杂性 决定了其对外部条件的敏感性，任一部件的性能参数发生改变都可能导致遥感数 据的失真，因此，应在光谱特性和辐射特性两方面对遥感器进行定标，并在其工 作寿命期间始终监测其性能的改变。所谓遥感器定标就是指对遥感器测定、校准， 并使其标准化的过程h 1 。遥感器定标是遥感信息定量化的前提，遥感数据的可靠 性及应用的深度和广度在很大程度上取决于遥感器的定标精度。目前空间遥感器 的定标最常用的方法是利用地面遥感传感器进行同步观测并获得当时的地面光 谱辐射信息，建立地面、航空和航天遥感数据的关系。并且遥感技术需要通过试 验的或物理的模型将遥感信息与观测目标参量联系起来，将遥感信息定量地反演 或推算为某些地学、生物学及大气等观测目标参量( 如土壤含水量、有机质含量 等生物理化参数) 。在遥感定量化研究中，利用地面光谱辐射测量仪器采集野外 地物光谱，建立典型地物光谱数据库是至关重要的一个环节。 由此可见，地面光谱辐射测量仪器是保障空问遥感数据可靠性和实现遥感信 息定量化的重要设备。 1 3 目前常用的国内外地面光谱辐射测量仪器 常用的地面观测仪器如表1 1 所示。 表1 1 地面遥感试验常用观测仪器 类型仪器名称主要参数应用生产厂家 光谱范围：3 5 0 n m - 2 5 0 0 n m ； 光谱动态范围：6 1 0 4 ： a s df r 地面反射 辐射 信噪比：可见近红外 3 0 0 0 ，美国a s d 公司 光谱辐射计辐射测量 计 短波红外波段1 5 0 0 ， 短波红外波段2 2 0 0 ： 光谱范围：3 5 0 n m - 1 0 5 0 n m ： 地面、水 a s dv i s n i r 动态范围：6 1 0 4 ： 光谱辐射计 信噪比：大于5 0 0 0 ； 面反射辐美国a s d 公司 射测鼍 重最：约4 k g ； 2 第一章 绪论 f y 气象卫星通道： 地面反射 c e 3 1 3 动态范嗣：6 1 0 4 ：法国 辐射同步 波段辐射计信噪比：大于2 0 0 0 ：c i m e l 公司 试验 重量：约5 k g ： 光谱范围：1 0 0 0 n m - 2 5 0 0 n m ； 动态范围：4 x 1 0 3 ； i r 9 8 1 地面反射 信噪比：短波红外波段i 3 0 0 ，短 中科院安光所 光谱辐射计辐射测量 波红外波段2 1 0 0 ； 重量：约7 k g ： 光谱范围：4 0 0 r t m - 1l o o n m ； 地面、水 v f 9 2 1 野外动态范围：4 x1 0 3 ； 面反射辐中科院安光所 光谱辐射计信噪比：大于1 0 0 0 ； 射测量 重量：约6 k g ： 光谱范围：3 5 0 n m - 2 5 0 0 n m ； 光谱动态范围：4 x1 0 3 ； 太阳和天 辐照v i r 9 8 1 野外 信噪比：可见近红外波段 2 0 0 0 ， 空漫射照中科院安光所 度计光谱照度计短波红外波段1 4 0 0 ： 度测量 短波红外波段2 2 0 0 ： 重量：约8 k g ： 光谱范围：3 8 0 h m 一1 0 5 0 n m ：太阳和天 v i r 7 3 1 野外光 光谱通道：1 2 8 2 5 6 空漫射照中科院安光所 谱辐照度计 量化精度：1 2 位度测量 8 通道：1 0 2 0 n m 、6 7 0 n m 、4 4 0 n m 、 太阳 9 3 6 n m ，8 7 0 p l ，8 7 0 p 2 ，8 7 0 p 3 ： 辐射 c e 3 1 8 动态范围：6 1 0 4 ： 太阳、天 法国 计自动太阳辐射计信噪比： 3 0 0 0 ； 空散射辐 c i m e l 公司 射测量 自动跟踪扫瞄； 8 通道： 动态范围：6 x1 0 4 ：太阳、天 c e 3 1 7 法国 信噪比： 3 0 0 0 ： 空散射辐 手动太阳辐射计c i m e l 公司 重量：约3 k g射测量 手动跟踪扫瞄； 3 硕士论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 光谱范围：3 8 0 n m 一1 0 5 0 n m ： v f 8 2 2 太阳、天 光谱分辨率：2 7 n m 自动细分空散射辐中科院安光所 动态范围：大于6 0 d b ； 太阳辐射计射测景 量化精度：1 2 位。 从表1 1 可以看出，地面遥感试验观测常用的仪器主要是进行地物波谱特性 观测的便携式野外光谱辐射计、进行太阳照度测量的野外光谱辐照度计以及进行 大气光学特性观测所需的太阳辐射计。 无论是国内的或者国外的野外光谱仪器，每种仪器均包括硬件系统与软件系 统两个部分。与国内仪器相比，国外仪器有着良好的硬件支持，因此仪器本身具 有很强的实用性和稳定性，但从其配套的后续数据处理软件系统来看，有些仪器 的数据分析处理软件还存在着明显的不足。如目前常用的a s d 公司的f i e l d s p e c p r o 系列所采用的软件系统为f i e l d s p e cp r or s 3 。该系统将数据存放成唯一的 文件格式，而这种格式仅仅用r s 3 才能够识别，其原始数据通用性较差，如e x c e l 等常用软件不能打开它。这样用户必须用另外的一个程序( v i e w s p e c ) 首先将数 据转换为a s c i i 文件才行，不利于用户在野外条件下发现并及时捕捉错误的数 据。 表1 2 常用野外光谱仪器的软件系统 型号 数据分析软件厂家 f i e l d s p e c 系列 r s 3 美国a s d 公司 c e 3 1 7 ，c e 3 1 8a s t p w i n 法国c i b l e l 公司 0 l - 7 5 4 0 l 7 5 4w i n d o w sa p p l i c a t i o n 美国 s o f t w a r eo p t r o n i cl a b o r a t o r i e si n c 公司 g e r 系列c u s t o mg e rs o f t w a r e美国g e r 公司 i s l 9 2 1 系列i s l 9 21s o f t w a r e 中科院安光所 野外仪器的数据处理软件是用户进行原始数据获取和数据预处理的重要工 具，对后续地物波谱数据库的建立及用户的更深入的数据应用具有关键作用。地 面遥感试验中需要同时用到光谱辐射计、光谱辐照度计和太阳辐射计等多种仪 器，由表1 2 可知，每种仪器均有配套的数据处理软件系统，各个系统是孤立的， 所测得的原始数据往往存在很大的差异，由于地物波谱数据库中对数据的收集积 累及辅助参数的系统性、完整性都有相应规范和要求，这就需要用户在将数据入 4 第一章绪论 库之前首先要进行标准化、规范化处理( 如数据格式转换、反射率计算等) ，使收 集的数据归一化，只有这样才能够保证数据的质量和有效性。 目前常用的国内的光谱辐射测量仪器主要是中科院安光所研制的系列仪器， 包括光谱辐射计( v f 9 2 1 系列) 、光谱辐照度计( v i r 9 8 1 系列) 和太阳辐射计 ( v f 8 2 2 、v f 8 2 1 系列) 。我们知道，遥感信息是地物目标、大气传输及天空背景 辐射信息的综合，各类信息相互作用和相互影响，把握各类设备信息获取过程、 统一处理标准是提高遥感信息应用水平的前提。在进行遥感试验的过程中，我们 也发现了原有的自行研制的仪器软件中存在的不足，如数据格式的规范化问题， 各种仪器数据无法统一进行分析处理。 考虑对自行研制的地面常用的三类测量仪器开发出一套通用的软件系统，使 各类仪器均可在同一软件系统下完成对数据的传输控制和数据的预处理，这样可 以避免重复的软件开发，节约了仪器的研发时间和成本。对原软件系统中的不足 加以改进，实现对多种仪器获取数据的规范化处理，这是一项很有实用性的工作。 1 4 论文主要内容 本论文完成的主要工作有： 充分调研了目 i 地面光谱辐射测量仪器的应用领域，并由地面测量仪器在遥 感中的数据应用进行软件的模块划分，最后，在v i s u a lc + + 6 0 下利用m f c 设计 并实现了一套地面光谱辐射测量仪器通用软件系统。 论文具体内容如下： 第一章主要介绍了常用的遥感传感器概况，调研了常用的地面光谱辐射测量 仪器的配套软件系统。指出本论文的目的和意义。 第二章介绍了自行研制的地面光谱辐射测量仪器的组成原理及其应用领域。 了解了用户的需求。 第三章阐述了地面光谱辐射测量仪器通用软件系统中涉及到的原理、关键流 程及关键代码。 第四章介绍了软件系统的实际应用情况。 第五章总结本文内容，指出工作的不足之处并提出有待进一步改进的方法。 硕上论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 第二章地面光谱辐射测量仪器及其应用领域 在遥感领域，地面光谱辐射测量仪器发挥着重要的作用，是进行遥感地面试 验的基础。这些地面试验数据支撑着遥感信息的解析应用和科学研究的发展。 地面光谱辐射测量仪器一般用于野外遥感试验，常用的野外光谱辐射测量仪 器主要有：野外光谱辐射计、光谱辐照度计、太阳辐射计。在早期的遥感活动中， 它们主要用于在地面进行遥感信息的收集，在实用化空间遥感技术发展以及强调 遥感应用定量化的今天，光谱辐射计等地面遥感器更多地应用于航天遥感器数字 产品的真实性检验阻1 。目前国外地面测量设备的研制厂家主要包括法国c i m e l 公 司、美国a s d 公司等，国内主要以中科院安徽光机所为代表。 中科院安徽光机所多年来一直从事可见近红外波段的地面光谱辐射测量仪器的 研制工作，所研制的具有代表性的系列光谱仪器如表2 1 所示。同种类型的仪器 具有不同的光谱通道数，目前分别有1 2 8 、2 5 6 与5 1 2 通道不同的型号。 以下就安光所研制的各类地面光谱辐射测量仪器进行介绍。 表2 1 安光所系列地面光谱辐射测量仪器 名称系列名称光谱范围光谱通道用途 地物光谱辐射计 v f 9 2 13 8 0 1 0 5 0 m n 1 2 8 2 5 6 5 1 2地物波谱测量 光谱辐照度计 v n f 7 3 13 8 0 1 0 5 0 n m1 2 8 2 5 6 5 1 2 光谱辐照度测量 太阳光谱辐射计v f 8 2 23 8 0 、1 0 5 0 n m1 2 8 2 5 6 51 2太阳、天空辐射测量 2 1 地面光谱辐射测量仪器介绍 三类仪器原配套软件如表2 2 所示。 表2 2 仪器及其配套软件 仪器类型配套软件开发语言功能描述 地物光谱辐射计辐射计数据处理系统( 图2 1 ) v b 地物波谱数据、照度 光谱辐照度计照度计数据处理系统( 图2 2 )v b数据、太阳辐射数据 太阳辐射计太阳辐射计数据处理系统 v b的预处理 6 第一幸地面光谱辐射测量仪器艘其 用领域 罔2l 地物光谱辐射计界面 图22 光谱照度计界面 2 11 地物光谱辐射计 地物光谱辐射计主要用于野外地物光谱辐射信息的获取。野外光谱辐射计按 类型划分主要有可见一近红外、短波红外和远红外几种类型。由于在可见至短波 红外波段( 04um 2 5um ) ，地表物体自身的热辐射几乎等于零，地物发出的 波谱主要以反射a 阳辐射为主，该波段通常称为地物的光学反射波段。1 ，目前此 波段的产品晟为常见，应用范围也最广9 3 。 地物光谱辐射计主要用于野外地物波谱测量。光谱辐射计实物图如图2 3 所 不。 图23 光谱辐射计实物图 目前所研制的系列光谱辐射计其基本工作原理大致相同：首先获取目标入射 光线，采用固定光栅分光和硅光二极管线阵探测器测量可见波段光谱能量，或是 采用旋转光栅及单个探测器测量近红， 波段光谱能量，经前放和程控放大输出至 控制箱进行a o 模数转换，然后进入计算机存储显示阻及进行后续数据处理。其 组成原理框图如图24 n 示。 硕上论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 电子学及数据处理部分 图2 4 地物光谱辐射计系统组成框图 具体来说，野外地物光谱辐射计通常用于得到地面目标的光谱反射率数据以 及目标的绝对辐亮度数据。若配备测量漫反射参考板将可得到地物的光谱反射率 数据，由仪器的响应度定标数据可得目标的光谱辐亮度数据。 2 1 2 光谱辐照度计 由光谱辐照度计可以测得全照度、漫射照度、直射照度，由此进行计算可以 得到漫射总照度比数据。它是遥感测量，包括陆地和海上测量必不可少的仪器。 光谱辐照度计比地物光谱辐射计在头部多了一个积分器光学部件，积分器 的形式可以是积分球，也可以是聚四氟乙烯积分板，它可以将各个不同方向的入 射辐射量变换成均匀辐射，这样向量照度的积分表达式il c o s 口d r 2 就在物理 y 石 上得到实现。式中，l 代表辐射亮度，口代表辐射入射方向与积分板法线的夹角， q 是立体角。此外，在照度计积分器上方有黑色的挡光圆盘，可挡掉太阳光的直 接入射，这样，不仅可以测量2 空间的全部入射光，还可以测量不包括太阳直 接入射光的散射光。当上部空间的入射光线照射在积分器上时，通过积分器的漫 透射进入下半部空间。红外辐射计直接接收向下的散射光，可见光辐射计通过反 射镜接收散射光。如果积分器是一个理想的朗伯透射体，照度的测量就确切无疑 了。严格来讲理想朗伯体如同理想镜面反射一样是不存在的，所以说照度计的设 计和测量精度除其他因素外，与积分器是否非常接近朗伯体有密切关系n 。 光谱辐照度计一般组成框图及实物图如图2 5 所示。可见，照度计只是在入 射部分稍作处理，完全可以继承辐射计的光机电结构。 8 第一章地面光诗辐射测量仪器其m 用领域 入射辐射 积分器 光谱辐射计 图2 5 光谱辐照度计一般组成框图及实物图 213 太阳辐射计 太阳辐射计常用于测量太阳在可见光和近红外波 段( 3 8 0 纳米一1 0 5 0 纳米) 的直射辐射亮度，并由此获得 大气气溶胶、水汽、臭氧等成分的特性。它通常需要 辅助的太阳跟踪设施进行工作，有的使用四象限探测 器自动跟踪，有的则通过g p s 获得时矧及地理信息等 间接获得太阳天顶角，从而进行间接跟踪。由此可以 得到太阳的直射辐照度。太阳辐射计实物图如图26 所示。由太阳辐射计测得韵电压值，将其进行野外的 相对辐射定标，即可计算得到大气气溶胶光学厚 图26 太阳辐射计度等参数。 22 仪器测量结果准确性的影响园素 仪器本身不过是提供了一个测量的手段，更加重要的是测量的结果一数据。 数据精度的保证除了仪器自身的性能以外，方面来自于测量过程的操作规范性 的保证，另一方面则来自于仪器的定标。 221 野外测量当时的条件因素 野外地物波谱测量结果的准确性受到多种因素的影响，除仪器的影响外测 量的时间、光照条件、大气特性及稳定性、地物目标特性等因素都直接影响着测 量结果的精度“。 硕卜论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 l 、光照条件 在利用光谱辐射计测量地物的反射率时，它基于一个假设：我们是在完全相 同的光照条件下测量标准白板和目标光谱。另外，自然光状态下目标所收到的辐 射由三部分组成：一是太阳光直接辐射，二是天空漫射辐射，三是目标物周围的 各种地物所辐射的一部分能量。太阳高度角、大气状况等参数直接影响直射阳光 的总体强度和光谱特征，目标物周围地物所辐射的光谱特性由其各自的反射特性 所决定。野外光谱辐射测量中，测量者和仪器所发出的辐射也都会对测量结果产 生影响。目标物周围的地物还有可能遮住一部分散射的天空光或挡住直射的太阳 光，使被测目标处于阴影下。因此，测量时应尽量避开阴影和反射体，并要求测 量者着深色服装，尽量远离测点。 2 、大气特性 地物的光谱特征是地物通过与到达地面的太阳辐射相互作用后形成的。太阳 辐射在大气中传输会产生选择性吸收和散射。因此，测量时刻的大气特性直接影 响着所测结果的精度。在可见和近红外波段，目前人们认为水蒸气的吸收特性对 入射到地球表面的太阳光的影响最大，二氧化碳在2 0 0 0 - 2 2 0 0 n m 范围有较强的吸 收特征。野外测量时风将引起目标物的运动造成周围的光照条件随之改变。 3 、仪器的选择 仪器的选择取决于野外光谱采集的目的。若是为了与航天和航空影像的解译 或光谱重建采集光谱数据，则地面波谱测量仪器的波长范围、光谱分辨率、采样 间隔、测量精确度等技术指标应不低于航空仪器。 2 2 2 仪器的定标 野外光谱辐射测量的一个关键是仪器的标定问题n 1 。经过标定的仪器才能准 确地定量地表达地物的反射、发射、透射的电磁波能量信号，从而与空中较宽波 段的t m 、s p o t 等星载遥感系统及一些机载遥感系统建立相互间的定量化关系， 在遥感的定量化研究中真正发挥作用n 引。 仪器的实验室定标主要包括光谱定标和辐射定标两大部分。光谱定标是为了 保证仪器的波长准确性。辐射定标是客观评价一台光谱辐射测量仪器及其有关器 件的唯一方法。辐射定标将仪器的电压值与实际目标辐射的绝对物理量值联系了 起来，因此是相当重要的一个环节。对于一台辐射测量仪器，从辐射定标的角度 l o 第二章地面光谱辐射测量仪器及其应用领域 来评价，主要有三方面的内容：稳定性、线性和响应度。稳定性主要是检测探测 器及信号放大部分的功能，表征仪器在一定工作时间内的稳定程度。线性是衡量 仪器对能量变化响应的规律性的参量，由此可确定仪器在一定条件下的线性范围 或动态范围。响应度是表征整个仪器系统的一个绝对量，即在给定能量时，仪器 所对应的输出。在辐射测量中，根据响应度的定标结果，可得到辐射的绝对量。 光谱辐射亮度、照度副基准往往是以一组标准钨带灯和标准石英溴钨灯形式 构成。对于标准钨带灯可直接利用其辐射亮度输出对仪器进行定标。而对于标准 溴钨灯的辐射照度标准源，则可利用漫反射板过渡形成大面积的标准亮度源。在 利用标准钨带灯对仪器进行辐射定标时，需将钨带精确地成像在仪器的入射狭缝 上。利用标准溴钨灯时，可将仪器摆放在导轨两侧确定的工作区内，使仪器观测 视场落在标准漫反射板的中心区域，靠标准溴钨灯到漫反射板间距离的变化来改 变能量的级次。 2 3 地面光谱辐射测量仪器目前主要应用 下面从仪器使用的角度总结一下三类仪器的主要应用领域。 2 3 1 用于大气光学特性地基观测 大气光学特性地基观测主要指获取大气气溶胶、水汽及臭氧等成分的特性。 大气校正是遥感信息定量化的重要方面，对大气效应进行修正时，关键是计算光 学路径上的大气透过率，以便得到大气对辐射的衰减。这种衰减与三种因素有关， 大气分子的吸收( 主要是水汽和二氧化碳分子) ，大气分子、气溶胶和微粒的散 射，气象条件的影响。大气透过率与许多参数有关，所以必须应用高精度的数字 模型计算给定路径、波长和气象条件的大气透过率，目前这种计算方法和工具有 多种，其中美国空军地球物理实验室( a f g l ) 开发的大气传输特性计算软件 l o w t r a n ，m o d t r a n ，f a s c o d e 等是最常用的。在透过率的计算中，气溶胶的影响 是很大的，气溶胶光学厚度和它的类型是辐射传输计算和大气校正的基本参数， 它的测量精度直接影响到大气校正的最终精度，采用必要的手段采集气溶胶的空 间和时间变化，对提高透过率计算精度是很重要的。同时大气光学特性观测也是 气候和生态系统平衡研究的关键。地面光谱辐射测量仪器在此领域发挥着重要作 用。 对于地基观测，目前大气气溶胶的测量仪器主要有气溶胶粒子分布仪，太 硕上论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 阳辐射计和激光雷达。激光雷达是通过发射激光束，测量气溶胶的后向散射来得 到气溶胶的光学厚度；太阳辐射计则是通过测量太阳辐射来反演整层大气光学厚 度n 4 1 。 太阳辐射计是进行地基大气光学特性观测的最基本仪器之一n3 1 ，此外，利用 光谱辐射计以及光谱辐照度计也能进行地面大气参量的观测n4 1 。通常是利用地面 光谱辐射测量仪器的可见近红外通道进行太阳直射辐射测量。然后利用l a n g l e y 法推算出不同波长上大气总消光光学厚度，辅以气压计等测量仪器，就可得到气 溶胶光学厚度；由不同波长上的气溶胶光学厚度还可以推出气溶胶的其它重要参 数。大气参数测量的一般流程如图2 7 所示。 图2 7 大气参数测量方法 水汽对太阳辐射的吸收主要在近红外波段，尽管水汽含量在大气中的比例很 小，在0 0 1 4 ，但由于它在大气温度变化范围内可以进行相交，因而对大气 中的物理过程起着重要作用，是天气变化的关键因素瞳8 。了解和掌握大气中水汽 含量是很必要的。早期探测水汽主要采用探空气球，但由于其诸多局限性，现在 多是采用太阳辐射计进行相关测量。采用太阳辐射计测量，是建立在针对水汽的 参数计算方法改进的基础上的。常用的是太阳辐射计的9 4 0 n m 通道，仍然是用来 观测太阳直射辐射。也有用地物光谱仪来研究水汽对太阳辐射的吸收的，是利用 太阳辐射计和臭氧监测仪进行大气监测的同时，利用地物光谱仪对太阳直射辐照 度进行测量，前者避开水汽吸收得到大气衰减总光学厚度，而后者可得到包含水 1 2 第二章地面光谱辐射测量仪器及其应用领域 汽吸收的大气衰减总光学厚度，两者相差可得到水汽吸收的信息。 2 3 2 用于遥感器的地基辐射定标 遥感器的定标可分为绝对定标和相对定标两种方式。绝对定标需要知道目标 辐射的绝对值；相对定标只需知道目标中某一点辐射与其他点辐射的相对数值。 遥感器的定标按步骤分为飞行前实验室定标、星上内定标和场地定标。在遥 感器研制到投入运行的整个过程中，不同的阶段，不同的定标方法发挥着各自不 同的作用。 遥感器光谱定标的任务是确定各光谱通道的光谱中心波长和通过特性( 通带 函数和等效通带宽度) 并考察该通带函数与理想的高斯型通带函数的偏差。 辐射定标的目的是使辐射测量的结果具有客观性，而与具体的信号或技术无 关。这种定标的结果是：直接由某种测量仪器测得的量( 如辐射功率、强度或亮 度) 与用另一仪器来替换测量时所得的量应该相同曙1 。 遥感器飞行前的实验室定标是指遥感器发射前必须进行的实验室光谱定标 与辐射定标。以星载的光谱辐射计为例，在卫星发射前，要对辐射计进行模拟太 空环境的实验室定标，以确定光谱响应的灵敏度和稳定性、辐射计的输出电压与 仪器接收到的辐射能之间的关系，以及星内校准源的稳定性和精度等。然而，即 使实验室定标时非常仔细，仍然有各种各样的问题影响飞行前定标的结果。定标 时的环境就不同于在天上那样交替地处于日光照射和黑暗的真空之中，卫星上的 温度也可能不同于定标时的情况，滤光片和其他一些镀有薄膜的光学元件其光谱 特性也可能改变，因为在空间的真空环境中，这些薄膜要放气，发射时的应力也 会使光学元件的精细排列产生微小变化。由于在空间中的系统性能衰退、感应元 件老化、污染等如光学镜面玷污会使光学效率降低；探测器工作温度的变化及探 测器的老化会影响探测器的响应率；电子元件的老化会影响电子线路的放大增益 等。这都使遥感器的探测精度、灵敏度减弱，须给出其老化订正的经验公式，这 样原有的定标系统不再适用，必须随时进行飞行中的定标和校准。 遥感器星上定标主要是用人工光源( 灯) 或自然光源( 太阳) 频繁进行在轨 的传感器定标。理想的情况是这些光线通过仪器全部光路并且充满整个口径陋1 。 普遍使用的方法有：相对月球进行定标、利用直射阳光和漫透射板获得辐亮度标 准实现辐射定标；另外，还有用“比值法川7 1 进行遥感器星上定标，这是由于“太 硕士论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统没计及实现 阳+ 漫射白板”法的一个重要缺陷是无法预测在太空环境中白板的光谱反射率的 降低，对该问题的一个解决办法是使用一个比值辐射计，该比值辐射计交替测量 太阳和白板，通过计算二次输出电压的比值得到白板反射率的变化，这样就可以 精确地得到太阳照射下白板的辐亮度，进而实现对遥感器的精确标定。 场地定标方法3 3 是目前国内外较常用的卫星遥感器辐射定标方法之一。该方 法指在遥感辐射定标场地选择的基础上，在遥感器处在正常运行和外界环境条件 下，通过同步测量来对遥感器定标的一种方法。即在遥感器飞越辐射定标场上空， 在定标场选择若干象元区，测量遥感器对应的各波段地物的光谱反射率和大气光 谱参量，并利用大气辐射传输模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后 确定它与遥感器对应输出的数字量化的数量关系，求解定标系数，并进行误差分 析。 场地定标方法主要特点是基于地面大面积地表均匀地物作为定标源，不但可 以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，而且还考虑到大气传输和环境的影 响。其重要性在于该定标方法实现了对遥感器运行状态下与获取地面图像完全相 同条件的绝对校正，可以从卫星发射到遥感器失效整个过程提供校正，可对遥感 器进行真实性检验和对一些模型的正确性进行检验，原则上还可以对其它空中和 轨道平台遥感器进行校正。 场地定标方法主要有三种：反射率基法( r e f l e c t a n c e - b a s e dm e t h o d ) 、辐亮 度基法( r a d i a n c e - b a s e dm e t h o d ) 和辐照度基法( i r r a d i a n c e _ b a s e dm e t h o d ) ，但 最常用的是反射率基法。三种方法数据处理流程框图分别如图2 8 ，图2 9 ，图 2 1 0 所示。 反射率基法指在卫星过顶时测量校正场地表反射率、气溶胶光学厚度等参 数，带入辐射传输计算软件计算，推导出卫星传感器入瞳处的辐亮度。其它参数 还有分子散射和气溶胶光学厚度、气溶胶复折射指数及其谱分布。根据传感器的 通道设置，可能还需要大气吸收订正，如：臭氧、水汽、二氧化碳和氧的吸收订 正。辐照度基法又称改进的反射率基法，在反射率基法的基础上，增加利用实测 的地面漫射总辐射比来改进大气辐射传输计算中散射部分的计算，提高辐射传输 计算精度。辐亮度基法是采用一台经过高精度辐射定标的传感器( 具有与待定标 传感器相同或相近谱段) 搭载在高空飞行的飞机上，对校正场进行同步测量来实 1 4 第二章地面光谱辐射测量仪器及其虑用领域 现标定。它要求这台仪器观测时的几何关系与卫星传感器观测时相同( 或通过一 些辅助参数的测量可推导到卫星传感器的观测几何) ，而且要对参考仪器高度以 上至标定传感器之问的大气影响进行订正。由于水汽和气溶胶粒子大部分位于低 层大气中，这时所需的大气订正比在地面测量要小得多。参考仪器所在的高度越 高，这种大气订正就越小。 ；场地相应像元平传感器光谱通道 均计数值 1 定标系数 图2 8 反射率基法 眄丽i b l，一 丽场高空葙磊反 测量 1一，。j 一乡 | 大气辐射传输模型 7 卫星高度辐亮度 jl 一 绝对校正 图2 9 辐亮度基法 图2 1 0 辐照度基法 一 翌 场 硕：t 论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 地面光谱辐射测量仪器则是进行地面场地外定标的基础设施。由上面场地外 定标的流程图知，地面反射率、场区大气参数以及漫总比等参数是场地定标中的 关键输入；而这些数据的获取主要是通过地面光谱辐射测量仪器来完成。 2 3 3 用于资源监测 1 、植被方面 在植被方面，野外地物光谱仪用于测量植物的反射光谱特性曲线。如在麦蚜 虫灾害预防中，一般用到的光谱波段为：6 7 0 n m - 6 9 0 n m ( 叶绿素的强吸收峰) 和 7 6 0 n t o 一9 0 0 n m ( 叶绿素反射峰) ；也可通过作物冠层高光谱特性测量建立某种遥感 估算模型，如有的已建立小麦冠层高光谱特性与小麦磷肥水平的模型；也有建立 叶片光谱反射率与其水分状况的关系。 2 、地质方面 光谱对地物化学成分和结构的微细变化非常敏感，地物微细的化学和结构 的变化常常导致吸收位置和吸收形态的变化。高光谱遥感已成为直观高效地探测 极低级变质带的技术手段。地物光谱仪在这里主要用作测量岩石样品的反射率光 谱曲线，利用这些数据可以探究地物化学成分和结构及自然环境的微细变化。 3 、土壤方面 土壤反射光谱中包含了丰富的土壤信息，利用便携式地物光谱仪进行田间的 光谱反射率采集，从中可以获取土壤有机质含量、氧化铁含量、土壤质地、土壤 水分等多个参数：为精准农业提供准确的地表信息。 4 、水体方面 对水体的高光谱特性研究，可以很好地掌握自然水体的吸收和发射特性、浮 游生态、藻类繁衍等情况，从而进一步了解水面以下的情况；地物光谱辐射测量 仪器主要用来测量水体反射光谱，建立水体藻类叶绿素浓度或悬浮物浓度等与其 高光谱反射特征之间的遥感定量模型。 5 、冰雪方面n 朝 冰、雪特性研究有助于对地一气辐射平衡的理解，同时对气候、雪崩监测等 都很关键。研究表明，冰雪形状、尺寸、密度等量与其半球方向反射光谱有关。 利用针对冰雪观测的地面光谱测量仪器可以获取光谱数据并进行后续研究。 上述表明，在资源监测方面，地物光谱辐射测量仪器主要用于测量植被、岩 1 6 第二章地面光谱辐射测量仪器及其应用领域 石、土壤、矿藏或水等物质的反射光谱特性曲线，然后运用这些数据建立特定量 的定量化遥感模型。将这些数据用于农业、林业及生态研究；有时这些数据用于 光谱图像的解译，有时运用统计分析模型建立生物和化学特性与光谱之间的关 系。 2 3 4 其他 除了上述几个方面的应用，在环境监测方面，还可用于探测空气污染成分， 如利用太阳光光源测量空气中n 0 ：含量的被动差分吸收光谱法就是利用n 0 ：在 4 3 0 n m 、4 5 0 n m 光谱区吸收峰，运用太阳辐射计测量4 4 0 n m 通道的太阳辐射量，然 后由测量值可计算出n 0 。的浓度；在森林防火方面，光谱辐射计用于探测分析燃 烧产生的烟和气体的光谱变化，以急时发现并采取措施。 1 7 硕卜论文：地面光谱辐射测量仪器通用软件系统设计及实现 第三章地面光谱辐射测量仪器通用软件系统总体设计 3 1 地面光谱辐射测量仪器通用软件功能分析 3 1 1 软件功能分析的考虑 分析重于设计，设计重于编程。在编制软件之前，对该软件的功能分析是至 关重要的。通用软件系统与光谱辐射测量仪器的关系如图3 1 所示。即软件系统 通过数据传输接口与测量仪器通讯，将数据上传至上位机中，然后进行数据处理。 图3 1 通用软件与光谱辐射测量仪器连接图 主要从如下几点来考虑进行软件的功能分解： l 、软件的通用