植被多角度光譜信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

王捷+肖愛平+焦子銻+

摘要：多角度光譜信息采集系統(tǒng)可以測(cè)量植被作物的雙向反射特性，配合高光譜分辨率遙感衛(wèi)星影像，反演得到植被的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。多角度光譜信息采集系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大部分。機(jī)械系統(tǒng)由天頂機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)組成，方位圓軌道直徑４ ｍ，天頂圓導(dǎo)向軌道半徑１ ｍ，其特點(diǎn)在于光譜儀視場(chǎng)內(nèi)無陰影，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝、運(yùn)輸?？刂葡到y(tǒng)提供多種測(cè)量模式以滿足不同的觀測(cè)需求，觀測(cè)參數(shù)可根據(jù)需要在控制平臺(tái)中手動(dòng)輸入，更改方便，操作簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：高光譜遙感；多角度反射；植被信息；測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：ＴＰ７９；Q94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：０４３９－８１１４（２０１４）０９－2165－０5

Ｄｅｓｉｇｎs ａｎｄ Analyses ｏｆ Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ－ａｎｇｌｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ

ＷＡＮＧ Ｊｉｅ１，ＸＩＡＯ Ａｉ－ｐｉｎｇ１，ＪＩＡＯ Ｚｉ－ｔｉ２

（１． School of Technology， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；

２． School of Geography，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉ－ａｎｇｌｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｏｐｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ａｎｇｌｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ is ｃｏｎｓｉｓｔed ｏｆ ｚｅｎｉｔｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ａｎｄ ａｚｉｍｕｔｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ａｚｉｍｕｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｏｒｂｉｔ ｉｓ ４ ｍｅｔｅｒｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｒａｉｌ ｆｏｒ ｚｅｎｉｔｈ ｃｉｒｃｌｅ ｉｓ １ ｍｅｔｅｒ． Ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｅａｓｙ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｓｈａｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ′ｓ ｖｉｅｗ． Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｎ ｂｅ ｅｎｔｅｒｅｄ into ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｏ ｔｈａｔ it can be easily alteres and operated．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ； ｍｕｌｔｉ－ａｎｇｌｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ； ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ

１多角度光譜信息采集系統(tǒng)

多角度光譜信息采集系統(tǒng)能夠在半球空間內(nèi)采集被測(cè)地表植被的ＢＲＤＦ數(shù)據(jù)，以此驗(yàn)證并修正現(xiàn)有的ＢＲＤＦ模型，結(jié)合空間衛(wèi)星測(cè)量得到的遙感數(shù)據(jù)，反演植被的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，如葉面積指數(shù)、葉傾角分布、葉片反射率、葉片透過率、葉綠素含量分布［１］等，可用于農(nóng)業(yè)科學(xué)、林業(yè)科學(xué)、地理信息科學(xué)等領(lǐng)域的研究。

１．１雙向反射分布函數(shù)（ＢＲＤＦ）

１９６５年，愛德華·尼哥蒂姆首次提出ＢＲＤＦ的概念［２］。ＢＲＤＦ全稱為Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，譯為雙向反射分布函數(shù)。其物理意義是來自方向地表輻照度的微增量與其所引起方向上反射輻射亮度增量之間的比值［３］，其數(shù)學(xué)公式為：

fr（ωi，ω0）＝■=■（１）

式（１）中，Lr代表沿ω0方向反射出去的光能，即輻射增量；Ei代表沿ωｉ方向入射的光能，即輻射度；Li代表沿ωi方向入射光的輻亮度；?茲i是ωi與物體入射點(diǎn)上的平面法線之間的夾角［４］。ＢＲＤＦ是關(guān)于太陽天頂角、方位角，觀測(cè)天頂角、方位角及波長的函數(shù)［５］。在一次觀測(cè)中，一般認(rèn)為太陽位置固定，即太陽天頂角、方位角不變，而所觀測(cè)光的波長范圍由光譜儀決定，那么最主要就是探究觀測(cè)天頂角、方位角與ＢＲＤＦ數(shù)據(jù)的關(guān)系。

１．２系統(tǒng)概述

如圖１所示，以太陽光作為光源照射目標(biāo)，在目標(biāo)上形成沿各個(gè)方向的漫反射。自然界中絕大部分物體都具有各向異性的反射特性［６］，由于觀測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，各個(gè)方向的反射率呈現(xiàn)不同規(guī)律。多角度光譜信息采集系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)光譜儀運(yùn)動(dòng)到半球表面的不同位置，從不同方向測(cè)量地表植被的反射率，并記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其基本運(yùn)動(dòng)形式包括豎直方向的天頂運(yùn)動(dòng)和水平方向的方位運(yùn)動(dòng)。通過改變多角度光譜信息采集系統(tǒng)的天頂角與方位角，可以將光譜儀送至預(yù)定位置并進(jìn)行測(cè)量，光譜儀與電腦相連，測(cè)量后可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中。

早期的多角度測(cè)量完全由試驗(yàn)人員手持光譜儀進(jìn)行觀測(cè)，不僅操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且所獲取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。３０年前開始出現(xiàn)手持的操作儀器［７］，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到很大提升。直到１９９４年，才研發(fā)出可自動(dòng)觀測(cè)的多角度光譜信息采集系統(tǒng)［８］，之后陸續(xù)出現(xiàn)各種多角度光譜信息采集系統(tǒng)，但其自動(dòng)化程度均較低，觀測(cè)模式單一，而且無法擺脫大型的天頂圓軌道，使得測(cè)量系統(tǒng)本身在光譜儀視場(chǎng)內(nèi)投射有陰影，同時(shí)給加工與拆裝帶來難度。

１．3多角度光譜信息采集系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

建立球面坐標(biāo)系（ｒ，θ，φ），如圖２所示，其中Ｏ為原點(diǎn)、Ａ為觀測(cè)點(diǎn)、Ｐ為觀測(cè)點(diǎn)Ａ在ＸＯＹ平面上的投影，ｒ?yàn)閺较蚓嚯x、θ為天頂角、φ為方位角。ｒ表示原點(diǎn)Ｏ與觀測(cè)點(diǎn)Ａ之間的距離，θ表示有向線段ＯＡ與Z軸正向的夾角，φ表示從Z軸正向來看自X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至有向線段ＯＰ所經(jīng)過的角度。

多角度光譜信息采集系統(tǒng)在實(shí)際觀測(cè)中，原點(diǎn)Ｏ為觀測(cè)目標(biāo)的中心點(diǎn)。光譜儀所在位置為觀測(cè)點(diǎn)即Ａ點(diǎn)，其始終位于半球空間的表面，所以ｒ?yàn)槎ㄖ?，即半球空間的半徑為２ ｍ。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)恰在Ｚ軸上時(shí)，天頂角θ為０°，觀測(cè)點(diǎn)在ＸＯＹ面的投影Ｐ（ｘ，ｙ）的縱坐標(biāo)ｙ＞０時(shí)，天頂角θ為正，反之為負(fù)。受測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，天頂角θ∈［－１／３ π，１／３ π］。方位角φ能夠滿足［０，２π］的范圍，但在實(shí)際觀測(cè)中，由于半球體具有對(duì)稱性，只需觀測(cè)φ∈［０，π］，即可滿足測(cè)量的需求，采集到所有反射方向的輻照度。

從數(shù)學(xué)模型可知，天頂角θ與方位角φ共同確定觀測(cè)點(diǎn)在半球表面的位置。筆者通過天頂圓導(dǎo)向軌道刻度與方位圓軌道刻度分別衡量天頂角θ與方位角φ，以此描述光譜儀在半球表面的坐標(biāo)。改變擺桿在天頂圓導(dǎo)向軌道上的位置即可獲取所需觀測(cè)點(diǎn)的天頂角，改變天頂機(jī)構(gòu)在方位圓軌道上的位置則可獲取所需觀測(cè)點(diǎn)的方位角。

２多角度光譜信息采集系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)

目前主流多角度光譜信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是由半徑相等的整圓周方位圓軌道和半圓周天頂圓軌道構(gòu)成［９］。光譜儀搭載在天頂圓軌道上，可在天頂圓軌道一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)天頂圓軌道安置在方位圓軌道上，可在方位圓軌道上３６０°轉(zhuǎn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很好，但是實(shí)地測(cè)量時(shí)天頂圓軌道會(huì)在被測(cè)植被上投射陰影，直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且半徑２ ｍ的天頂圓軌道結(jié)構(gòu)龐大，加工精度難以保證，同時(shí)不便于拆裝、運(yùn)輸。于是，筆者提出了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

２．１設(shè)計(jì)方案

新研制的多角度光譜信息采集系統(tǒng)選用鋁型材作為主體材料，整臺(tái)設(shè)備質(zhì)量較小，約為１１０ ｋｇ。其結(jié)構(gòu)主要分為天頂機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)兩大部分，如圖３所示。新研制的多角度光譜信息采集系統(tǒng)同樣有方位圓軌道，但沒有了龐大的天頂圓軌道，由天頂圓導(dǎo)向軌道替換。天頂圓導(dǎo)向軌道較之前的天頂圓軌道尺寸縮小一倍，且偏置放在方位圓軌道上，偏置距離１．６９ ｍ，保證測(cè)量系統(tǒng)自身產(chǎn)生的投影不會(huì)落在光譜儀視場(chǎng)內(nèi)。

天頂機(jī)構(gòu)主要包括半徑為１ ｍ的天頂圓導(dǎo)向軌道、長２ ｍ的擺桿框架、天頂移動(dòng)平臺(tái)、支桿框架、天頂桿框架、轉(zhuǎn)軸等。方位機(jī)構(gòu)包括直徑為４ ｍ的方位圓軌道、方位移動(dòng)平臺(tái)等。

天頂圓導(dǎo)向軌道由兩段鋁型材折彎組成框架。方位圓軌道分為上下兩層，每層由８段４５°軌道拼接而成，每段軌道均是熱成型開模制成。天頂圓導(dǎo)向軌道與方位圓軌道上均刻有刻度，可以直接讀取當(dāng)前光譜儀所在位置的天頂角與方位角。兩軌道上還固定有鏈條，用于與鏈輪配合傳遞電機(jī)動(dòng)力。

天頂移動(dòng)平臺(tái)與方位移動(dòng)平臺(tái)均由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其上安裝有滑輪，可在軌道上自由滑動(dòng)。直流伺服電機(jī)輸出的動(dòng)力首先經(jīng)由蝸輪蝸桿減速器傳給鏈輪軸，鏈輪軸上安裝有鏈輪，鏈輪與固定在軌道上的鏈條嚙合，最終為移動(dòng)平臺(tái)提供動(dòng)力，沿軌道運(yùn)動(dòng)。

在天頂機(jī)構(gòu)中還有擺桿框架與天頂桿框架。擺桿框架以轉(zhuǎn)軸為中心，沿天頂圓導(dǎo)向軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，其與天頂移動(dòng)平臺(tái)通過滑軌相連，滑塊在滑軌上的位移可以補(bǔ)償轉(zhuǎn)軸偏置的偏差以及機(jī)械加工造成的誤差。天頂桿框架安裝在擺桿框架頂部，用以攜帶光譜儀運(yùn)動(dòng)。如此設(shè)計(jì)可保證光譜儀的路徑是以轉(zhuǎn)軸為圓心，擺桿長為半徑的圓形軌跡，其軌跡與天頂圓導(dǎo)向軌道的圓度無關(guān)，這樣對(duì)天頂圓導(dǎo)向軌道的加工精度要求大大降低。

此外，為適應(yīng)野外復(fù)雜的地表狀況，在實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中添加有踢腳，可以調(diào)節(jié)支撐高度，以保證測(cè)量系統(tǒng)保持水平放置。在方位圓軌道底部還固定有萬向輪，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的短距離移動(dòng)，提高其環(huán)境適應(yīng)性。

２．２有限元力學(xué)分析

光譜儀安裝在天頂桿的末端。采用ＡＳＤ便攜式光譜儀，其自重約為３ ｋｇ。當(dāng)擺桿轉(zhuǎn)至極限位置即與鉛垂線夾角約為６０°時(shí)，光譜儀對(duì)天頂桿、擺桿的轉(zhuǎn)矩最大，會(huì)使天頂桿產(chǎn)生彎曲變形、使擺桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，直接影響到整個(gè)設(shè)備的測(cè)量精度，有必要對(duì)極限位置時(shí)多角度光譜信息采集系統(tǒng)天頂機(jī)構(gòu)中的天頂桿和擺桿進(jìn)行有限元力學(xué)分析，以確保天頂桿、擺桿強(qiáng)度滿足要求，并計(jì)算變形量。

多角度光譜信息采集系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，方位方向與天頂方向運(yùn)動(dòng)速度均較慢，而且光譜儀在工作狀態(tài)時(shí)，設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，故對(duì)天頂桿和擺桿的校核可采用靜力學(xué)分析。

天頂機(jī)構(gòu)由多個(gè)零件組合而成，在對(duì)天頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，部分零件比如一些擺桿間的連接件，對(duì)于整體強(qiáng)度的影響不大，為了簡(jiǎn)化模型，保證天頂桿與擺桿分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，只保留主要支撐零件，建立擺桿６０°時(shí)天頂機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，如圖４所示。忽略螺栓連接接觸面處的摩擦和相互滑動(dòng)，選擇接觸方式為ｂｏｎｅｄ，認(rèn)為其綁定在一起。采用５ ｍｍ網(wǎng)格劃分為８１ ０７６個(gè)網(wǎng)格單元，共有結(jié)點(diǎn)２２１ ７９５個(gè)。圖中Ａ為擺桿的固定端面，Ｂ為滑軌與擺桿連接處，使用螺栓連接，均作為固定端約束。Ｃ、Ｄ處安置光譜儀，光譜儀對(duì)每根天頂桿的作用力為１５ Ｎ，Ｅ、Ｆ處安裝配重，以減小天頂桿末端位移，配重為１ ｋｇ，故對(duì)Ｅ、Ｆ處施加的力分別為５ Ｎ（受力方向均垂直于天頂桿，此時(shí)為轉(zhuǎn)矩最大極限值）。

天頂機(jī)構(gòu)各部件均選用６０６３－Ｔ５鋁型材，其楊氏模量Ｅ＝６９ ＧＰａ，泊松比μ＝０．３３０，密度ρ＝２ ７００ ｋｇ／ｍ３。經(jīng)有限元分析，此過程中材料承受最大應(yīng)力為２６．３９４ ＭPａ，而６０６３－Ｔ５鋁型材許用應(yīng)力為２０５ ＭPａ［１０］，完全可以滿足要求。由圖４可見，其最大變形點(diǎn)在光譜儀安裝處，最大變形量約為８．８ ｍｍ。

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，天頂桿與擺桿實(shí)際變形量較計(jì)算值偏大，約為１０ ｍｍ。分析誤差來源，其主要由于有限元力學(xué)模型中忽略了各接觸面的相對(duì)位移量，而在實(shí)際測(cè)試過程中，運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)等因素會(huì)使一些螺栓松動(dòng)，影響到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

２．３誤差分析

多角度光譜信息采集系統(tǒng)觀測(cè)范圍是直徑為４ ｍ的圓域，較為寬闊。ＡＳＤ光譜儀視場(chǎng)角為５°，所測(cè)范圍為一橢圓域。天頂桿最大變形處變形０．３３％。圖5為擺桿60°時(shí)光譜儀的視場(chǎng)。

光譜儀轉(zhuǎn)動(dòng)半徑ｘ＝２ ｍ，半視場(chǎng)角α＝５°／２＝２．５°，極限位置角度β＝６０°，極限位置高度ｈ＝２×ｓｉｎ３０°＝１ ｍ。

ｚ＋ｗ＝ｈ·ｔａｎ（β＋α）

ｗ＝ｈ·ｔａｎβ

ｚ＝ｈ·［ｔａｎ（β＋α）－ｔａｎβ］＝１×［ｔａｎ（６０°＋２．５°）－ｔａｎ６０°］＝０．１８９ ｍ＝１８．９ ｃｍ

ｙ＝ｘ·ｔａｎα＝２×ｔａｎ２．５＝０．０８７ ｍ＝８．７ ｃｍ

即在不考慮變形的條件下，對(duì)于垂直目標(biāo)，要求其觀測(cè)范圍是半徑不小于８．７ ｃｍ的圓域。在正負(fù)６０°極限位置，考慮到對(duì)稱性，為了安全起見，則要求觀測(cè)范圍是半徑不小于１８．９ ｃｍ的圓域。

考慮到天頂桿ε＝１０ ｍｍ的變形量，光譜儀實(shí)際觀測(cè)位置會(huì)比理論位置偏低，對(duì)觀測(cè)目標(biāo)要求范圍更大。

ε２＝ｘ２＋ｘ２－２ｃｏｓθ·ｘ·ｘ即θ＝０．２９°

實(shí)際位置處光譜儀所在極限角度β′＝β＋θ＝６０．２９°；光譜儀所在高度ｈ′＝ｘ·ｓｉｎ（９０－β′）＝０．９９ ｍ；光譜儀視場(chǎng)角不變，α′＝α＝２．５°。

ｚ′＝ｈ′·［ｔａｎ（β′＋α′）－ｔａｎβ′］＝０．９９×［ｔａｎ（６０．２９°＋２．５°）－ｔａｎ６０．２９°］＝０．１９２ ｍ＝１９．２ ｃｍ

由此可見，考慮到天頂桿最大變形量，光譜儀對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)范圍要求是半徑不小于１９．２ ｃｍ的圓域，比理論觀測(cè)面積要求增加３％。在實(shí)際觀測(cè)中，觀測(cè)目標(biāo)范圍一般較大，遠(yuǎn)大于半徑１９．２ ｃｍ的圓域，足以保證光譜儀觀測(cè)視場(chǎng)不超出觀測(cè)目標(biāo)范圍。所以天頂桿的此變形量不影響光譜儀的正常觀測(cè)，可以接受。

３多角度光譜信息采集系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

多角度光譜信息采集系統(tǒng)的自動(dòng)控制為試驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集帶來了很多便利［１１］，其控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。

３．１硬件系統(tǒng)

如圖６所示，硬件控制系統(tǒng)由２４ Ｖ蓄電池供電，２４ Ｖ電壓作為輸入經(jīng)由電源模塊轉(zhuǎn)為１２、５、２４ Ｖ三路輸出。其中１２ Ｖ輸出為無線遙控接收器供電，８鍵無線遙控器通過射頻控制接收器上的８?jìng)€(gè)繼電器，繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給單片機(jī)，在單片機(jī)的執(zhí)行程序中判斷接收到的電信號(hào)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作程序，控制兩路電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式有速度型與步進(jìn)型兩種，速度型模式下電機(jī)可按照指定速度指定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)型模式下電機(jī)不僅可按指定速度指定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，還可以設(shè)定指定轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

５ Ｖ輸出為主控板供電，主控板核心處理器為ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機(jī)，它可接收各傳感器的輸入信號(hào)并處理各信號(hào)，按照信號(hào)要求執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序。其與控制平臺(tái)軟件，通過串口通信傳遞數(shù)據(jù)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機(jī)。

２４ Ｖ輸出為兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器１、２分別接收主控板發(fā)來的ＩＤ、命令字和數(shù)據(jù)，通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)精準(zhǔn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向與轉(zhuǎn)數(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器１、２可檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)軸的角位移以及旋轉(zhuǎn)方向，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)返還給驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)控制，精度較高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機(jī)，額定電壓２４ Ｖ，額定功率１５０ Ｗ，配有１∶１２減速頭，裝有ＨＥＤＬ－５５４０型５００線編碼器。

ＡＳＤ光譜儀自帶蓄電池，無需外部供電。電機(jī)１、２不同的運(yùn)動(dòng)方式帶給采集系統(tǒng)多種觀測(cè)模式，可完成全部的觀測(cè)流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

３．２軟件系統(tǒng)

多角度光譜信息采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括控制平臺(tái)軟件與單片機(jī)執(zhí)行程序。

多角度光譜信息采集系統(tǒng)（圖7）的控制平臺(tái)基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)運(yùn)行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統(tǒng)的觀測(cè)模式并輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在控制平臺(tái)中還可以調(diào)用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲(chǔ)、讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)觀測(cè)地經(jīng)緯度、觀測(cè)時(shí)間計(jì)算主平面位置、熱點(diǎn)位置等準(zhǔn)備工作均可在控制平臺(tái)中完成。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量的需要，在多角度光譜信息采集系統(tǒng)的上位機(jī)控制平臺(tái)中，設(shè)計(jì)有３種模式，分別為自主遙控觀測(cè)模式、半自動(dòng)觀測(cè)模式與全自動(dòng)觀測(cè)模式。在半自動(dòng)與全自動(dòng)觀測(cè)模式中，提供有運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的輸入界面，用戶可根據(jù)需要在此輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，滿足不同的觀測(cè)需求。

在單片機(jī)執(zhí)行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機(jī)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。之后按照選定模式的運(yùn)動(dòng)方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)按照不同的運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)轉(zhuǎn)。

自主遙控觀測(cè)模式無需輸入任何運(yùn)動(dòng)參數(shù)，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運(yùn)動(dòng)。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方向；４、５鍵用于控制方位的運(yùn)動(dòng)方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進(jìn)入速度模式，當(dāng)再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）運(yùn)動(dòng)，松開則停止；７鍵用于選擇步進(jìn)模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）行走一個(gè)步進(jìn)角。步進(jìn)角度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

半自動(dòng)模式按照觀測(cè)需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度。方位移動(dòng)平臺(tái)首先按照方位運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行至初始方位角，在此方位上，天頂移動(dòng)平臺(tái)從初始天頂角按照天頂角步長運(yùn)行至終止天頂角，每行走一個(gè)步長，光譜儀進(jìn)行一次測(cè)量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數(shù)據(jù)的采集。

全自動(dòng)模式下輸入主平面位置、熱點(diǎn)位置、天頂角步長、方位角步長、熱點(diǎn)鄰域天頂角步長、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)后，多角度光譜信息采集系統(tǒng)將全自動(dòng)運(yùn)行。首先運(yùn)行至主平面位置，在主平面上進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)進(jìn)入熱點(diǎn)范圍，天頂角步長減少，測(cè)量數(shù)據(jù)加密。之后到下一方位角進(jìn)行觀測(cè)，直至采集完全部數(shù)據(jù)。

４結(jié)論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測(cè)量將得到更多的應(yīng)用。多角度光譜信息采集系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝運(yùn)輸方便、測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)無陰影、操控容易、模式多樣、自動(dòng)化程度高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)地多角度測(cè)量的多種觀測(cè)需求，其發(fā)展空間較大，擁有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 趙春江．用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，２００６（２２）：１０４－１０８．

［２］ ＣＩＥＲＮＩＥＷＳＫＩ Ｊ， ＧＤＡＬＡ Ｔ， ＫＡＲＮＩＥＬＩ Ａ． Ａ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ａｎｄ ｕｎｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ｂａｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００４，９０（４）：５０５－５２３．

［３］ 李小文，王錦地．植被光學(xué)遙感模型和植被結(jié)構(gòu)參數(shù)化［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，１９９５．

［４］ ＪＡＭＥＳ Ｒ． Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅflｅｃｔａｎｃｅ： Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｗｉｔｈ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ［Ｄ］． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４．

［５］ ＣＯＢＵＲＮ Ｃ Ａ， ＰＥＤＤＬＥ Ｄ Ｒ． Ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ［Ｊ］． Canadian Jorunal of Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００６，３２（3）：２４４－２５３．

［６］ 齊超．植被雙向反射分布函數(shù)的模型及其發(fā)展［Ｊ］．光學(xué)技術(shù)，２００７（３３）：４８７－４９３．

［７］ ＫＩＭＥＳ Ｄ Ｓ， ＫＩＲＣＨＮＥＲ Ｊ Ａ，ＮＥＷＣＯＭＢ Ｗ Ｗ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｎｅａｒｂｙ ｏｂｊｅｃｔｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９８３，２２（1）：８－１０．

［８］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＲＯＬＬＩＮ Ｅ Ｍ， ＥＭＥＲＹ Ｄ Ｒ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ａ］． ＤＡＮＳＯＮ Ｆ Ｍ， ＰＬＵＭＭＥＲ Ｓ Ｅ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｃ］．ＵＳＡ：Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ．，１９９５．

［９］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＳＣＨＡＥＰＭＡＮ Ｍ Ｅ， ＡＮＤＥＲＳＯＮ Ｋ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００９，１１３（1）：９３－９９．

［１０］ 王文斌．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版（第一卷）［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，２００７．

［１１］ 劉承香，阮雙琛，黃貴明，等． 多光源多角度自動(dòng)采集系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)［Ｊ］． 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，２００９（６）：９－１１．

５ Ｖ輸出為主控板供電，主控板核心處理器為ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機(jī)，它可接收各傳感器的輸入信號(hào)并處理各信號(hào)，按照信號(hào)要求執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序。其與控制平臺(tái)軟件，通過串口通信傳遞數(shù)據(jù)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機(jī)。

２４ Ｖ輸出為兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器１、２分別接收主控板發(fā)來的ＩＤ、命令字和數(shù)據(jù)，通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)精準(zhǔn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向與轉(zhuǎn)數(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器１、２可檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)軸的角位移以及旋轉(zhuǎn)方向，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)返還給驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)控制，精度較高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機(jī)，額定電壓２４ Ｖ，額定功率１５０ Ｗ，配有１∶１２減速頭，裝有ＨＥＤＬ－５５４０型５００線編碼器。

ＡＳＤ光譜儀自帶蓄電池，無需外部供電。電機(jī)１、２不同的運(yùn)動(dòng)方式帶給采集系統(tǒng)多種觀測(cè)模式，可完成全部的觀測(cè)流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

３．２軟件系統(tǒng)

多角度光譜信息采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括控制平臺(tái)軟件與單片機(jī)執(zhí)行程序。

多角度光譜信息采集系統(tǒng)（圖7）的控制平臺(tái)基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)運(yùn)行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統(tǒng)的觀測(cè)模式并輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在控制平臺(tái)中還可以調(diào)用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲(chǔ)、讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)觀測(cè)地經(jīng)緯度、觀測(cè)時(shí)間計(jì)算主平面位置、熱點(diǎn)位置等準(zhǔn)備工作均可在控制平臺(tái)中完成。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量的需要，在多角度光譜信息采集系統(tǒng)的上位機(jī)控制平臺(tái)中，設(shè)計(jì)有３種模式，分別為自主遙控觀測(cè)模式、半自動(dòng)觀測(cè)模式與全自動(dòng)觀測(cè)模式。在半自動(dòng)與全自動(dòng)觀測(cè)模式中，提供有運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的輸入界面，用戶可根據(jù)需要在此輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，滿足不同的觀測(cè)需求。

在單片機(jī)執(zhí)行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機(jī)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。之后按照選定模式的運(yùn)動(dòng)方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)按照不同的運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)轉(zhuǎn)。

自主遙控觀測(cè)模式無需輸入任何運(yùn)動(dòng)參數(shù)，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運(yùn)動(dòng)。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方向；４、５鍵用于控制方位的運(yùn)動(dòng)方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進(jìn)入速度模式，當(dāng)再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）運(yùn)動(dòng)，松開則停止；７鍵用于選擇步進(jìn)模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）行走一個(gè)步進(jìn)角。步進(jìn)角度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

半自動(dòng)模式按照觀測(cè)需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度。方位移動(dòng)平臺(tái)首先按照方位運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行至初始方位角，在此方位上，天頂移動(dòng)平臺(tái)從初始天頂角按照天頂角步長運(yùn)行至終止天頂角，每行走一個(gè)步長，光譜儀進(jìn)行一次測(cè)量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數(shù)據(jù)的采集。

全自動(dòng)模式下輸入主平面位置、熱點(diǎn)位置、天頂角步長、方位角步長、熱點(diǎn)鄰域天頂角步長、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)后，多角度光譜信息采集系統(tǒng)將全自動(dòng)運(yùn)行。首先運(yùn)行至主平面位置，在主平面上進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)進(jìn)入熱點(diǎn)范圍，天頂角步長減少，測(cè)量數(shù)據(jù)加密。之后到下一方位角進(jìn)行觀測(cè)，直至采集完全部數(shù)據(jù)。

４結(jié)論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測(cè)量將得到更多的應(yīng)用。多角度光譜信息采集系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝運(yùn)輸方便、測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)無陰影、操控容易、模式多樣、自動(dòng)化程度高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)地多角度測(cè)量的多種觀測(cè)需求，其發(fā)展空間較大，擁有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 趙春江．用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，２００６（２２）：１０４－１０８．

［２］ ＣＩＥＲＮＩＥＷＳＫＩ Ｊ， ＧＤＡＬＡ Ｔ， ＫＡＲＮＩＥＬＩ Ａ． Ａ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ａｎｄ ｕｎｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ｂａｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００４，９０（４）：５０５－５２３．

［３］ 李小文，王錦地．植被光學(xué)遙感模型和植被結(jié)構(gòu)參數(shù)化［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，１９９５．

［４］ ＪＡＭＥＳ Ｒ． Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅflｅｃｔａｎｃｅ： Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｗｉｔｈ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ［Ｄ］． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４．

［５］ ＣＯＢＵＲＮ Ｃ Ａ， ＰＥＤＤＬＥ Ｄ Ｒ． Ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ［Ｊ］． Canadian Jorunal of Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００６，３２（3）：２４４－２５３．

［６］ 齊超．植被雙向反射分布函數(shù)的模型及其發(fā)展［Ｊ］．光學(xué)技術(shù)，２００７（３３）：４８７－４９３．

［７］ ＫＩＭＥＳ Ｄ Ｓ， ＫＩＲＣＨＮＥＲ Ｊ Ａ，ＮＥＷＣＯＭＢ Ｗ Ｗ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｎｅａｒｂｙ ｏｂｊｅｃｔｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９８３，２２（1）：８－１０．

［８］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＲＯＬＬＩＮ Ｅ Ｍ， ＥＭＥＲＹ Ｄ Ｒ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ａ］． ＤＡＮＳＯＮ Ｆ Ｍ， ＰＬＵＭＭＥＲ Ｓ Ｅ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｃ］．ＵＳＡ：Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ．，１９９５．

［９］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＳＣＨＡＥＰＭＡＮ Ｍ Ｅ， ＡＮＤＥＲＳＯＮ Ｋ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００９，１１３（1）：９３－９９．

［１０］ 王文斌．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版（第一卷）［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，２００７．

［１１］ 劉承香，阮雙琛，黃貴明，等． 多光源多角度自動(dòng)采集系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)［Ｊ］． 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，２００９（６）：９－１１．

５ Ｖ輸出為主控板供電，主控板核心處理器為ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機(jī)，它可接收各傳感器的輸入信號(hào)并處理各信號(hào)，按照信號(hào)要求執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序。其與控制平臺(tái)軟件，通過串口通信傳遞數(shù)據(jù)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機(jī)。

２４ Ｖ輸出為兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器１、２分別接收主控板發(fā)來的ＩＤ、命令字和數(shù)據(jù)，通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)精準(zhǔn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向與轉(zhuǎn)數(shù)。旋轉(zhuǎn)編碼器１、２可檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)軸的角位移以及旋轉(zhuǎn)方向，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)返還給驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)控制，精度較高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機(jī)，額定電壓２４ Ｖ，額定功率１５０ Ｗ，配有１∶１２減速頭，裝有ＨＥＤＬ－５５４０型５００線編碼器。

ＡＳＤ光譜儀自帶蓄電池，無需外部供電。電機(jī)１、２不同的運(yùn)動(dòng)方式帶給采集系統(tǒng)多種觀測(cè)模式，可完成全部的觀測(cè)流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

３．２軟件系統(tǒng)

多角度光譜信息采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括控制平臺(tái)軟件與單片機(jī)執(zhí)行程序。

多角度光譜信息采集系統(tǒng)（圖7）的控制平臺(tái)基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)運(yùn)行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統(tǒng)的觀測(cè)模式并輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在控制平臺(tái)中還可以調(diào)用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲(chǔ)、讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)觀測(cè)地經(jīng)緯度、觀測(cè)時(shí)間計(jì)算主平面位置、熱點(diǎn)位置等準(zhǔn)備工作均可在控制平臺(tái)中完成。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量的需要，在多角度光譜信息采集系統(tǒng)的上位機(jī)控制平臺(tái)中，設(shè)計(jì)有３種模式，分別為自主遙控觀測(cè)模式、半自動(dòng)觀測(cè)模式與全自動(dòng)觀測(cè)模式。在半自動(dòng)與全自動(dòng)觀測(cè)模式中，提供有運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的輸入界面，用戶可根據(jù)需要在此輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，滿足不同的觀測(cè)需求。

在單片機(jī)執(zhí)行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機(jī)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。之后按照選定模式的運(yùn)動(dòng)方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)按照不同的運(yùn)動(dòng)模式運(yùn)轉(zhuǎn)。

自主遙控觀測(cè)模式無需輸入任何運(yùn)動(dòng)參數(shù)，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運(yùn)動(dòng)。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方向；４、５鍵用于控制方位的運(yùn)動(dòng)方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進(jìn)入速度模式，當(dāng)再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）運(yùn)動(dòng)，松開則停止；７鍵用于選擇步進(jìn)模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動(dòng)平臺(tái)（方位移動(dòng)平臺(tái)）行走一個(gè)步進(jìn)角。步進(jìn)角度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

半自動(dòng)模式按照觀測(cè)需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度。方位移動(dòng)平臺(tái)首先按照方位運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行至初始方位角，在此方位上，天頂移動(dòng)平臺(tái)從初始天頂角按照天頂角步長運(yùn)行至終止天頂角，每行走一個(gè)步長，光譜儀進(jìn)行一次測(cè)量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數(shù)據(jù)的采集。

全自動(dòng)模式下輸入主平面位置、熱點(diǎn)位置、天頂角步長、方位角步長、熱點(diǎn)鄰域天頂角步長、天頂運(yùn)動(dòng)速度、方位運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)后，多角度光譜信息采集系統(tǒng)將全自動(dòng)運(yùn)行。首先運(yùn)行至主平面位置，在主平面上進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)進(jìn)入熱點(diǎn)范圍，天頂角步長減少，測(cè)量數(shù)據(jù)加密。之后到下一方位角進(jìn)行觀測(cè)，直至采集完全部數(shù)據(jù)。

４結(jié)論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測(cè)量將得到更多的應(yīng)用。多角度光譜信息采集系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝運(yùn)輸方便、測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)無陰影、操控容易、模式多樣、自動(dòng)化程度高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)地多角度測(cè)量的多種觀測(cè)需求，其發(fā)展空間較大，擁有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 趙春江．用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，２００６（２２）：１０４－１０８．

［２］ ＣＩＥＲＮＩＥＷＳＫＩ Ｊ， ＧＤＡＬＡ Ｔ， ＫＡＲＮＩＥＬＩ Ａ． Ａ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ａｎｄ ｕｎｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ ｂａｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００４，９０（４）：５０５－５２３．

［３］ 李小文，王錦地．植被光學(xué)遙感模型和植被結(jié)構(gòu)參數(shù)化［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，１９９５．

［４］ ＪＡＭＥＳ Ｒ． Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅflｅｃｔａｎｃｅ： Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｗｉｔｈ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ［Ｄ］． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４．

［５］ ＣＯＢＵＲＮ Ｃ Ａ， ＰＥＤＤＬＥ Ｄ Ｒ． Ａ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ［Ｊ］． Canadian Jorunal of Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００６，３２（3）：２４４－２５３．

［６］ 齊超．植被雙向反射分布函數(shù)的模型及其發(fā)展［Ｊ］．光學(xué)技術(shù)，２００７（３３）：４８７－４９３．

［７］ ＫＩＭＥＳ Ｄ Ｓ， ＫＩＲＣＨＮＥＲ Ｊ Ａ，ＮＥＷＣＯＭＢ Ｗ Ｗ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｎｅａｒｂｙ ｏｂｊｅｃｔｓ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，１９８３，２２（1）：８－１０．

［８］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＲＯＬＬＩＮ Ｅ Ｍ， ＥＭＥＲＹ Ｄ Ｒ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ａ］． ＤＡＮＳＯＮ Ｆ Ｍ， ＰＬＵＭＭＥＲ Ｓ Ｅ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｃ］．ＵＳＡ：Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ．，１９９５．

［９］ ＭＩＬＴＯＮ Ｅ Ｊ， ＳＣＨＡＥＰＭＡＮ Ｍ Ｅ， ＡＮＤＥＲＳＯＮ Ｋ， ｅｔ ａｌ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００９，１１３（1）：９３－９９．

［１０］ 王文斌．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版（第一卷）［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，２００７．

［１１］ 劉承香，阮雙琛，黃貴明，等． 多光源多角度自動(dòng)采集系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)［Ｊ］． 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，２００９（６）：９－１１．