CN1092162A - 航测方法与设备 - Google Patents

Abstract

在某一预定的地面区域范围内，在昼夜热循环中 的相反时间上，执行空中勘测以获取在可见、日照反 射红外和热红外波段中构成各连续频带的多谱图象 资料。对每一像素可以获得表示预期最高和最低辐 射温度以及反照率的各个经过综合记录的讯号。从 各种勘测数据讯号中可以获得表示所勘测的各种地 面物质的视在热惯量值的讯号，以便勘查自然资源、 从事环境评估、识别地面目标和用于其他目的。

Description

本发明涉及一种机载多谱探测系统，利用在许多邻接的狭窄谱带中的实时图象搜索以生成多谱图象资料，尤其是形成能够个别或综合使用的各个数据集合的图象以便获得用于识别地面目标的频谱分布图和辐射密度。

从事地形航测的众所周知的装备有许多种，用于多种目的。这些装置一般都具有众多的光学扫描装置，指向地面并形成转换成电子讯号供计算机作迅速对比的一些图象。比如美国专利4，908，705号提出一种可变位的广角成象系统，对于高速、低空勘查特别有效。美国专利4，939，369号披露一种成象和追踪系统，采用多组传感器。美国专利5，028，998涉及一种系统，具有电子快速变距特征，以便在地形变化而机载仪表台架保持在某一恒定的平均高度的情况下有效地产生恒定高度图片。美国专利5，047，783号依靠消除噪扰对于自辐射检测器形成图象提供了改进。美国专利5，116，118号描述了另一种机载成象系统。

本发明是一种机载多谱探测系统，利用在许多邻接的狭窄谱带中的实时图象搜索以生成多谱图象资料。由此获得的图象数据集合可以个别或综合地加以使用，以取得用于识别地面目标的频谱分布图和辐射密度。这一主体系统可同时提供有关温度和反照率的信息，根据这些信息可以计算各种物质的视在热惯量值，并从而确定在24小时热循环期间出自地球内部和表面的热流型态。这一主体系统特别适用于自然资源以及环境评估方面的勘查工作。

本发明的一个目的是提供一种方法和设备以获取、处理和计算各种物质的视在热惯量值。本发明在测量和对比8μm至12μm之间的地面热辐射方面最为可取，但本发明的原理同等地适用于红外热谱的所有部分。

本发明将参照附图举例加以说明，附图中：

图1是本发明中一种系统的示意框图;

图2是本主体发明的功能示意框图。

参照图1，本主体系统10具有一部机载传感处理单元12，它包括形成自400至1140毫微米第一邻接可选频带的第一组摄谱仪14、形成自1400至2500毫微米第二邻接频带的第二组摄谱仪和一组热传感器18，这组热传感器由两种组合构成，第一种具有自8.40至11.70μm的至少六个频带，第二种具有自8.35至11.45μm的至少七个频带。三组摄谱仪14，16和18各自接通以接收来自信号检波器20的输入，检波器带有许多已知类型的光学传感器（未示出）。这些传感器为某一已知视野提供光学成象，这一视野，在某一给定的已知高度上，覆盖某一可测定的幅宽。这些传感器，经过精选，也能够提供某一瞬时视野。处理单元12连接于一部既能从事本系统的飞行中标定、又有从事本系统的飞行前标定的两级标定装置22。本系统进而包括一部中央处理机单元24，连通后接收来自处理单元12以及来自机载导航装置26和减摇台架28的数据，以便正确地把扫描数据同地球表面的关联起来。中央处理机单元24也连接包括实时显示器30、图形打印机32、数据记录器34和数据存储器36在内的各种输出装置。

重要的是，本发明中各个摄谱仪要选择得使第一组摄谱仪中的信噪比大于500，第二组大于100。等价噪扰温差对于0.2至0.4的带宽应当是300°K以下0.1至0.2K。

本发明采用高分辨能力的频谱与辐射测量成象摄谱仪，亦即第一组14为可视红外型（0.4-1.1微米）、第二组16为日照反射红外型（1.4-2.5微米）和第三组18为热红外型（8-12微米）。包含摄谱仪总成14、16和18的传感处理单元12装在一部有能力向中央处理机通报诸如高度、空间方位角和对地速度等飞行条件的熟知的机载台架（未示出）。各组摄谱仪14、16和18针对有待进行的特定勘测在飞行前标定。随着勘测的进展，信号检波器镜头不断获取各种探测到的邻接频带的图象，以致于对于地面“象素”上的每一小片都能从所探测的表面获得一幅完整的反射系统或辐射密度谱。记录下来的图象可以借助显示器30在飞行当中实时地加以观察，或者可以借助打印机32或记录装置34为一些频带的予选或为用于各种用途的各频带的总谱而加以处理。

本系统分辨地面特征的能力，就主体分辨率而论，取决于诸如瞬时视野和高度与飞机速度之比（称作V/H比）等等许多参数。前者几乎全部由镜头系统20测定，而后者由导航计算机26中包括减摇台架28在内的已知装置测定，并馈入中央处理机24。识别地面特征的信号质量，就频谱分辨率而论，取决于具有良好信噪比的所有各组探测器14、16和18。

可以采用已有的图象处理技术来处理图象数据。中央处理机24可使操作人员把图象数据转换成辐射测量单位，并实施大气校正和几何高速;由于仪表和机载台架的运动所产生的畸变，后两项工作是必需的。操作人员可以借助于综合各个频带、生成各种比值、从事统计分析和应用数字分类技术以增加数据资料。

热惯量值是某咱物质对温度变化的热反应的一种量度。单位是每平方厘米每秒平方根每摄氏度多少卡路里（Cal·Cm^-2·Sec^1/2·℃^-1）。热量值定义为P：

T₁＝（kρC）^1/2

其中k＝热传导率

ρ＝物质密度

C＝热容量

热惯量值可以通过测定各种物质的传导率、密度和热容量加以确定。不过，通过测定昼夜日照循环期间的最高和最低辐射温度，可以确定各种物质的视在热惯量值。步序如下：

1.在予期的最低日照致热循环的条件下执行第一次飞行任务并启动热红外传感装置，以数字形式获取辐射温度值。

2.在予期的最高日照致热循环的条件下执行第二次飞行任务并启动扫描可见至热红外段的成象摄谱装置，以数字形式获取反射能量与辐射温度值。

3.计算△T，即取自第一次和第二次勘测的在昼夜循环期间出现的最高和最低温差之差。

4.计算出自第二次勘测中各可视频带的反照率（a），该反照率为某种物质反射的能量对入射到该物质表面的能量之比值。

5.计算视在热惯量值，依据下式

ATI＝（1-a）/△T

图2表明用以计算视在热惯量值的步骤。图中△T是昼夜循环期间最高和最低温度之差，a是反照率，而ATI是视在热惯量值。最低和最高温度是在第一次和第二次勘测期间使用各组热传导器获得的。反照率是在第二次勘测期间用成象摄谱仪获得的。按照飞行技术说明，视在热惯量值可以在第二次飞行任务期间随意数据被记录下来而这时地进行计算。在搜寻某一要求较详尽检查的特定目标时，显示器可提供实时判读。利用综合定位系统（GPS）可以达到综合记录来自第一次和第二次勘测的各种图象元素（象素）的要求。比如，在使用一种高差GPS时，第一部接收器安置在机载台架上，而第二部接收器安置在某一基准点处的地面上。从而为第一次和第二次这两次机载勘测中每一象素都获得精确的地面位置。

数据的飞行后处理使得有可能利用较为复杂的分析算法并显示成象数据和热惯量值。可以使用软件来消除大气效应、通过以日照高度和地平径度同数字地形数据的对比来补偿由于地形高度的变化而造成的盲区，以及应用热模型来确定热流型态。

本发明在不偏离其精神和基本特性的情况下可以接受多种改型和变更。为此，本实施例在一切方面都应当认为是由所附各项权利要求所确定的本发明范畴的一种说明，而不是一种限制。

Claims (9)

1、一种自空中勘测地面的方法，其特征在于：

执行某一予定地面区域的第一次和第二次航测以获得所述予定地面区域中每一象素的第一次和第二次讯号，所述第一次和第二次讯号分别表示某一昼夜日照循环期间予期的最低和最高辐射温度；

从至少一次所述勘测中提供第三讯号，表示所述予定地面区域中每一所述象素的反照率；并且

根据所述第一、第二和第三读号生成一种讯号，表示每一所述象素的所勘测的各种地面物质的视在热惯量值。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：

在所述地面区域予期的最低日照致热时间上执行所述第一次航测，并利用热红外传感装置获取辐射温度数据，以便获得所述第一讯号;

在所述地面区域予期的最高日照致热时间上执行所述第二次航测，并利用成象摄谱仪自某一可见波长扫描到某一热红外波长以获取日照反射能量数据和辐射温度数据，以便获得所述第二讯号;

从所述第二次勘测的可见波长频带数据中提供表示反照率（a）的所述第三讯号;

计算由所述第一和第二讯号所表示的各辐射温度的温差（△T）;并且

生成表示视在热惯量值（ATI）的所述讯号，根据方程：

ATI＝（1-a）/△T

3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用高差综合定位系统以便从针对第一所述象素的第一次和第二次所述勘测中记录勘测数据。

4、按照权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，在飞行期间实时显示自每一所述勘测中所获取的勘测数据。

5、按照权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于，在飞行后处理所获取的勘测数据，对其应用一种热模型，以确定在所勘测的地面区域内遍及24小时热循环出自地球内部和表面的热流型态。

6、按照权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，各次勘测是在从0.4至2.5微米和从8至12微米的各波段中有选择地进行的。

7、一种自空中勘测地面的设备，其特征在于：

多部传感器组合（14，16，18），适于在从0.4至2.5微米和从8至12微米的各波段中有选择地对某一予定的地面区域从事航测以获得针对所述予定地面区域内每一象素的经过综合记录的勘测图象数据;

处理装置（12），接收和处理来自所述各传感器组合的勘测数据;

标定装置（22），用于设备的标定;

飞行装置（26），提供表示携带所用设备的机载台架飞行特性的各种讯号;以及

中央处理装置（74），接收来自处理装置（12）、标定装置（22）和飞行装置（26）的数据以提供勘测结果。

8、按照权利要求7所述的设备，其特征在于，显示器（30），当设备在空中时实时地显示勘测数据。

9、按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述处理装置（12）和所述中央处理装置（24）适于有选择地处理所选定的，上至所述设备可供使用的整个频带的，各波段中的所述勘测数据。