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专利名称：室内光谱观测三维载物台及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高光谱、多光谱及其他光谱仪在室内观测固体物质光谱时载放观测物的三维载物台，还涉及一种室内光谱观测三维载物台的应用。
背景技术：
在光谱地学应用中，地物光谱特征是地物信息直接提取的基�。�是不同尺度遥感监测依据，而室内光谱观测是地物光谱特征研究根本，室内光谱观测的可靠性对不同尺度遥感地物监测精度具有明显的影响。长期以来，室内光谱观测“载物台”的形状乃至功能一直都是采用传统的方式，一成不变，即圆柱状或其他形状的铁质上顶有一个平整平面，表体黑色的“载物台”或用黑色物质包裹，对观测物没有做任何固定和相对“载物台”的量化。因此在光谱的观测过程中， 由于观测物的移动或转动，或者重复测定时很难准确地找到原来观测的视场范围，从而存在着所观测到的光谱数据，具有很差的稳定性和很低的重复性等方面的问题。尤其，随着光谱仪的光谱分辨率及噪信比不断提高，光谱特征对观测物方位和观测视场角范围确定的要求越来越明显，另外，定量遥感研究的不断深入，室内光谱的观测要求对观测物的特征进行不断的量化，特别是不平整薄片固体。作为遥感无疑大大增加了观测得到光谱数据的可靠性，为大尺度遥感监测服务。但到目前为止，室内光谱观测三维载物台开发研究还未曾报道。

发明内容
本发明针对现有的用于室内光谱测定中对固体观测物进行三维定位的光谱载物台，在光谱的观测过程中，由于观测物的移动或转动，或者重复测定时很难准确地找到原来观测的视场范围，从而存在着所观测到的光谱数据，具有很差的稳定性和很低的重复性等方面的问题，提供一种可以提高在同一光谱观测组中的光谱数据的稳定性，也可以提高不同观察组中同对象的观测光谱数据的可重复性的室内光谱三维载物台，以及利用室内光谱三维载物台的使用方法。一种室内光谱观测三维载物台，包括载物区、升降区和平移区，其特征在于所述的载物区由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作台组成，实现载放光谱观测物和探头视场角个数的量化；所述的升降区由剪式升降台、直连接支架组成，实现观测物垂直方向上量化；所述的平移区由左右平移台、前后平移台组成，在光谱观测过程中进行水平的定量平移，结合所述的载物区实现观测物水平方向量化；所述的载物区、升降区、平移区区域之间的连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、工作台、剪式升降台、左右平移台和前后平移台上面和下面均为较高要求平整平面，且这些部件平面水平放置，且其重心在垂直与水平面的一条连线上； 石英玻璃I、石英玻璃II水平插入石英玻璃支架的两条上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃 I在上，石英玻璃II在下；之后直连接支架四根支架顶端与载物区底部四角垂直连接，所述左右平移台上面四角与直连接支架四根支架底端垂直相连；剪式升降台上顶面和工作台下底面平行相连，与左右平移台上面平行相连；左右平移台下面与前后平移台上面平行连接， 但在左右平移台和前后平移台轴线是相互在垂直。所述的构建部分载物区，包括以下(I)石英玻璃I :方形厚度非常均一，透视性好，不要求其他较高光学属性的石英玻璃；在石英玻璃I上表面打有标准方格，突出中心位置；从三维载物台的俯视方向上，利用石英玻璃I上表面的标准方格透过石英玻璃II对观测物进行光谱观测面量化，并确定光谱采样点位置；(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与工作台固定光谱观测物的主平面，也可以通过剪式升降台垂直移动工作台实现压平薄膜状的观测物表面；(3)石英玻璃支架是外框长方形和内框长方形的石英玻璃支架，在内壁深洗有两个水平方向的石英玻璃镶嵌固定槽，三位载物台正视长近端洗透，观测光谱时便于石英玻璃I取出；近端上下各有两个锁紧螺钉，在确定光谱采样点和观测光谱时固定石英玻璃I 和石英玻璃II;(4)工作台是载放光谱观测物的平台，为方形直连接支架厚度均一，水平连接在升降台顶部；工作台的表面是由一层对光的反射率小于O. 5%薄膜包裹；在正视工作台近端左端下方安装垂直方向的高度指针，与直连接支架中带有刻度的支架量化观测物的垂直高度和薄膜观测物的压平程度。所述的构建部分升降区中升降区，包括以下I)剪式升降台与工作台连接垂直移动观测物；2)直连接支架是载物区与平移区的四根垂直连接支架，其中在正视左侧的一根上标有标准单位的刻度，可以量化垂直方向的高度。所述的构建部分平移区中升降台区，包括以下①左右平移台材质为不锈钢可正视左右平移的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区对观测物水平面左右进行量化。②前后平移台材质为不锈钢可正视前后平移的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区对观测物水平面前后进行量化。所述的剪式升降台设有高度调节器和高度锁紧。除石英玻璃I、石英玻璃II部分外其他部件表面均为氧化发黑表面，减少反射散射影响。一种室内光谱观测三维载物台的应用，特别可用于室内植物叶片高光谱特征测定，所述的应用按以下步骤进行i植物叶片在工作台的载放叶片的中心位置为叶片的最宽处的连线与主叶脉相交点，从工作台正上方俯视，透过石英玻璃II确定叶片的中心位置与石英玻璃I的中心位置重合；叶柄在工作台近端，主脉与前后方向通过石英玻璃I的中心位置的刻度线近似重合； 叶片压平旋动剪式升降台上的高度调节器，使工作台和石英玻璃II压平叶片， 达到工作台上的指定高度；在不平整叶片，可以通过工作台和石英玻璃II两个平面固定叶片并记录闻;
iii叶片光谱采样点确定采用FIELD SPEC3光谱仪，带有特定视场角探头垂直探测，视场角范围特定的直径圆面；为了消除边缘效应，取除叶片周边最外的标准方格；取叶片最大叶面积的长方形的对角线为光谱采样点轨迹(除去两端方格)，并记录含有主脉取样点个数；iv叶片光谱采样点确定利用左右平移台和前后平移台将探头对准采样线点一段， 抽出石英玻璃I，并进行光谱测定，其他采样线点的光谱采样，利用采样点对应的方格数，直接用左右平移台、前后平移台平移相应的单位长度，并光谱采样记录；V获取光谱反射率的校正由于石英玻璃II在获取光谱的过程中参与光的辐射传输，因此需要校正光谱反射率，具体公式如下R=RJ(R1-R0VQ-R0)其中R表示校正后的光谱；RS表示仪器本身的校正率况表示实际测定的反射率； Rtl表示环境反射率。本发明的有益效果是室内光谱观测三维载物台与配套使用方法是针对由观测物体表面有纹理和不平整特征引起观测光谱的不稳定性，能够对观测物表面进行三维定量， 提高光谱观测的重复性和稳定性的一种室内光谱观测载物台。


图I为本发明室内光谱观测三维载物台主视2为室内光谱观测三维载物台俯视3为室内光谱观测三维载物台侧视4为室内光谱观测三维载物台正视5为植物叶片转动对光谱的影响；其中图中①②③表示三种不同叶片转动条件，其他实验条件相同②③图标中各有三个小图标，每个小图标分别是由上、下和右组成。上是从载物台上方的俯视图，其中黑色虚线代表叶片主脉的方向，与俯视平面纵轴夹角分别是0°、30°和45° ;下是叶片平放时自然特征；右是小图标下的自然高度测量器，高度指针都在95mm处图6为植物叶片平整性对光谱的影响；其中图中①②③④表示三种不同叶片平整条件，其他实验条件相同；①②③④图标中各有四个小图标，与图5中表示的方式相同，叶片通过压平叶片的程度表示叶片的平整性，①②③④分别在95mm、111mm、IOOmm和105mm高度指针处。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明参照附图实施例I室内光谱观测三维载物台的构建一种室内光谱观测三维载物台，包括载物区I、升降区2和平移区3，所述的载物区 I由石英玻璃111、石英玻璃1112、石英玻璃支架13和工作台14组成，实现载放光谱观测物和探头视场角个数的量化；所述的升降区2由剪式升降台21、直连接支架22组成，实现观测物垂直方向上量化；所述的平移区3由左右平移台31、前后平移台32组成，在光谱观测过程中进行水平的定量平移，结合所述的载物区I实现观测物水平方向量化(见图I);所述的载物区I、升降区2、平移区3区域之间的连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、工作台14、剪式升降台21、左右平移台31和前后平移台32上面和下面均为较高要求平整平面，且这些部件平面水平放置，且其重心在垂直与水平面的一条连线上；石英玻璃111、石英玻璃1112水平插入石英玻璃支架13的两条上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃111在上，石英玻璃II12在下；之后直连接支架四根支架顶端与载物区I底部四角垂直连接，所述左右平移台31上面四角与直连接支架22四根支架底端垂直相连；剪式升降台21上顶面和工作台14下底面平行相连，与左右平移台31上面平行相连；左右平移台31下面与前后平移台32上面平行连接，但在左右平移台31和前后平移台32轴线是相互在垂直。所述的构建部分载物区，包括以下(I)石英玻璃111 :130mmX 130mm的正方形方形、厚度为I. 8mm且非常均一,透视性好，不要求其他较高光学属性的石英玻璃；在石英玻璃Ill上表面打有4_X4mm标准方格，突出中心位置；从三维载物台的俯视方向上，利用石英玻璃Ill上表面的标准方格透过石英玻璃II对观测物进行光谱观测面量化，并确定光谱采样点位置(见图2);(2)石英玻璃1112 130mmX 130mm方形、厚度为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与工作台14固定光谱观测物的主平面，也可以通过剪式升降台21垂直移动工作台14实现压平薄膜状的观测物表面(见图4)；(3)石英玻璃支架13 :是外框158_X 170mm长方形和内框128_X 128mm长方形的石英玻璃支架，厚度为28nm,在厚度自下而上6mm处和19mm处，车床内框3mm宽、3mm深洗有两个水平方向的石英玻璃镶嵌固定槽，三位载物台正视长近端洗透，观测光谱时便于石英玻璃Ill取出；近端上下各有两个锁紧螺钉，在确定光谱采样点和观测光谱时固定石英玻璃Ill和石英玻璃1112(见图4)；(4)工作台14 :是载放光谱观测物的平台，为128mmX 128mm的方形直连接支架， 厚度为12mm且均一，水平连接在升降台顶部；工作台的表面是由一层对光的反射率小于
O.5%薄膜包裹，薄膜厚度为2mm;在正视工作台近端左端下方安装垂直方向的高度指针 141，与直连接支架22中带有刻度的支架量化观测物的垂直高度和薄膜观测物的压平程度 (见图4)。所述的构建部分升降区中升降区2，包括以下I)剪式升降台21 :与工作台14连接垂直移动观测物，材质为不锈钢可升降54mm;2)直连接支架22 :是直径为10臟，高度为120mm的与载物区I、平移区3的四根垂直连接支架，其中在正视左侧的一根上标有标准单位的刻度，可以量化垂直方向的高度。所述的构建部分平移区中升降台区，包括以下①左右平移台31 :材质为不锈钢可正视左右平移90mm的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区I对观测物水平面左右进行量化(见图4);②前后平移台32 :材质为不锈钢可正视前后平移90mm的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区I对观测物水平面前后进行量化(见图3)。所述的剪式升降台21设有高度调节器211和高度锁紧212。
除石英玻璃111、石英玻璃1112部分外其他部件表面均为氧化发黑表面，减少反射散射影响。实施例2植物叶片高光谱测定一种室内光谱观测三维载物台的使用方法，特别可用于室内植物叶片高光谱特征测定，所述的方法包括i植物叶片在工作台的载放叶片的中心位置为叶片的最宽处的连线与主叶脉相交点，从工作台正上方俯视，透过石英玻璃II确定叶片的中心位置与石英玻璃I的中心位置重合；叶柄在工作台近端，主脉与前后方向通过石英玻璃I的中心位置的刻度线近似重合； 叶片压平旋动剪式升降台上的高度调节器，使工作台和石英玻璃II压平叶片， 达到工作台上的指定高度；在不平整叶片，可以通过工作台和石英玻璃II两个平面固定叶片并记录闻;iii叶片光谱采样点确定采用FIELD SPEC3光谱仪，带有8°视场角探头垂直探测，3. 75mm视场角范围的直径圆面，光源为50w卤灯，距观测点40cm，天顶角50° (光源辐射到观测物的光线与载物台平面40°夹角)；利用室内光谱观测三维载物台，对叶片近轴面进行光谱采样点选择(距叶片中心位置左2前3标准方格4_X4_相交点为光谱采样点)；取叶片最大叶面积的长方形的对角线为光谱采样点轨迹(除去两端方格)，并记录含有主脉取样点个数；iv叶片光谱采样点确定利用左右平移台和前后平移台将探头对准采样线点一段， 抽出石英玻璃I，并进行光谱测定，其他采样线点的光谱采样，利用采样点对应的方格数，直接用左右平移台、前后平移台平移相应的单位长度，并光谱采样记录；V获取光谱反射率的校正由于石英玻璃II在获取光谱的过程中参与光的福射传输，因此需要校正光谱反射率，具体公式如下R = Rs*(R「R0)/(l-R0)其中R表示校正后的光谱；RS表示仪器本身的校正率况表示实际测定的反射率； Rtl表示环境反射率。实施例3不同转动对光谱的影响植物叶片转动对光谱的影响(详见图5)，采用0°、30°和45°转动角度(叶片主脉与俯视平面纵轴的夹角)，叶片平整，高度指针为95mm，其他光谱测定条件同实施例2。从图5我们可以得到不同的转动角度在350nm-2500nm之间的光谱特征均有影响， 完全体现了仅有不同叶片的方位角的变化引起了光谱特征的明显差异，而我们在应用中涉及到干旱监测(利用水分特征波段)和植物生理生态探测(利用色素特征波段和细胞结构特征波段)都在图5的影响范围内，为提高实际运用中光谱可靠性，有必要在室内光谱观测中进行对叶片的方位角进行定量，而室内光谱观测三维载物台的石英玻璃I带有网格刻度，只要保持每次叶片主脉与俯视石英玻璃I平面纵轴重合就能确定叶片的方位，并在中推荐使用“主脉与俯视石英玻璃I平面纵轴重合”能够得到更为明显的反射光谱特征。实施例4不同平整性对光谱的影响植物叶片平整性对光谱的影响(详见图6),本研究过程中采用95mm、111mm、IOOmm 和105mm高度指针处表示叶片的不平整程度，叶片的方位角都叶片主脉与俯视平面纵轴的夹角为0°，其他光谱测定条件同实施例2。6/6页从图6我们可以得到不同的叶片不平整特征在350nm-2500nm之间的光谱特征同样均有影响，也同样完全表现出了仅有不同叶片的平整特征的变化引起了光谱特征的明显差异，而室内光谱观测三维载物台的剪式升降台可以使工作台和石英玻璃II压平他们之间的不平整叶片，其压平的程度可以用直连接支架的高度指针来表示。并在“使用方法”中推荐使用“叶片压平”观测光谱，是因为不同环境条件的影响，使得叶片的能够得到不同的叶片不平整性特征，这样可以消除叶片不平整性引起的光谱差异，而不平整性程度的研究可以利用室内光谱观测的三维载物台和BRDF的耦合进行研究。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
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权利要求
1.一种室内光谱观测三维载物台，包括载物区、升降区和平移区，其特征在于所述的载物区由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作台组成，实现载放光谱观测物和探头视场角个数的量化；所述的升降区由剪式升降台、直连接支架组成，实现观测物垂直方向上量化；所述的平移区由左右平移台、前后平移台组成，在光谱观测过程中进行水平的定量平移，结合所述的载物区实现观测物水平方向量化；所述的载物区、升降区、平移区区域之间的连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、工作台、剪式升降台、左右平移台和前后平移台上面和下面均为较高要求平整平面，且这些部件平面水平放置，且其重心在垂直与水平面的一条连线上；石英玻璃I、石英玻璃II水平插入石英玻璃支架的两条上下石英玻璃槽中，并且石英玻璃I在上，石英玻璃II在下；之后直连接支架四根支架顶端与载物区底部四角垂直连接，所述左右平移台上面四角与直连接支架四根支架底端垂直相连；剪式升降台上顶面和工作台下底面平行相连，与左右平移台上面平行相连；左右平移台下面与前后平移台上面平行连接，但在左右平移台和前后平移台轴线是相互在垂直。
2.如权利要求I所述的室内光谱观测三维载物台，其特征在于所述的构建部分载物区，包括以下(1)石英玻璃I:方形厚度非常均一，透视性好，不要求其他较高光学属性的石英玻璃； 在石英玻璃I上表面打有标准方格，突出中心位置；从三维载物台的俯视方向上，利用石英玻璃I上表面的标准方格透过石英玻璃II对观测物进行光谱观测面量化，并确定光谱采样点位置；(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与工作台固定光谱观测物的主平面，也可以通过剪式升降台垂直移动工作台实现压平薄膜状的观测物表面；(3)石英玻璃支架是外框长方形和内框长方形的石英玻璃支架，在内壁深洗有两个水平方向的石英玻璃镶嵌固定槽，三位载物台正视长近端洗透，观测光谱时便于石英玻璃I 取出；近端上下各有两个锁紧螺钉，在确定光谱采样点和观测光谱时固定石英玻璃I和石英玻璃II ;(4)工作台是载放光谱观测物的平台，为方形直连接支架厚度均一，水平连接在升降台顶部；工作台的表面是由一层对光的反射率小于O. 5%薄膜包裹；在正视工作台近端左端下方安装垂直方向的高度指针，与直连接支架中带有刻度的支架量化观测物的垂直高度和薄膜观测物的压平程度。
3.如权利要求2所述的室内光谱观测三维载物台，其特征在于所述的构建部分升降区中升降区，包括以下1)剪式升降台与工作台连接垂直移动观测物；2)直连接支架是载物区与平移区的四根垂直连接支架，其中在正视左侧的一根上标有标准单位的刻度，可以量化垂直方向的高度。
4.如权利要求3所述的室内光谱观测三维载物台，其特征在于所述的构建部分平移区中升降台区，包括以下①左右平移台材质为不锈钢可正视左右平移的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区对观测物水平面左右进行量化。②前后平移台材质为不锈钢可正视前后平移的载重单轴平移台。正视在平移台侧身可记录平移距离，结合载物区对观测物水平面前后进行量化。
5.如权利要求3所述的室内光谱观测三维载物台，其特征在于所述的剪式升降台设有高度调节器和高度锁紧。
6.如权利要求5所述的室内光谱观测三维载物台，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为氧化发黑表面，减少反射散射影响。
7.一种室内光谱观测三维载物台的应用，特别可用于室内植物叶片高光谱特征测定， 所述的应用按以下步骤进行i植物叶片在工作台的载放叶片的中心位置为叶片的最宽处的连线与主叶脉相交点， 从工作台正上方俯视，透过石英玻璃II确定叶片的中心位置与石英玻璃I的中心位置重合；叶柄在工作台近端，主脉与前后方向通过石英玻璃I的中心位置的刻度线近似重合； 叶片压平旋动剪式升降台上的高度调节器，使工作台和石英玻璃II压平叶片，达到工作台上的指定高度；在不平整叶片，可以通过工作台和石英玻璃II两个平面固定叶片并记录闻;iii叶片光谱采样点确定采用FIELD SPEC3光谱仪，带有特定视场角探头垂直探测，视场角范围特定的直径圆面；为了消除边缘效应，取除叶片周边最外的标准方格；取叶片最大叶面积的长方形的对角线为光谱采样点轨迹，并记录含有主脉取样点个数；iv叶片光谱采样点确定利用左右平移台和前后平移台将探头对准采样线点一段，抽出石英玻璃I，并进行光谱测定，其他采样线点的光谱采样，利用采样点对应的方格数，直接用左右平移台、前后平移台平移相应的单位长度，并光谱采样记录；V获取光谱反射率的校正由于石英玻璃II在获取光谱的过程中参与光的辐射传输，因此需要校正光谱反射率，具体公式如下R = Rs* (R「R0)/(I-R0)其中R表示校正后的光谱；RS表示仪器本身的校正率况表示实际测定的反射率表示环境反射率。
全文摘要
本发明涉及一种用于高光谱、多光谱及其他光谱仪在室内观测固体物质光谱时载放观测物的，还涉及一种室内光谱观测三维载物台的应用；所述的三维载物台包括载物区、升降区和平移区，所述的载物区由石英玻璃I、石英玻璃II、石英玻璃支架和工作台组成；所述的升降区由剪式升降台、直连接支架组成；所述的平移区由左右平移台、前后平移台组成；所述的应用特别可用于室内植物叶片高光谱特征测定。本发明的有益效果是室内光谱观测三维载物台与配套使用方法是针对由观测物体表面有纹理和不平整特征引起观测光谱的不稳定性，能够对观测物表面进行三维定量，提高光谱观测的重复性和稳定性的一种室内光谱观测载物台。
文档编号G01N21/01GK102590089SQ201210009938
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者张垚, 王秀珍, 魏晨, 黄敬峰 申请人:浙江大学