專利名稱：室內光譜觀測三維載物臺及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于高光譜、多光譜及其他光譜儀在室內觀測固體物質光譜時載放觀測物的三維載物臺，還涉及一種室內光譜觀測三維載物臺的應用。
背景技術：
在光譜地學應用中，地物光譜特征是地物信息直接提取的基礎，是不同尺度遙感監測依據，而室內光譜觀測是地物光譜特征研究根本，室內光譜觀測的可靠性對不同尺度遙感地物監測精度具有明顯的影響。長期以來，室內光譜觀測“載物臺”的形狀乃至功能一直都是采用傳統的方式，一成不變，即圓柱狀或其他形狀的鐵質上頂有一個平整平面，表體黑色的“載物臺”或用黑色物質包裹，對觀測物沒有做任何固定和相對“載物臺”的量化。因此在光譜的觀測過程中， 由于觀測物的移動或轉動，或者重復測定時很難準確地找到原來觀測的視場范圍，從而存在著所觀測到的光譜數據，具有很差的穩定性和很低的重復性等方面的問題。尤其，隨著光譜儀的光譜分辨率及噪信比不斷提高，光譜特征對觀測物方位和觀測視場角范圍確定的要求越來越明顯，另外，定量遙感研究的不斷深入，室內光譜的觀測要求對觀測物的特征進行不斷的量化，特別是不平整薄片固體。作為遙感無疑大大增加了觀測得到光譜數據的可靠性，為大尺度遙感監測服務。但到目前為止，室內光譜觀測三維載物臺開發研究還未曾報道。

發明內容
本發明針對現有的用于室內光譜測定中對固體觀測物進行三維定位的光譜載物臺，在光譜的觀測過程中，由于觀測物的移動或轉動，或者重復測定時很難準確地找到原來觀測的視場范圍，從而存在著所觀測到的光譜數據，具有很差的穩定性和很低的重復性等方面的問題，提供一種可以提高在同一光譜觀測組中的光譜數據的穩定性，也可以提高不同觀察組中同對象的觀測光譜數據的可重復性的室內光譜三維載物臺，以及利用室內光譜三維載物臺的使用方法。一種室內光譜觀測三維載物臺，包括載物區、升降區和平移區，其特征在于所述的載物區由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作臺組成，實現載放光譜觀測物和探頭視場角個數的量化；所述的升降區由剪式升降臺、直連接支架組成，實現觀測物垂直方向上量化；所述的平移區由左右平移臺、前后平移臺組成，在光譜觀測過程中進行水平的定量平移，結合所述的載物區實現觀測物水平方向量化；所述的載物區、升降區、平移區區域之間的連接方式如下所有平面石英玻璃I、 石英玻璃II、石英玻璃支架、工作臺、剪式升降臺、左右平移臺和前后平移臺上面和下面均為較高要求平整平面，且這些部件平面水平放置，且其重心在垂直與水平面的一條連線上； 石英玻璃I、石英玻璃II水平插入石英玻璃支架的兩條上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃 I在上，石英玻璃II在下；之后直連接支架四根支架頂端與載物區底部四角垂直連接，所述左右平移臺上面四角與直連接支架四根支架底端垂直相連；剪式升降臺上頂面和工作臺下底面平行相連，與左右平移臺上面平行相連；左右平移臺下面與前后平移臺上面平行連接， 但在左右平移臺和前后平移臺軸線是相互在垂直。所述的構建部分載物區，包括以下(I)石英玻璃I :方形厚度非常均一，透視性好，不要求其他較高光學屬性的石英玻璃；在石英玻璃I上表面打有標準方格，突出中心位置；從三維載物臺的俯視方向上，利用石英玻璃I上表面的標準方格透過石英玻璃II對觀測物進行光譜觀測面量化，并確定光譜采樣點位置；(2)石英玻璃II :方形厚度非常均一，在350nm-2500nm波段光透射率不能低于 99%的石英玻璃；石英玻璃II與工作臺固定光譜觀測物的主平面，也可以通過剪式升降臺垂直移動工作臺實現壓平薄膜狀的觀測物表面；(3)石英玻璃支架是外框長方形和內框長方形的石英玻璃支架，在內壁深洗有兩個水平方向的石英玻璃鑲嵌固定槽，三位載物臺正視長近端洗透，觀測光譜時便于石英玻璃I取出；近端上下各有兩個鎖緊螺釘，在確定光譜采樣點和觀測光譜時固定石英玻璃I 和石英玻璃II;(4)工作臺是載放光譜觀測物的平臺，為方形直連接支架厚度均一，水平連接在升降臺頂部；工作臺的表面是由一層對光的反射率小于O. 5%薄膜包裹；在正視工作臺近端左端下方安裝垂直方向的高度指針，與直連接支架中帶有刻度的支架量化觀測物的垂直高度和薄膜觀測物的壓平程度。所述的構建部分升降區中升降區，包括以下I)剪式升降臺與工作臺連接垂直移動觀測物；2)直連接支架是載物區與平移區的四根垂直連接支架，其中在正視左側的一根上標有標準單位的刻度，可以量化垂直方向的高度。所述的構建部分平移區中升降臺區，包括以下①左右平移臺材質為不銹鋼可正視左右平移的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區對觀測物水平面左右進行量化。②前后平移臺材質為不銹鋼可正視前后平移的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區對觀測物水平面前后進行量化。所述的剪式升降臺設有高度調節器和高度鎖緊。除石英玻璃I、石英玻璃II部分外其他部件表面均為氧化發黑表面，減少反射散射影響。一種室內光譜觀測三維載物臺的應用，特別可用于室內植物葉片高光譜特征測定，所述的應用按以下步驟進行i植物葉片在工作臺的載放葉片的中心位置為葉片的最寬處的連線與主葉脈相交點，從工作臺正上方俯視，透過石英玻璃II確定葉片的中心位置與石英玻璃I的中心位置重合；葉柄在工作臺近端，主脈與前后方向通過石英玻璃I的中心位置的刻度線近似重合； 葉片壓平旋動剪式升降臺上的高度調節器，使工作臺和石英玻璃II壓平葉片， 達到工作臺上的指定高度；在不平整葉片，可以通過工作臺和石英玻璃II兩個平面固定葉片并記錄聞;
iii葉片光譜采樣點確定采用FIELD SPEC3光譜儀，帶有特定視場角探頭垂直探測，視場角范圍特定的直徑圓面；為了消除邊緣效應，取除葉片周邊最外的標準方格；取葉片最大葉面積的長方形的對角線為光譜采樣點軌跡(除去兩端方格)，并記錄含有主脈取樣點個數；iv葉片光譜采樣點確定利用左右平移臺和前后平移臺將探頭對準采樣線點一段， 抽出石英玻璃I，并進行光譜測定，其他采樣線點的光譜采樣，利用采樣點對應的方格數，直接用左右平移臺、前后平移臺平移相應的單位長度，并光譜采樣記錄；V獲取光譜反射率的校正由于石英玻璃II在獲取光譜的過程中參與光的輻射傳輸，因此需要校正光譜反射率，具體公式如下R=RJ(R1-R0VQ-R0)其中R表示校正后的光譜；RS表示儀器本身的校正率況表示實際測定的反射率； Rtl表示環境反射率。本發明的有益效果是室內光譜觀測三維載物臺與配套使用方法是針對由觀測物體表面有紋理和不平整特征引起觀測光譜的不穩定性，能夠對觀測物表面進行三維定量， 提高光譜觀測的重復性和穩定性的一種室內光譜觀測載物臺。


圖I為本發明室內光譜觀測三維載物臺主視2為室內光譜觀測三維載物臺俯視3為室內光譜觀測三維載物臺側視4為室內光譜觀測三維載物臺正視5為植物葉片轉動對光譜的影響；其中圖中①②③表示三種不同葉片轉動條件，其他實驗條件相同②③圖標中各有三個小圖標，每個小圖標分別是由上、下和右組成。上是從載物臺上方的俯視圖，其中黑色虛線代表葉片主脈的方向，與俯視平面縱軸夾角分別是0°、30°和45° ;下是葉片平放時自然特征；右是小圖標下的自然高度測量器，高度指針都在95mm處圖6為植物葉片平整性對光譜的影響；其中圖中①②③④表示三種不同葉片平整條件，其他實驗條件相同；①②③④圖標中各有四個小圖標，與圖5中表示的方式相同，葉片通過壓平葉片的程度表示葉片的平整性，①②③④分別在95mm、111mm、IOOmm和105mm高度指針處。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明參照附圖實施例I室內光譜觀測三維載物臺的構建一種室內光譜觀測三維載物臺，包括載物區I、升降區2和平移區3，所述的載物區 I由石英玻璃111、石英玻璃1112、石英玻璃支架13和工作臺14組成，實現載放光譜觀測物和探頭視場角個數的量化；所述的升降區2由剪式升降臺21、直連接支架22組成，實現觀測物垂直方向上量化；所述的平移區3由左右平移臺31、前后平移臺32組成，在光譜觀測過程中進行水平的定量平移，結合所述的載物區I實現觀測物水平方向量化(見圖I);所述的載物區I、升降區2、平移區3區域之間的連接方式如下所有平面石英玻璃 111、石英玻璃1112、石英玻璃支架13、工作臺14、剪式升降臺21、左右平移臺31和前后平移臺32上面和下面均為較高要求平整平面，且這些部件平面水平放置，且其重心在垂直與水平面的一條連線上；石英玻璃111、石英玻璃1112水平插入石英玻璃支架13的兩條上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃111在上，石英玻璃II12在下；之后直連接支架四根支架頂端與載物區I底部四角垂直連接，所述左右平移臺31上面四角與直連接支架22四根支架底端垂直相連；剪式升降臺21上頂面和工作臺14下底面平行相連，與左右平移臺31上面平行相連；左右平移臺31下面與前后平移臺32上面平行連接，但在左右平移臺31和前后平移臺32軸線是相互在垂直。所述的構建部分載物區，包括以下(I)石英玻璃111 :130mmX 130mm的正方形方形、厚度為I. 8mm且非常均一,透視性好，不要求其他較高光學屬性的石英玻璃；在石英玻璃Ill上表面打有4_X4mm標準方格，突出中心位置；從三維載物臺的俯視方向上，利用石英玻璃Ill上表面的標準方格透過石英玻璃II對觀測物進行光譜觀測面量化，并確定光譜采樣點位置(見圖2);(2)石英玻璃1112 130mmX 130mm方形、厚度為I. 8mm且非常均一，在 350nm-2500nm波段光透射率不能低于99%的石英玻璃；石英玻璃II12與工作臺14固定光譜觀測物的主平面，也可以通過剪式升降臺21垂直移動工作臺14實現壓平薄膜狀的觀測物表面(見圖4)；(3)石英玻璃支架13 :是外框158_X 170mm長方形和內框128_X 128mm長方形的石英玻璃支架，厚度為28nm,在厚度自下而上6mm處和19mm處，車床內框3mm寬、3mm深洗有兩個水平方向的石英玻璃鑲嵌固定槽，三位載物臺正視長近端洗透，觀測光譜時便于石英玻璃Ill取出；近端上下各有兩個鎖緊螺釘，在確定光譜采樣點和觀測光譜時固定石英玻璃Ill和石英玻璃1112(見圖4)；(4)工作臺14 :是載放光譜觀測物的平臺，為128mmX 128mm的方形直連接支架， 厚度為12mm且均一，水平連接在升降臺頂部；工作臺的表面是由一層對光的反射率小于
O.5%薄膜包裹，薄膜厚度為2mm;在正視工作臺近端左端下方安裝垂直方向的高度指針 141，與直連接支架22中帶有刻度的支架量化觀測物的垂直高度和薄膜觀測物的壓平程度 (見圖4)。所述的構建部分升降區中升降區2，包括以下I)剪式升降臺21 :與工作臺14連接垂直移動觀測物，材質為不銹鋼可升降54mm;2)直連接支架22 :是直徑為10臟，高度為120mm的與載物區I、平移區3的四根垂直連接支架，其中在正視左側的一根上標有標準單位的刻度，可以量化垂直方向的高度。所述的構建部分平移區中升降臺區，包括以下①左右平移臺31 :材質為不銹鋼可正視左右平移90mm的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區I對觀測物水平面左右進行量化(見圖4);②前后平移臺32 :材質為不銹鋼可正視前后平移90mm的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區I對觀測物水平面前后進行量化(見圖3)。所述的剪式升降臺21設有高度調節器211和高度鎖緊212。
除石英玻璃111、石英玻璃1112部分外其他部件表面均為氧化發黑表面，減少反射散射影響。實施例2植物葉片高光譜測定一種室內光譜觀測三維載物臺的使用方法，特別可用于室內植物葉片高光譜特征測定，所述的方法包括i植物葉片在工作臺的載放葉片的中心位置為葉片的最寬處的連線與主葉脈相交點，從工作臺正上方俯視，透過石英玻璃II確定葉片的中心位置與石英玻璃I的中心位置重合；葉柄在工作臺近端，主脈與前后方向通過石英玻璃I的中心位置的刻度線近似重合； 葉片壓平旋動剪式升降臺上的高度調節器，使工作臺和石英玻璃II壓平葉片， 達到工作臺上的指定高度；在不平整葉片，可以通過工作臺和石英玻璃II兩個平面固定葉片并記錄聞;iii葉片光譜采樣點確定采用FIELD SPEC3光譜儀，帶有8°視場角探頭垂直探測，3. 75mm視場角范圍的直徑圓面，光源為50w鹵燈，距觀測點40cm，天頂角50° (光源輻射到觀測物的光線與載物臺平面40°夾角)；利用室內光譜觀測三維載物臺，對葉片近軸面進行光譜采樣點選擇(距葉片中心位置左2前3標準方格4_X4_相交點為光譜采樣點)；取葉片最大葉面積的長方形的對角線為光譜采樣點軌跡(除去兩端方格)，并記錄含有主脈取樣點個數；iv葉片光譜采樣點確定利用左右平移臺和前后平移臺將探頭對準采樣線點一段， 抽出石英玻璃I，并進行光譜測定，其他采樣線點的光譜采樣，利用采樣點對應的方格數，直接用左右平移臺、前后平移臺平移相應的單位長度，并光譜采樣記錄；V獲取光譜反射率的校正由于石英玻璃II在獲取光譜的過程中參與光的福射傳輸，因此需要校正光譜反射率，具體公式如下R = Rs*(R「R0)/(l-R0)其中R表示校正后的光譜；RS表示儀器本身的校正率況表示實際測定的反射率； Rtl表示環境反射率。實施例3不同轉動對光譜的影響植物葉片轉動對光譜的影響(詳見圖5)，采用0°、30°和45°轉動角度(葉片主脈與俯視平面縱軸的夾角)，葉片平整，高度指針為95mm，其他光譜測定條件同實施例2。從圖5我們可以得到不同的轉動角度在350nm-2500nm之間的光譜特征均有影響， 完全體現了僅有不同葉片的方位角的變化引起了光譜特征的明顯差異，而我們在應用中涉及到干旱監測(利用水分特征波段)和植物生理生態探測(利用色素特征波段和細胞結構特征波段)都在圖5的影響范圍內，為提高實際運用中光譜可靠性，有必要在室內光譜觀測中進行對葉片的方位角進行定量，而室內光譜觀測三維載物臺的石英玻璃I帶有網格刻度，只要保持每次葉片主脈與俯視石英玻璃I平面縱軸重合就能確定葉片的方位，并在中推薦使用“主脈與俯視石英玻璃I平面縱軸重合”能夠得到更為明顯的反射光譜特征。實施例4不同平整性對光譜的影響植物葉片平整性對光譜的影響(詳見圖6),本研究過程中采用95mm、111mm、IOOmm 和105mm高度指針處表示葉片的不平整程度，葉片的方位角都葉片主脈與俯視平面縱軸的夾角為0°，其他光譜測定條件同實施例2。6/6頁從圖6我們可以得到不同的葉片不平整特征在350nm-2500nm之間的光譜特征同樣均有影響，也同樣完全表現出了僅有不同葉片的平整特征的變化引起了光譜特征的明顯差異，而室內光譜觀測三維載物臺的剪式升降臺可以使工作臺和石英玻璃II壓平他們之間的不平整葉片，其壓平的程度可以用直連接支架的高度指針來表示。并在“使用方法”中推薦使用“葉片壓平”觀測光譜，是因為不同環境條件的影響，使得葉片的能夠得到不同的葉片不平整性特征，這樣可以消除葉片不平整性引起的光譜差異，而不平整性程度的研究可以利用室內光譜觀測的三維載物臺和BRDF的耦合進行研究。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
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權利要求
1.一種室內光譜觀測三維載物臺，包括載物區、升降區和平移區，其特征在于所述的載物區由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作臺組成，實現載放光譜觀測物和探頭視場角個數的量化；所述的升降區由剪式升降臺、直連接支架組成，實現觀測物垂直方向上量化；所述的平移區由左右平移臺、前后平移臺組成，在光譜觀測過程中進行水平的定量平移，結合所述的載物區實現觀測物水平方向量化；所述的載物區、升降區、平移區區域之間的連接方式如下所有平面石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架、工作臺、剪式升降臺、左右平移臺和前后平移臺上面和下面均為較高要求平整平面，且這些部件平面水平放置，且其重心在垂直與水平面的一條連線上；石英玻璃I、石英玻璃II水平插入石英玻璃支架的兩條上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃I在上，石英玻璃II在下；之后直連接支架四根支架頂端與載物區底部四角垂直連接，所述左右平移臺上面四角與直連接支架四根支架底端垂直相連；剪式升降臺上頂面和工作臺下底面平行相連，與左右平移臺上面平行相連；左右平移臺下面與前后平移臺上面平行連接，但在左右平移臺和前后平移臺軸線是相互在垂直。
2.如權利要求I所述的室內光譜觀測三維載物臺，其特征在于所述的構建部分載物區，包括以下(1)石英玻璃I:方形厚度非常均一，透視性好，不要求其他較高光學屬性的石英玻璃； 在石英玻璃I上表面打有標準方格，突出中心位置；從三維載物臺的俯視方向上，利用石英玻璃I上表面的標準方格透過石英玻璃II對觀測物進行光譜觀測面量化，并確定光譜采樣點位置；(2)石英玻璃II:方形厚度非常均一，在350nm-2500nm波段光透射率不能低于99%的石英玻璃；石英玻璃II與工作臺固定光譜觀測物的主平面，也可以通過剪式升降臺垂直移動工作臺實現壓平薄膜狀的觀測物表面；(3)石英玻璃支架是外框長方形和內框長方形的石英玻璃支架，在內壁深洗有兩個水平方向的石英玻璃鑲嵌固定槽，三位載物臺正視長近端洗透，觀測光譜時便于石英玻璃I 取出；近端上下各有兩個鎖緊螺釘，在確定光譜采樣點和觀測光譜時固定石英玻璃I和石英玻璃II ;(4)工作臺是載放光譜觀測物的平臺，為方形直連接支架厚度均一，水平連接在升降臺頂部；工作臺的表面是由一層對光的反射率小于O. 5%薄膜包裹；在正視工作臺近端左端下方安裝垂直方向的高度指針，與直連接支架中帶有刻度的支架量化觀測物的垂直高度和薄膜觀測物的壓平程度。
3.如權利要求2所述的室內光譜觀測三維載物臺，其特征在于所述的構建部分升降區中升降區，包括以下1)剪式升降臺與工作臺連接垂直移動觀測物；2)直連接支架是載物區與平移區的四根垂直連接支架，其中在正視左側的一根上標有標準單位的刻度，可以量化垂直方向的高度。
4.如權利要求3所述的室內光譜觀測三維載物臺，其特征在于所述的構建部分平移區中升降臺區，包括以下①左右平移臺材質為不銹鋼可正視左右平移的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區對觀測物水平面左右進行量化。②前后平移臺材質為不銹鋼可正視前后平移的載重單軸平移臺。正視在平移臺側身可記錄平移距離，結合載物區對觀測物水平面前后進行量化。
5.如權利要求3所述的室內光譜觀測三維載物臺，其特征在于所述的剪式升降臺設有高度調節器和高度鎖緊。
6.如權利要求5所述的室內光譜觀測三維載物臺，其特征在于除石英玻璃I、石英玻璃II部分外其他部件表面均為氧化發黑表面，減少反射散射影響。
7.一種室內光譜觀測三維載物臺的應用，特別可用于室內植物葉片高光譜特征測定， 所述的應用按以下步驟進行i植物葉片在工作臺的載放葉片的中心位置為葉片的最寬處的連線與主葉脈相交點， 從工作臺正上方俯視，透過石英玻璃II確定葉片的中心位置與石英玻璃I的中心位置重合；葉柄在工作臺近端，主脈與前后方向通過石英玻璃I的中心位置的刻度線近似重合； 葉片壓平旋動剪式升降臺上的高度調節器，使工作臺和石英玻璃II壓平葉片，達到工作臺上的指定高度；在不平整葉片，可以通過工作臺和石英玻璃II兩個平面固定葉片并記錄聞;iii葉片光譜采樣點確定采用FIELD SPEC3光譜儀，帶有特定視場角探頭垂直探測，視場角范圍特定的直徑圓面；為了消除邊緣效應，取除葉片周邊最外的標準方格；取葉片最大葉面積的長方形的對角線為光譜采樣點軌跡，并記錄含有主脈取樣點個數；iv葉片光譜采樣點確定利用左右平移臺和前后平移臺將探頭對準采樣線點一段，抽出石英玻璃I，并進行光譜測定，其他采樣線點的光譜采樣，利用采樣點對應的方格數，直接用左右平移臺、前后平移臺平移相應的單位長度，并光譜采樣記錄；V獲取光譜反射率的校正由于石英玻璃II在獲取光譜的過程中參與光的輻射傳輸，因此需要校正光譜反射率，具體公式如下R = Rs* (R「R0)/(I-R0)其中R表示校正后的光譜；RS表示儀器本身的校正率況表示實際測定的反射率表示環境反射率。
全文摘要
本發明涉及一種用于高光譜、多光譜及其他光譜儀在室內觀測固體物質光譜時載放觀測物的，還涉及一種室內光譜觀測三維載物臺的應用；所述的三維載物臺包括載物區、升降區和平移區，所述的載物區由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作臺組成；所述的升降區由剪式升降臺、直連接支架組成；所述的平移區由左右平移臺、前后平移臺組成；所述的應用特別可用于室內植物葉片高光譜特征測定。本發明的有益效果是室內光譜觀測三維載物臺與配套使用方法是針對由觀測物體表面有紋理和不平整特征引起觀測光譜的不穩定性，能夠對觀測物表面進行三維定量，提高光譜觀測的重復性和穩定性的一種室內光譜觀測載物臺。
文檔編號G01N21/01GK102590089SQ201210009938
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者張垚, 王秀珍, 魏晨, 黃敬峰 申請人:浙江大學