植被多角度光譜信息采集系統的設計與分析

王捷+肖愛平+焦子銻+

摘要：多角度光譜信息采集系統可以測量植被作物的雙向反射特性，配合高光譜分辨率遙感衛星影像，反演得到植被的結構參數信息。多角度光譜信息采集系統主要包括機械系統與控制系統兩大部分。機械系統由天頂機構與方位機構組成，方位圓軌道直徑４ ｍ，天頂圓導向軌道半徑１ ｍ，其特點在于光譜儀視場內無陰影，結構簡單，便于安裝、運輸?？刂葡到y提供多種測量模式以滿足不同的觀測需求，觀測參數可根據需要在控制平臺中手動輸入，更改方便，操作簡單。

關鍵詞：高光譜遙感；多角度反射；植被信息；測量系統

中圖分類號：ＴＰ７９；Q94文獻標識碼：Ａ文章編號：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

多角度光譜信息采集系統能夠在半球空間內采集被測地表植被的ＢＲＤＦ數據，以此驗證并修正現有的ＢＲＤＦ模型，結合空間衛星測量得到的遙感數據，反演植被的結構參數信息，如葉面積指數、葉傾角分布、葉片反射率、葉片透過率、葉綠素含量分布［１］等，可用于農業科學、林業科學、地理信息科學等領域的研究。

１．１雙向反射分布函數（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。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］，其數學公式為：

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與物體入射點上的平面法線之間的夾角［４］。ＢＲＤＦ是關于太陽天頂角、方位角，觀測天頂角、方位角及波長的函數［５］。在一次觀測中，一般認為太陽位置固定，即太陽天頂角、方位角不變，而所觀測光的波長范圍由光譜儀決定，那么最主要就是探究觀測天頂角、方位角與ＢＲＤＦ數據的關系。

１．２系統概述

如圖１所示，以太陽光作為光源照射目標，在目標上形成沿各個方向的漫反射。自然界中絕大部分物體都具有各向異性的反射特性［６］，由于觀測目標結構參數不同，各個方向的反射率呈現不同規律。多角度光譜信息采集系統能夠驅動光譜儀運動到半球表面的不同位置，從不同方向測量地表植被的反射率，并記錄存儲數據。其基本運動形式包括豎直方向的天頂運動和水平方向的方位運動。通過改變多角度光譜信息采集系統的天頂角與方位角，可以將光譜儀送至預定位置并進行測量，光譜儀與電腦相連，測量后可以將數據導入電腦中。

早期的多角度測量完全由試驗人員手持光譜儀進行觀測，不僅操作勞動強度大，而且所獲取的數據不準確。３０年前開始出現手持的操作儀器［７］，試驗數據的準確性得到很大提升。直到１９９４年，才研發出可自動觀測的多角度光譜信息采集系統［８］，之后陸續出現各種多角度光譜信息采集系統，但其自動化程度均較低，觀測模式單一，而且無法擺脫大型的天頂圓軌道，使得測量系統本身在光譜儀視場內投射有陰影，同時給加工與拆裝帶來難度。

１．3多角度光譜信息采集系統的數學模型

建立球面坐標系（ｒ，θ，φ），如圖２所示，其中Ｏ為原點、Ａ為觀測點、Ｐ為觀測點Ａ在ＸＯＹ平面上的投影，ｒ為徑向距離、θ為天頂角、φ為方位角。ｒ表示原點Ｏ與觀測點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軸逆時針旋轉至有向線段ＯＰ所經過的角度。

多角度光譜信息采集系統在實際觀測中，原點Ｏ為觀測目標的中心點。光譜儀所在位置為觀測點即Ａ點，其始終位于半球空間的表面，所以ｒ為定值，即半球空間的半徑為２ ｍ。當觀測點恰在Ｚ軸上時，天頂角θ為０°，觀測點在ＸＯＹ面的投影Ｐ（ｘ，ｙ）的縱坐標ｙ＞０時，天頂角θ為正，反之為負。受測量系統機械結構限制，天頂角θ∈［－１／３ π，１／３ π］。方位角φ能夠滿足［０，２π］的范圍，但在實際觀測中，由于半球體具有對稱性，只需觀測φ∈［０，π］，即可滿足測量的需求，采集到所有反射方向的輻照度。

從數學模型可知，天頂角θ與方位角φ共同確定觀測點在半球表面的位置。筆者通過天頂圓導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。改變擺桿在天頂圓導向軌道上的位置即可獲取所需觀測點的天頂角，改變天頂機構在方位圓軌道上的位置則可獲取所需觀測點的方位角。

２多角度光譜信息采集系統的機械系統

目前主流多角度光譜信息采集系統的結構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運動。同時天頂圓軌道安置在方位圓軌道上，可在方位圓軌道上３６０°轉動。這種結構的穩定性很好，但是實地測量時天頂圓軌道會在被測植被上投射陰影，直接影響到測量結果的準確性，而且半徑２ ｍ的天頂圓軌道結構龐大，加工精度難以保證，同時不便于拆裝、運輸。于是，筆者提出了新的結構設計方案。

２．１設計方案

新研制的多角度光譜信息采集系統選用鋁型材作為主體材料，整臺設備質量較小，約為１１０ ｋｇ。其結構主要分為天頂機構與方位機構兩大部分，如圖３所示。新研制的多角度光譜信息采集系統同樣有方位圓軌道，但沒有了龐大的天頂圓軌道，由天頂圓導向軌道替換。天頂圓導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，保證測量系統自身產生的投影不會落在光譜儀視場內。

天頂機構主要包括半徑為１ ｍ的天頂圓導向軌道、長２ ｍ的擺桿框架、天頂移動平臺、支桿框架、天頂桿框架、轉軸等。方位機構包括直徑為４ ｍ的方位圓軌道、方位移動平臺等。

天頂圓導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。天頂圓導向軌道與方位圓軌道上均刻有刻度，可以直接讀取當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動力。

天頂移動平臺與方位移動平臺均由直流伺服電機驅動，其上安裝有滑輪，可在軌道上自由滑動。直流伺服電機輸出的動力首先經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，最終為移動平臺提供動力，沿軌道運動。

在天頂機構中還有擺桿框架與天頂桿框架。擺桿框架以轉軸為中心，沿天頂圓導向軌道轉動，其與天頂移動平臺通過滑軌相連，滑塊在滑軌上的位移可以補償轉軸偏置的偏差以及機械加工造成的誤差。天頂桿框架安裝在擺桿框架頂部，用以攜帶光譜儀運動。如此設計可保證光譜儀的路徑是以轉軸為圓心，擺桿長為半徑的圓形軌跡，其軌跡與天頂圓導向軌道的圓度無關，這樣對天頂圓導向軌道的加工精度要求大大降低。

此外，為適應野外復雜的地表狀況，在實際的測量系統中添加有踢腳，可以調節支撐高度，以保證測量系統保持水平放置。在方位圓軌道底部還固定有萬向輪，可實現測量系統的短距離移動，提高其環境適應性。

２．２有限元力學分析

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。當擺桿轉至極限位置即與鉛垂線夾角約為６０°時，光譜儀對天頂桿、擺桿的轉矩最大，會使天頂桿產生彎曲變形、使擺桿發生扭轉變形，直接影響到整個設備的測量精度，有必要對極限位置時多角度光譜信息采集系統天頂機構中的天頂桿和擺桿進行有限元力學分析，以確保天頂桿、擺桿強度滿足要求，并計算變形量。

多角度光譜信息采集系統在整個運轉過程中，方位方向與天頂方向運動速度均較慢，而且光譜儀在工作狀態時，設備處于靜止狀態，故對天頂桿和擺桿的校核可采用靜力學分析。

天頂機構由多個零件組合而成，在對天頂機構進行有限元分析時，部分零件比如一些擺桿間的連接件，對于整體強度的影響不大，為了簡化模型，保證天頂桿與擺桿分析結果的準確性，只保留主要支撐零件，建立擺桿６０°時天頂機構的力學模型，如圖４所示。忽略螺栓連接接觸面處的摩擦和相互滑動，選擇接觸方式為ｂｏｎｅｄ，認為其綁定在一起。采用５ ｍｍ網格劃分為８１ ０７６個網格單元，共有結點２２１ ７９５個。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，此時為轉矩最大極限值）。

天頂機構各部件均選用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。經有限元分析，此過程中材料承受最大應力為２６．３９４ ＭPａ，而６０６３－Ｔ５鋁型材許用應力為２０５ ＭPａ［１０］，完全可以滿足要求。由圖４可見，其最大變形點在光譜儀安裝處，最大變形量約為８．８ ｍｍ。

通過測試發現，天頂桿與擺桿實際變形量較計算值偏大，約為１０ ｍｍ。分析誤差來源，其主要由于有限元力學模型中忽略了各接觸面的相對位移量，而在實際測試過程中，運動中的振動等因素會使一些螺栓松動，影響到整體結構的穩定性。

２．３誤差分析

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

光譜儀轉動半徑ｘ＝２ ｍ，半視場角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，對于垂直目標，要求其觀測范圍是半徑不小于８．７ ｃｍ的圓域。在正負６０°極限位置，考慮到對稱性，為了安全起見，則要求觀測范圍是半徑不小于１８．９ ｃｍ的圓域。

考慮到天頂桿ε＝１０ ｍｍ的變形量，光譜儀實際觀測位置會比理論位置偏低，對觀測目標要求范圍更大。

ε２＝ｘ２＋ｘ２－２ｃｏｓθ·ｘ·ｘ即θ＝０．２９°

實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，光譜儀對目標的觀測范圍要求是半徑不小于１９．２ ｃｍ的圓域，比理論觀測面積要求增加３％。在實際觀測中，觀測目標范圍一般較大，遠大于半徑１９．２ ｃｍ的圓域，足以保證光譜儀觀測視場不超出觀測目標范圍。所以天頂桿的此變形量不影響光譜儀的正常觀測，可以接受。

３多角度光譜信息采集系統的控制系統

多角度光譜信息采集系統的自動控制為試驗觀測和數據采集帶來了很多便利［１１］，其控制系統由硬件系統與軟件系統兩部分組成。

３．１硬件系統

如圖６所示，硬件控制系統由２４ Ｖ蓄電池供電，２４ Ｖ電壓作為輸入經由電源模塊轉為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個繼電器，繼電器的開關轉化為電信號傳給單片機，在單片機的執行程序中判斷接收到的電信號，執行對應的動作程序，控制兩路電機的運動模式。電機的運動模式有速度型與步進型兩種，速度型模式下電機可按照指定速度指定方向運轉，步進型模式下電機不僅可按指定速度指定方向運轉，還可以設定指定轉數，轉動相應的角度。

５ Ｖ輸出為主控板供電，主控板核心處理器為ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機，它可接收各傳感器的輸入信號并處理各信號，按照信號要求執行對應的程序。其與控制平臺軟件，通過串口通信傳遞數據，與電機驅動器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機。

２４ Ｖ輸出為兩路電機驅動器供電，電機驅動器１、２分別接收主控板發來的ＩＤ、命令字和數據，通過ＰＩＤ調節精準控制電機的轉速、方向與轉數。旋轉編碼器１、２可檢測電機的轉速、電機軸的角位移以及旋轉方向，并將其轉化為電信號返還給驅動器，形成閉環控制，精度較高。電機驅動器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅動器，電機為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機，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１、２不同的運動方式帶給采集系統多種觀測模式，可完成全部的觀測流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數據存儲在計算機中。

３．２軟件系統

多角度光譜信息采集系統的軟件系統包括控制平臺軟件與單片機執行程序。

多角度光譜信息采集系統（圖7）的控制平臺基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統運行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統的觀測模式并輸入運動參數。在控制平臺中還可以調用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲、讀取測量數據。此外，根據觀測地經緯度、觀測時間計算主平面位置、熱點位置等準備工作均可在控制平臺中完成。

根據實地測量的需要，在多角度光譜信息采集系統的上位機控制平臺中，設計有３種模式，分別為自主遙控觀測模式、半自動觀測模式與全自動觀測模式。在半自動與全自動觀測模式中，提供有運動控制參數的輸入界面，用戶可根據需要在此輸入運動參數，滿足不同的觀測需求。

在單片機執行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機控制平臺的數據，并對數據進行解析。之后按照選定模式的運動方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數據傳給驅動器，控制電機按照不同的運動模式運轉。

自主遙控觀測模式無需輸入任何運動參數，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運動。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機構與方位機構回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂的運動方向；４、５鍵用于控制方位的運動方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進入速度模式，當再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）運動，松開則停止；７鍵用于選擇步進模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）行走一個步進角。步進角度可根據需要進行設置。

半自動模式按照觀測需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運動速度、方位運動速度。方位移動平臺首先按照方位運動速度運行至初始方位角，在此方位上，天頂移動平臺從初始天頂角按照天頂角步長運行至終止天頂角，每行走一個步長，光譜儀進行一次測量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數據的采集。

全自動模式下輸入主平面位置、熱點位置、天頂角步長、方位角步長、熱點鄰域天頂角步長、天頂運動速度、方位運動速度等參數后，多角度光譜信息采集系統將全自動運行。首先運行至主平面位置，在主平面上進行測量，當進入熱點范圍，天頂角步長減少，測量數據加密。之后到下一方位角進行觀測，直至采集完全部數據。

４結論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測量將得到更多的應用。多角度光譜信息采集系統具有機械結構簡單、安裝運輸方便、測量視場內無陰影、操控容易、模式多樣、自動化程度高、定位準確等特點，能夠滿足實地多角度測量的多種觀測需求，其發展空間較大，擁有更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

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５ Ｖ輸出為主控板供電，主控板核心處理器為ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機，它可接收各傳感器的輸入信號并處理各信號，按照信號要求執行對應的程序。其與控制平臺軟件，通過串口通信傳遞數據，與電機驅動器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機。

２４ Ｖ輸出為兩路電機驅動器供電，電機驅動器１、２分別接收主控板發來的ＩＤ、命令字和數據，通過ＰＩＤ調節精準控制電機的轉速、方向與轉數。旋轉編碼器１、２可檢測電機的轉速、電機軸的角位移以及旋轉方向，并將其轉化為電信號返還給驅動器，形成閉環控制，精度較高。電機驅動器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅動器，電機為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機，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１、２不同的運動方式帶給采集系統多種觀測模式，可完成全部的觀測流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數據存儲在計算機中。

３．２軟件系統

多角度光譜信息采集系統的軟件系統包括控制平臺軟件與單片機執行程序。

多角度光譜信息采集系統（圖7）的控制平臺基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統運行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統的觀測模式并輸入運動參數。在控制平臺中還可以調用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲、讀取測量數據。此外，根據觀測地經緯度、觀測時間計算主平面位置、熱點位置等準備工作均可在控制平臺中完成。

根據實地測量的需要，在多角度光譜信息采集系統的上位機控制平臺中，設計有３種模式，分別為自主遙控觀測模式、半自動觀測模式與全自動觀測模式。在半自動與全自動觀測模式中，提供有運動控制參數的輸入界面，用戶可根據需要在此輸入運動參數，滿足不同的觀測需求。

在單片機執行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機控制平臺的數據，并對數據進行解析。之后按照選定模式的運動方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數據傳給驅動器，控制電機按照不同的運動模式運轉。

自主遙控觀測模式無需輸入任何運動參數，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運動。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機構與方位機構回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂的運動方向；４、５鍵用于控制方位的運動方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進入速度模式，當再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）運動，松開則停止；７鍵用于選擇步進模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）行走一個步進角。步進角度可根據需要進行設置。

半自動模式按照觀測需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運動速度、方位運動速度。方位移動平臺首先按照方位運動速度運行至初始方位角，在此方位上，天頂移動平臺從初始天頂角按照天頂角步長運行至終止天頂角，每行走一個步長，光譜儀進行一次測量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數據的采集。

全自動模式下輸入主平面位置、熱點位置、天頂角步長、方位角步長、熱點鄰域天頂角步長、天頂運動速度、方位運動速度等參數后，多角度光譜信息采集系統將全自動運行。首先運行至主平面位置，在主平面上進行測量，當進入熱點范圍，天頂角步長減少，測量數據加密。之后到下一方位角進行觀測，直至采集完全部數據。

４結論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測量將得到更多的應用。多角度光譜信息采集系統具有機械結構簡單、安裝運輸方便、測量視場內無陰影、操控容易、模式多樣、自動化程度高、定位準確等特點，能夠滿足實地多角度測量的多種觀測需求，其發展空間較大，擁有更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

［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］． 農業工程學報，２００６（２２）：１０４－１０８．

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［１０］ 王文斌．機械設計手冊新版（第一卷）［Ｍ］．北京：機械工業出版社，２００７．

［１１］ 劉承香，阮雙琛，黃貴明，等． 多光源多角度自動采集系統的機械設計［Ｊ］． 機械設計與制造，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，它可接收各傳感器的輸入信號并處理各信號，按照信號要求執行對應的程序。其與控制平臺軟件，通過串口通信傳遞數據，與電機驅動器通過ＣＡＮ總線通訊，控制兩路電機。

２４ Ｖ輸出為兩路電機驅動器供電，電機驅動器１、２分別接收主控板發來的ＩＤ、命令字和數據，通過ＰＩＤ調節精準控制電機的轉速、方向與轉數。旋轉編碼器１、２可檢測電機的轉速、電機軸的角位移以及旋轉方向，并將其轉化為電信號返還給驅動器，形成閉環控制，精度較高。電機驅動器選用ＭＬＤＳ２４１０－ＣＡＮ驅動器，電機為ＭＡＸＳＯＮ直流伺服電機，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１、２不同的運動方式帶給采集系統多種觀測模式，可完成全部的觀測流程，在此過程中，光譜儀將采集到的數據存儲在計算機中。

３．２軟件系統

多角度光譜信息采集系統的軟件系統包括控制平臺軟件與單片機執行程序。

多角度光譜信息采集系統（圖7）的控制平臺基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統運行，可以在此選取多角度光譜信息采集系統的觀測模式并輸入運動參數。在控制平臺中還可以調用光譜儀的控制軟件，用以操作光譜儀工作并存儲、讀取測量數據。此外，根據觀測地經緯度、觀測時間計算主平面位置、熱點位置等準備工作均可在控制平臺中完成。

根據實地測量的需要，在多角度光譜信息采集系統的上位機控制平臺中，設計有３種模式，分別為自主遙控觀測模式、半自動觀測模式與全自動觀測模式。在半自動與全自動觀測模式中，提供有運動控制參數的輸入界面，用戶可根據需要在此輸入運動參數，滿足不同的觀測需求。

在單片機執行程序中，首先通過串口通信模塊接收上位機控制平臺的數據，并對數據進行解析。之后按照選定模式的運動方案，通過ＣＡＮ總線通訊將命令字及數據傳給驅動器，控制電機按照不同的運動模式運轉。

自主遙控觀測模式無需輸入任何運動參數，選擇此模式，可以直接使用遙控器控制天頂與方位的運動。遙控器為８鍵無線遙控器，其中１鍵用來歸零，使天頂機構與方位機構回到初始位置；２、３鍵用于控制天頂的運動方向；４、５鍵用于控制方位的運動方向；６鍵用于選擇速度模式，按一次６鍵后，進入速度模式，當再次按下２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）運動，松開則停止；７鍵用于選擇步進模式，即按下一次７鍵后，每按一次２或３鍵（４或５鍵）則天頂移動平臺（方位移動平臺）行走一個步進角。步進角度可根據需要進行設置。

半自動模式按照觀測需求輸入初始天頂角、初始方位角、天頂角步長、終止天頂角、天頂運動速度、方位運動速度。方位移動平臺首先按照方位運動速度運行至初始方位角，在此方位上，天頂移動平臺從初始天頂角按照天頂角步長運行至終止天頂角，每行走一個步長，光譜儀進行一次測量。此模式用于某一方位平面下ＢＲＤＦ數據的采集。

全自動模式下輸入主平面位置、熱點位置、天頂角步長、方位角步長、熱點鄰域天頂角步長、天頂運動速度、方位運動速度等參數后，多角度光譜信息采集系統將全自動運行。首先運行至主平面位置，在主平面上進行測量，當進入熱點范圍，天頂角步長減少，測量數據加密。之后到下一方位角進行觀測，直至采集完全部數據。

４結論

隨著定量遙感理論研究的不斷深入，多角度測量將得到更多的應用。多角度光譜信息采集系統具有機械結構簡單、安裝運輸方便、測量視場內無陰影、操控容易、模式多樣、自動化程度高、定位準確等特點，能夠滿足實地多角度測量的多種觀測需求，其發展空間較大，擁有更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

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