Transportables Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum.

: o Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein transportables Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum , geeignet für die radiometrische Messung des Reflexionsverhaltens einer natürlichen Oberfläche, mit einer Hauptsäule,

1 5 die eine AbStützung gegenüber der natürlichen Oberfläche aufweist und an ihrem oberen Säulenende über eine Verschraubung mit dem festgelegten Auslegerende eines Auslegers, dessen anderes Auslegerende als freies Auslegerende ausgebildet ist, verbunden ist, und mit einem Spektrometer mit einer Optik und einem Sensor, wobei die Optik über eine optische Faser mit 0 dem Sensor verbunden ist.

Ein Goniospektrometer (auch Spektrogoniometer, Gonioreflektometer, Reflexionsgoniometer, Reflektanzgoniometer oder auch kurz nur Goniometer, wobei ein Goniometer grundsätzlich ein Gerät zur Winkelbestimmung ist) ist 5 ein Gerät zur Messung des Reflexionsverhaltens einer natürlichen Oberfläche, beispielsweise eines vegetationsbedeckten U ntergrunds. I n der Regel wird die bidirektionale Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) bei gegebener

Lichteinfalls- und Betrachtungsrichtung ermittelt, d.h. es wird der

Reflexionsfaktor in Abhängigkeit vom Sonnenstand und von der Optikposition 0 ermittelt. Dabei werden der Azimutwinkel (Winkelrichtung der Sonne, gemessen von eine r Himmelsrichtung (i.a. Norden) an (0°) im Uhrzeigersinn bis 360°) und der Zenitwinkel (Winkelstand der Sonne über dem Horizont, gemessen vom-Horizont (90°) bis 0° über dem Objekt) als Parameter in der Beobachtungsgeometrie berücksichtigt. Die BRDF ist eine fundamentale optische Eigenschaft des reflektierenden Materials. Wegen der großen

5 Variabilität der BRDF je nach den Materialeigenschaften der Oberfläche

können sich praktische Anwendungen nicht auf einzelne Nadir-Messungen dieser Oberfläche stützen. Es werden BRDF-Modelle benötigt, die die charakteristischen Eigenschaften der Objektgruppe (Grasland,

landwirtschaftliche Oberfläche zu verschiedenen phänologischen Stadien etc.)

1 0 beschreiben. Die satellitenbasierte Erdbeobachtung (seit Ende 1 970) forderte eine verstärkte Untersuchung der gerichteten Reflexionseigenschaften der Materie und damit die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der gerichteten Reflexion für die BRDF-Korrektur der spektralen Satellitendaten . Beispielsweise zeigt die Vegetation in einem Permafrostgebiet, z. B. die i 5 sibirische Tundra, ein starkes anisotropes Verhalten, d. h. ein

richtungsabhängiges Rückstrahlungsverhalten des Sonnenlichts. Die Stärke der Anisotropie ist dabei von der Bodenfeuchte, Sonnenzenitwinkel und Zenitwinkel der Optik des Goniospektrometers abhängig. Anisotropes

Reflexionsverhalten (auch anisotrope Reflektanz oder differentielle

0 spektroskopische Reflektanz) beeinflusst also in starkem Maße die BRDF.

Besonderes relevant ist die BRDF-Korrektur bei Daten von Weitwinkel- Satelliten und Schmalwinkel-Satellitenmissionen mit Schrägaufnahme- Methodik. Durch die technische Entwicklung der Satellitenmissions-Plattformen 5 mit größerer Lenkbarkeit und technischen Verbesserungen verwenden die aktuel len und die zukünftig geplanten nationalen und internationalen Satellitenmissionen verstärkt die Schrägaufnahmetechnik, um trotz Wolkenbedeckung Datenakquise möglich zu machen. Durch die neue Technik und mobile

Plattformen wächst der Prozentsatz von Schrägaufnahmen der Schmalband-

3 _, 0 Satelliten i m Gegensatz zu den Nadir-Aufnahmen überproportional . Eine

BRDF-Korrektur ist dann erforderlich, wenn quantitative und qualitative

Parameter der Oberfläche abgeleitet werden. Weitwinkelsatelliten sind Satellitenmissionen auf einem hohen Orbit mit einem breiten Aufnahmestreifen, der BRDF-Korrektur außerhalb des Nadir-Streifens erfordert. Die Weitwinkel Satellitenmissionen sind vor allem die Langzeit- Satellitenmissionen (NOAH AVHRR Satellitenmission seit den 70ern, NASA MODI S (seit 2000), die globale Parameterkarten, z. B. Vegetationsindex, Leaf Area Index, Vegetationsklassen, zur Verfügung stellen.

Hintergrund für Feldmessungen ist die Tatsache, dass sich klimabedingte Änderungen beispielsweise in einem Permafrostgebiet in der Änderung des Oberflächentemperaturregimes und des Feuchteregimes zeigen. Sekundär wird damit die Vegetationsbedeckung und die Vegetationsentwicklung beein- flusst. Permaf rostgebiete nehmen fast ein Vie rtel der Landoberfläche nördlich des Äquators ein und sind damit global bedeutend, dabei aber schwer zugänglich und wissenschaftlich bislang nur gering erkundet. Die hyperspektrale Fe rnerkundung mit Satellitenmissionen bietet hier ein großes Potenzial, um Modelle zur Kohlenstoffbilanzierung und zur Berechnung von Ene rgie- und Treibhausgasflüssen und zur Exploration von Rohstoffen, deren Vorkommen die natürliche Oberfläche in charakte ristischer Weise beeinflussen, und zur Erkundung von geeigneten Anbaugebieten, beispielsweise für Getreide oder Ölpflanzen, zu speisen. Neue Satelliten sind in der Lage, durch

Verschwenkung auch Schrägaufnahmen von der Erdoberfläche zu erstellen, was zu einer Vervielfachung der Messpunkte gegenüber den einfachen Vertikalaufnahmen führt. I n diese n Schrägaufnahmen ist der Einfluss der Anisotropie bislang nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt. Um zu e rmitteln, ob eine Korrektur von Schrägaufnahmen nötig ist, müssen in-situ Messungen unter realen Aufnahmebedingungen im Gelände durchgeführt werden . Hierfür werden seit Jahren Goniospektrometer genutzt. Ein

transportables Goniospektrometer (auch Feld- oder Gelände-Gonio- spektrometer) ist für den Feldeinsatz besonde rs geeignet (ein Laboreinsatz ist abe r auch ohne weiteres möglich) . Dabei hat es sich aber gezeigt, dass be kannte Geländegoniometer für die speziellen Anforderungen, insbesondere Logistik wie Transport in unzugänglichem Gelände ohne Straßen, kleine Teamgrößen, als auch die hohe Luftfeuchtigkeit und Kälte (die hohe

Anforderungen an die Operabilität stellen), in Permafrost- und Arktisgebieten n ur bedingt geeignet sind. Grundsätzlich kann unterschieden werden zwischen Goniospektrometern mit konstantem Observationszentrum (Messort) und Goniospektrometern mit konstanter Optikposition . Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum bestehen meist aus einem Azimutring (entspricht Himmelsrichtung-Horizont), auf welchem ein Zenitring (entspricht Sonnentageslauf) befestigt ist, der sich unte r Führung durch den Azimutring bewegen lässt. Am Zenitring ist ein verschiebbarer Schlitten befestigt, der die Optik zur radiometrischen Messung trägt und ihn frei unter einem Zenitwi nkel fixieren kann. Goniospektrometer mit einer konstanten Optikposition bestehen meist aus einem Arm, an dem eine Optik befestigt ist, welche in verschiedenen Winkeln zum Objekt eingestellt werden kann . Das„Environmental Mapping and Analysis Program" (EnMAP) ist die erste deutsche hyperspektrale Satellitenmission. Ziel ist es, qualitativ hochwe rtige hype rspektrale Daten zum zeitlich hochaufgelösten Monitoring von geo- und biosphärischen Parametern der Erdoberfläche bereitzustellen. Der Start von EnMAP ist für 201 5 vorgesehen. EnMAP zeichnet die Erdoberfläche auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn aus einer Höhe von 643 km mit einer Bodenauflösung von 30 Metern auf. Die Abtastbreite beträgt 30 Kilometer, wobei de r Satellit eine Streifenlänge von bis zu 5000 km pro Tag verarbeiten kann . Die Möglichkeit der Schwenku ng des Satelliten um bis zu +/- 30° erlaubt Vergleichsbeobachtungen desselben Ortes innerhalb von vier Tagen. Der ca. 766 kg schwere Satellit besitzt 21 8 Kanäle im reflexiven Spektralbereich zwischen 420 ünd 2.450 Nanometern. Aus der Analyse der spektralen Signaturen lassen sich quantitative I nformationen über Vegetation, Boden und U mweltbeschaffenheit ableiten. I m Rahmen des EnMAP wird vom Alfred- Wegener-I nstitut das Forschungsprojekt„hy-ARK-VEG" (Hyperspektrale Methodenentwicklung für Arktische Vegetationsbiome) betrieben, das sich mit der Algorithmenentwicklung für Schmal- und Mehrband-Vegetations-I ndizes fü r Permafrost- und Tundralandschaften beschäftigt. Ziel ist es, die entwickelten Algorithmen fü r Vegetations-I ndizes (VI) und Leaf-Area-Indizes (LAI ) mit weiter ve redelten, quantitativen biophysikalischen Parametern (empi rische Ableitungen zu Vegetationsbedeckung und Vegetationsbiomasse) in die EnMAP- Toolbox einzubinden. Darüber hinaus werden innovative Anisotropie-Untersuchungen mittels Geländegoniometermessungen in der arktischen Tundra und Tundra-äquivalenten Biomen in mitteldeutschen Bergbaufolgelandschaften du rchgeführt, um EnMAP Aufnahmegeometrien zu simulie ren und Normalisierungsmethoden für Schrägaufnahmen zu implementieren.

Stand der Technik

Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wi rd in der Veröffentlichung I„Polarised Multiangular Reflectance Measurerments Using the Finish Geodetic I nstitute Field Goniospectrometer" von J. Suomalainen et al. (in Sensors 2009, 9, 3891 -3907) beschrieben. Das offenbarte transportable Goniometer (Akronym FIGI FIGO) wird für die radiometrische Messung des Reflexionsve rhaltens von natü rlichen Untergründen, gezeigt werden Messungen i m Schnee, eingesetzt. Das FIGI FIGO gehört zur Gattung der Goniospektro- meter mit konstantem Observationszentrurm und besteht aus einer zentralen Hauptsäule, die eine AbStützung in Form einer Box gegenüber der zu vermessenden natürlichen Oberfläche, hier eine Schneedecke als natürlicher Untergrund, aufweist. Die Hauptsäule ist an einer Längsseite de r Box seitlich schwenkbar angeordnet. An ih rem oberen Säulenende ist die Hauptsäule über eine Verschraubung mit dem festgelegten Auslegerende eines Auslegers verbunden. Weiterhin weist das bekannte Goniometer ein Spektrometer mit einer Opti k und einem Sensor auf , wobei die Optik über eine optische Faser mit dem Sensor verbunden ist. Die Optik ist am Ort der Verschraubung angeordnet, am Ende des Auslegers befindet sich ein drehbarer Spiegel, über den die Reflexionen der Schneedecke in die Optik umgeleitet werden. Damit wird das konstante Observationszentrum nur du rch den Spiegel und nicht du rch die Optik erreicht. Die Verschraubung besteht aus einer Art offener Schelle, die das runde Gehäuse umfässt und du rch eine Schraubverbindung festklemmt. Der Sensor ist zusammen mit einer Auswerteeinheit in der Box am unte ren Säulenende der Hauptsäule unte rgebracht. I n einer Position der Box auf der Schneedecke kann mit dem Gerät eine Messreihe in einer Ebene parallel zur Vorderkante der Box unter verschiedenen Betrachtungswinkeln (Kippen der Hauptsäule entlang der Vorderkante der Box) in einem Messort (Sichtfeld) durchgeführt werden . U m Messungen im Messort in verschiedenen Ebenen durchzuführen zu können, muss die ganze Box gedreht werden .

Das klassische Feld-Goniospektrometer mit konstantem Oberservationszen- trum mit de m oben beschriebenen Aufbau aus Azimut- und Zenitring wird in der Veröffentlichung IA:„The i mproved Dual-view Field-Goniometer System FIGOS" von J . Schopfer et al. (in Sensors 2008, 8, pp. 51 20-51 40) beschrieben und hier der Vollständigkeit des Überblicks halber erwähnt. Deutlich zu erkennen ist der konstruktiv stabile, aber auch raumeinnehmende Aufbau. Nach dem Vorbild des FIGOS wurden viele weitere Gelände- und Labor- Goniospektrometer entwickelt.

Aus der Veröffentlichung II :„A low-cost field and laboratory goniometer System for estimating hyperspectral bidirectional reflectance" von CA. Coburn et al. (in Can. J . Remote Sensing, Vol. 32, .No.3, pp. 244-253, 2006) ist der Grundtyp des Goniospektrometers mit konstantem Oberservationszentrum bekannt. Er besteht aus einem geschlossenen Azimutring, auf dem diametral ein halber Zenitring drehbar angeordnet ist. Auf dem halben Zenitring läuft ein Schlitten mit der Optik, die an jeden Punkt auf der Halbkugelschale gefahren werden kann. Ein vollständig automatisiertes Goniospektrometer mit konstantem Oberservationszentrum ist aus der Veröffentlichung III :

„Automated spectro.-goniometer: A spherical robot for the field measurement of the directional reflectance of snow" von T. Painter et al. (in Rev. Sei. I nstrum . , Vol.74, No. 1 2. Dec.2003, pp. 61 79-51 77) bekannt. Hier ist über einem

Azimutbogen nur ein Viertel Zenitbogen vorgesehen, der an seinem Ende zwei weitere Bogenabschnitte trägt, die jeweils drehbar gelagert sind. Am Ende des zweiten Bogenabschnitts ist die Optik angeordnet. Gemessen wird die H RDF (Hemispherical directional reflectance function), die im Gegensatz zur B RDF noch die diffuse Reflexion der natürlichen Oberfläche berücksichtigt. Ein guter Überblick über die verschiedenen Entwicklungen auf dem Gebiet der Feld- spektros-kopie bis 2007 wird i n der Veröffentlichung IV:„Progress in field spectroscopy" von E.J . Milton et al. (i n Remote Sensing of Environment (2007), doi : 1 0.1 01 6/ j . rse.2007.08001 ) gegeben. Gut zu erkennen sind die

unterschiedlichen Bemühungen der Anwender, die Goniospektrometer möglichst leicht und einfach transportabel zu machen.

Aus der WO 2006/056647 A1 ist ein tragbares Goniometer zur Charakterisieru ng von künstlichen Oberflächen bekannt, dessen Hauptsäule mit drei Stempeln als Stützen gelagert ist. Entlang dieser Stützen ist die Hauptsäule vertikal und horizontale verfahrbar. Am unteren Säulenende ist die Hauptsäule mit dem festgelegten Auslegerende eines relativ kurzen Auslegers fest verbunden. Dessen freies Auslegerende ist fest mit der Mitte eines Bogens verbunden. Der Bogen trägt in fester Position eine Röntgenquelle und einer Optik. Durch Drehung des Auslegers um dessen Längsachse können

Ei nstrahl- und Beobachtungswinkel relativ zum Messort in einem

Winkelbereich verändert und im Labor gemessen werden.

Aus de r DE 26 43 647 A1 ist eine Einrichtung zur Simulierung von Sonneneinstrahlung im Labor bekannt, bei dem an einem um die Horizontalachse des Einstrahlobjekts schwenkbarer Bogen vorgesehen ist, der einen weiteren Bogen mit orthogonaler Ausrichtung zum ersten Bogen trägt. Der weitere Bogen kann entlang des ersten Bogens verschoben werden. Am weiteren Bogen ist ein verschiebbarer Schlitten mit einer Beleuchtungsquelle angeordnet. Das Einstrahlobjekt ist auf einem Drehtisch angeordnet, sodass durch das Zusammenspiel der einzelnen Drehungen , Schwenkungen und Ve rschie- bungen alle gerichteten Sonneneinstrahlungen auf jeden Ort des

Einstrahlobjekts simuliert werden können. Aus der EP 1 470 41 3 B1 ist ein transportables Diffraktometer zur Labormessung mit einer Hauptsäule bekannt, das auf einem fahrbaren Gestell angeordnet ist. An der Hauptsäule ist ein vertikaler Ausleger befestigt, der über eine drehbare ^' Aufhängung fest mit einem Bogen verbunden ist. Auf dem 5 Bogen ist neben einer Röntgenstrahlquelle auch ein Detektor befestigt, der auf dem Bogen ve rschoben werden kann. Weiterhin kann der Bogen noch um die Ebene entlang des vertikalen Auslegers verkippt werden, sodass mit dem Detektor beliebige Winkeleinstellungen auf eine m Vollkreis um das Messobjekt herum eingenommen werden können.

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Aufgabenstellung

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen, gattungsbildenden transpor- 1 5 tablen Goniospektrometer mit konstantem Observationszentrum und eine m Ausleger gemäß dem nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe f ür die vorliegende Erfindung darin zu sehen, dieses so weiterzubilden, dass eine . radiometrische Messung der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF) einer natürlichen Obe rfläche, insbesonde re mit anisotropem20 ■ Reflektanzverhalten, unter frei wählbarem Azimut- und Zenitwinkel der Optik bei einer gegebenen Strahlungsquelle mit beliebigem Einfallswinkel,

insbesondere Sonneneinstrahlung, du rchführbar ist. Dabei soll das erfindungsgemäße Goniospektrometer aber besonders leicht und damit gut transportabel, robust und kostengünstig sowie besonders wetterfest sein, um auch unter 25 erschwerten Einsatzbedingungen optimal im Gelände arbeiten zu können. Die e rfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der

Erfindung näher erläutert.

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Das weitergebildete gattungsgemäße Goniospektrometer ist erfindungsgemäß eine rseits dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger an seinem freien Auslegerende eine Aufhängung aufweist, die mit dem Sensor des Spektrome- ters und mit einem festgelegten Bogenende eines Bogens verbunden ist.

Dabei ist die Aufhängung um eine vertikal zur natürlichen Oberfläche ausgerichtete Vertikalachse dreh- und fixierbar. Das andere Bogenende des Bogens ist als freies Bogenende ausgebildet. Durch die Aufhängung wird der Bogen im Abstand seines Radius oberhalb der natürlichen Oberfläche positioniert.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Bogen ein Schlitten angeordnet ist, der die Optik In einer radiometrischen Ausrichtung auf das Oberservationszentrum trägt. Dabei kann der Schlitten entlang des Bogens ve rschoben und an jeder Stelle fixiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Goniospektrometer Ist also ein Bogen mit definierter Länge an seinem einen Ende an einer drehbaren Aufhängung befestigt, die ihrerseits wiederum am Ende des Auslegers befestigt ist. Es entsteht ein leichtgewichtiges Gebilde nach Art eines Mobiles, das eine einfache und leichte Ausrichtung des Bogens durch Drehung der Aufhängung ermöglicht. Dabei ist der Bogen im Abstand seines Bogenradius zur zu vermessenden natürlichen Oberfläche, auf der das Observationszentrum liegt, aufgehängt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Optik bei der Drehung des Bogens um die Aufhängung und beim Verschieben des Schlittens entlang des Bogens immer auf das Observationszentrum ausge- richtet ist. Bei einer maximalen Bogenlänge von π und einer maximalen Bo- gendrehung von 2π kann damit die Optik des Sensors auf jede Azimut- und Zenitposition auf einer Halbkugelschale mit dem Observationszentrum im Mittelpunkt der Kugel eingestellt werden . Dadurch kann bei gegebenem

Einfallswinkel einer Strahlungsquelle, insbesondere des Sonnenlichts, an jede r, beliebigen Position auf der Halbkugelschale der BRF (bidirektionaler

Reflektanzfaktor) gemessen werden, welcher dann in den BRDF-Wert umgerechnet werden kann.

Das Goniospektrometer nach der Erfindung wurde für das o.g. Forschungs- projekt des AWI entwickelt und zeichnet sich durch ein geringes Gewicht, eine hohe Transportierbarkeit und eine geringe Anfälligkeit gegenüber Witterungseinflüssen aus. Besonders vorteilhaft ist auch die schnelle Datenaufnahme, da immer nur ein Zenitwinkel am Bogen eingestellt wird und dann ohne weitere Umbauten alle Azimutwinkel zu diesem Zenitwinkel gemessen werden können. Bei einem Betrieb unter EnMAP-Spezifikationen (-30° bis + 30° Blickzenit- . winkel) und einer Zenitwinkelauflösung von 1 0° sind nur vier Umbauten erfor-

5 derlich, um alle Zenit- und Azimutpositionen aufnehmen zu können. Ebenso können Messprogramme gefahren werden, die eine Zenit- oder Azimutwinkelauflösung von 1 ° ermöglichen. Dabei kann sich der Nutzer sein Messpro- gramm grundsätzlich individuell selbst zusammenstellen. Weiterhin können neben EnMAP auch andere Satelliten, beispielsweise AVHRR, LI NDSAT, l o meris, modis) simuliert werden. Das Goniospektrometer nach der Erfindung kann alle EnMAP- Aufnahmegeometrien simulieren und somit unter realen Bedingungen den Einfluss der Anisotropie auf die spektrale Signatur in arktischen Gebieten zeigen. Es verbindet die Vorteile der Vorrichtungen mit konstantem Observationszentrum (höhere Winkelgenauigkeit in der

1 5 Positionseinstellung) mit denen der Vorrichtungen mit einer konstanten

Optikposition (leichter, transportabler, schnell aufzubauen).

Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Goniospektrometers ist der Ausleger bogenförmig ausgebildet. Dies füh rt zu einem stabilen Halt des

20 Auslegers in einer definierten Höhe über der natürlichen Oberfläche mit dem Oberservationszentrum. Dabei ist der Ausleger aber trotzdem leicht, .

transportabel und robust. Einen optisch besonders ästhetischen

Gesamteindruck ergibt sich, wenn der Ausleger entsprechend seines Abstands zum Bogen einen solchen Krümmungsradius aufweist, dass der Bogen und

25 der Ausleger konzentrisch zueinander angeordnet sind. Bei einer weite ren

Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Bogen eine solche Bogenlänge aufweist, dass der Schlitten beginnend bei der Vertikalachse um einen

Bogenwinkel von 30° auf dem Bogen verschiebbar. ist. Grundsätzlich kann der Bogen jede Länge bis zum Viertelkreis aufweisen. Darüber hinaus ist eine

30 einfache Ausrichtung der Optik auf das Oberservationszentrum nicht mehr ^' möglich. Um eine freie Verdrehbarkeit des Bogens in einem Vollkreis mit einer Drehrichtung zu ermöglichen, ist ein entsprechender Abstand zum Ausleger bzw. zur Hauptsäule einzuhalten. Dabei hängt es von der Höhe der Säule, von der Länge der Aufhängung und vom Neigungswinkel des Auslegers ab, ob das freie Bogenende bei entsprechender Bogenlänge gegen den Ausleger oder gegen die Hauptsäule stoßen könnte. Ansonsten kann der Bogen auch aus

5 beiden Drehrichtungen bis an der Hauptsäule bzw. an den Ausleger gedreht werden. Bei einer Einbindung des Goniospektrometers in ein Programm mit einem verschwenkbaren Satelliten hängen die Einblickswinkel der Optik In das Oberservationszentrum entsprechend von den Schwenkwin keln des Satelliten ab. Bei EnMAP kann dieser um ±30° verschwenkt werden. Folglich muss auch l o die Optik einen Einblickswinkel von 30° einnehmen können . Damit der

Schlitten in eine entsprechende Position auf dem Bogen verfahren werden kann, ist es also nur erforderlich, dass der Bogen eine Bogenlänge von etwas über π/6 aufweist. Dadu rch kann der Ausleger entsprechend ku rz und stabil gehalten und immer noch gewährleistet werden, dass der Bogen frei darunter

1 5 hindurchdrehen kann.

Um die Optik an jedem Ort der Kugelschale platzieren zu können, ohne dabei das gesamte Goniometer drehen zu müssen, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Auf hängung in einem Voll kreis drehbar ausgebildet ist. Bei einem

20 begrenzten Drehwinkelbereich wäre entsprechend die gesamte Apparatur zu drehen. Bei einer Positionierbedingung der Optik nur auf der ei nen Hälfte der Kugelschale (bei einer Symmetrie der Anisotropie der Reflexion) kann aber ein begrenzter Drehwinkelbereich ausreichend sein. Die Aufhängung kann dann entsprechend einfach konzipiert sein . Wenn gemäß einer weiteren

25 Erfindungsausgestaltung die Aufhängung manuell verdrehbar und der Schlitten manuell verschiebbar ausgebildet ist, ist eine weitere Vereinfachung möglich . Vorteilhaft ist auch das Entfallen von elektrischen Antrieben, die unter

Witterungseinflüssen, insbesondere unter Feuchtigkeit leiden können. Somit kann das Goniospektrometer nach der Erfindung auch in Regionen mit höherer

30 Feuchte (z. B. Tundra) betrieben werden. Außerdem verringert sich durch das Wegfallen von Elektronik und ggfs. Batterien das Gesamtgewicht des Goniospektrometers. I nsbesondere das man uelle Verdrehen der Aufhängung zur Einstell ung des Azimutwinkels der Optik und das man uelle Verschieben des Schlittens zur Einstellung des Zenitwinkels der Optik wird erleichtert, wenn auf dem Bogen und auf der Aufhängung eine G radei nteilung, beispielsweise mit einer 1 °- Schrittweite, vorgesehen ist. Ansonsten sjnd die Gradeinteilu ngen auch bei ei ner motorischen Verstellung von Vorteil, um die aktuelle Winkelposition ablesen zu können .

Zu r Ermittlung zuverlässiger Messwerte muss der Abstand des Bogens über dem Observationszentrum im Bogenradius konstant sein. Dies wird zum einen bei der Erfi ndung durch eine ausreichende Stabilität der Materialien und Verbindungen erreicht. Eine weitere Verbesserung kann aber erreicht werden , wen n bevorzugt vorteilhaft das festgelegte Auslegerende des Auslege rs übe r die Versch raubung hinausgeht und hinter de r Verschraubung mittels einer längenverstellbaren Auslegerverstrebung mit der Hauptsäule verbunden ist. Eine an der Aufhängung und damit am f reien Auslegerende angreifende Zugkraft kann dadu rch nicht mehr zu einer Absenkung des Auslegers führen. Weiterhin kann der Ausleger besonders gut stabilisiert werden, wen n der vorteilhaft und bevorzugt über eine Auslege rstütze an der Hauptsäule abgestützt ist. Die Auslegerstütze ist als reiner Druckstab konzipiert und verhindert zuverlässig die Absenkung des Auslegers. Ähnliches gilt für den Bogen, der analog zum Ausleger übe r ein festgelegtes und ein freies Ende verfügt. Die Stabilität des Bogens kann verbessert und ein Absenken verhindert werden, wenn. bevorzugt und vorteilhaft der Bogen mittels einer an seinem freien Bogenende angeordneten längenverstellbaren Bogenverstrebung mit der drehbaren Aufhängung verbunden ist. Ve rstrebung und Bogen werden somit gemeinsam gedreht, sodass ein Verdrehen verhinde rt ist. Weiterhin können an der Bogenverstrebung die elektrischen und optischen Kabel zwischen Spektrometer und Sensorik bzw. Optik befestigt werden . Dies kann beispielsweise mittels einfacher Kabelbinder erfolgen. Bei der Drehung der Bogenverstrebu ng wird über die daran befestigten Kabel dann das Spektrometer an seiner Aufnahmeplatte mitgedreht und immer korrekt nach außen zeigend ausgerichtet.

Ein weiterer Punkt für die Handhabbarkeit und Genauigkeit des Gonio- spektrometers bei der Arbeit im Feld betrifft die AbStützung der Hauptsäule gegenüber der natürlichen Oberfläche. Bekannt sind geschlossene

Azimutkreise und kompakte Boxen, die aber insbesondere auf unebenen Oberflächen (Untergründen) verkippen können. Vorteilhaft ist bei der Erfindung deshalb die AbStützung der Hauptsäule gegenüber der natü rlichen Oberfläche als Dreibeingestell ausgebildet, das über eine Ständerhülse mit der Hauptsäule ve rbunden ist, wobei jedes Bein mit seinem oberen Beinende mit der

Ständerhülse und mit einer Dreibeinverstrebung mit der Hauptsäule verbunden ist und aus zumindest zwei Beinelementen besteht, die längenverstellbar miteinander verbunden sind. Ein Dreibeingestell ermöglicht eine optimale AbStützung und Unabhängigkeit von möglichen Bodenunebenheiten . Über die Standerhülse wird das Dreibeingestell in einfacher Weise mit der Hauptsäule verbunden, wobei dies in unterschiedlicher Höhe erfolgen kann, was lediglich einen unterschiedlichen Anstellwinkel der einzelnen Beine zu r Folge hat. Dabei kann das Dreibeingestell noch zusätzlich in seiner Standfestigkeit gesichert werden, wenn die Hauptsäule an ihrem unteren Säulenende und die Beine des Dreibeingestells an ihren unteren Beinenden Bodenplatten aufweisen, die über Bodendorne zum Einstecken in die natürliche Oberfläche und Befestigungsplatten auf der natürlichen Oberfläche fixierbar sind. Alternativ können bevorzugt und vorteilhaft auch die , Hauptsäule an ihrem unte ren Säulenende u nd die Dreibeine des Dreibeingestells an ihren unteren Beinenden gelenkige Bodenplatten aufweisen, die in Bodenschuhen mit Bodendornen zum .

Einstecken in die natürliche Oberfläche auf der natürlichen Oberfläche fixierbar sind. Durch die Gelenkigkeit der Bodenplatten können diese besser auf dem Untergrund ausgerichtet werden . Das Gelenk an der Hauptsäule kann durch eine Überschubhülse i n der orthogonale n Position fixiert werden. Die Bodenschuhe werden durch zentrale Bohrungen hindurch mit den Bodendornen im Boden verankert, anschließend we rden die Bodenplatten eingestellt. Eine Drehung der Bodenplatten in den Bodenschuhen wird verhindert, wenn diese beispielsweise rechteckig ausgeführt sind, wohingegen runde Bodenplatten an gegenüberliegenden Seiten parallele Abflachungen aufweisen. Näheres ist dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Andere wichtige Aspekte bei dem Goniospektrometer nach der Erfindung sind seine Anpassbarkeit an den und seine Transportierbarkeit zum Messort.

Vorteilhaft bestehen dafür die Hauptsäule aus zumindest zwei Säulenelementen und der Ausleger aus zumindest zwei Auslege relementen, die jeweils längenverstellbar und lösbar miteinander verbunden sind. Bevorzugt und vorteilhaft können die beiden Säulenelemente durch ein fixierbares Klappscharnier miteinander verbunden sein. I m zusammengelegten Zustand sind die beiden Säuleneleme nte dann parallel zueinander ausgerichtet, aber weite rhin miteinander verbunden, im montierten Zustand liegen die beiden Säulenele- mente linear in Flucht hintereinander. Das Klappscharnier hat also einen Klappwinkel von 1 80°. Dabei weisen die Säulenelemente und Auslegerelemente solche Abmaße auf, dass sie in einer kompakten Transportkiste mit Griff und Rädern oder Kufen unterbringbar sind. Analoges gilt auch für das Dreibeingestell . Die Hauptsäule kann durch die längenverstellbare Mehr- teiligkeit einfach in ihrer Länge eingestellt werden , um den Bogen im Radiusabstand über dem Oberservationszentrum zu positionieren. Durch die Längen- verstellbarkeit können alle Komponenten optimal an den Messort und auch aufeinander abgestimmt werden. Durch die Mehrteiligkeit können sie einfach demontiert und transportiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn alle Elemen- te durchlaufend nummeriert sind, um diese anhand von Montageplänen in einfacher Weise zuordnen zu können. Der Transport kann beispielsweise in einer Box mit den Maßen 1 50x30x50 cm erfolgen. Zum Transport auf festem Boden kann die Box Gummireifen oder Ballonreifen aufweisen. Zum Transport auf Schnee kann sie alternativ Kufen aufweisen oder es können Kufen über die Reifen geschoben werden . Die Verschraubung dient der Verbindung und der Einhaltung eine vorgegebenen Winkels zwischen Hauptsäule und Ausleger. Dabei muss die

Verschraubung so fest sein, dass der Ausleger unter der angehängten Last nicht absinkt. Dafür kann in einer nächsten Modifikation der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Verschraubung zwischen Hauptsäule und Ausleger aus einer Säulenplatte an der Hauptsäule und einer Auslegerplatte am Ausleger mit einer Zentralverschraubung und einer Reihe von Fixierverschraubungen zur Einstellung eines Win kels zwischen Säulenplatte und Auslegerplatte aufgebaut ist. Die Zentralverschraubung sorgt für die feste Verbindung zwischen den Platten die Fixie rschrauben für die feste Winkeleinstellung. Ein weiteres wesentliches Element bei dem Goniospektrometer nach der Erfindung ist die drehbäre Aufhängung des Bogens am Ausleger. Vorteilhaft kann diese dadurch gekennzeichnet sein, dass sie aus einer Zentralstange mit einer oberen Aufnahmeplatte für de n Sensor des

Spektrometers und einem Drehstativkopf mit einer unteren Aufnahmeplatte zur Befestigung des festgelegten Bogenendes des Bogens aufgebaut ist. Die Aufhängung des Bogens mit der Aufnahmeplatte für den Sensor kann zusammen mit dem Bogen gedreht werden, sodass sich kei ne

Kabelverschlingungen ergeben. Der Drehstativkopf ist insbesondere aus der Fotografie bekannt, beispielsweise kann es von der Fi rma Manfrotto™ hergestellt werden. Er erlaubt eine präzise Einhaltung der Winkelgenauigkeit und ist um 360° drehbar. Dabei kann bevorzugt und vorteilhaft die obere Aufnahmeplatte von der Hauptsäule radial wegzeigend an der drehbaren Zentralstange angeordnet sein. Das an der oberen Aufnahmeplatte

anordenbare Spektrometer wirkt dann immer als Gegengewicht zum Auslege r und trägt so zu dessen weiterer Stabilisierung bei.

Alternativ kann bevorzugt und vorteilhaft aber auch die drehbare Zentralstange an ihrem oberen Ende eine Kugel aufweisen, die von zwei miteinander verbindbaren Halbschalen aufgenommen ist, wobei die eine Halbschale fest mit dem freien Auslegerende verbunden ist. Diese Art der Aufhängung ist einem Kugelgelenk nachempfunden und hat den Vorteil, dass sie insbe- sondere unter Zug stabil und präzise ist. Weiterhin kann bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass an einer der beiden Halbschalen ein Aufnahmehaken zur Aufnahme einer Sturmabspannung und eine Flanschplatte zur Aufnahme eines satellitengestützten rtsdetektors angeordnet sind. Eine Sturmabspannung, beispielsweise zwei Seile, die unter einem Winkel zueinander in Windrichtung ausgerichtet und mittels Bodenhaken im Boden verankert werden, sorgt für einen zuverlässigen Stand des Goniospektro- meters auch bei stärkeren Winden. Weiterhin kann bevorzugt und vorteilhaft der Drehstativkopf als Winkeleinstellmodul ausgebildet sein mit einem obe ren Einstell ring zur Einstellung der Himmelsrichtung, einem mittle ren Einstellring zur Einstellung des Azimutwinkels und einem unteren Einstellring mit zumindest einer Kulissenführung zur automatisierten Einstellbarkeit des Winkels des Winkeleinstellmoduls. Ein solches Winkeleinstellmodul ist besonders robust und erlaubt einen höchsten Einstellkomfort mit einer besonders guten Ablesbarkeit des eingestellten Winkels. Es ist besonders auf Zugkraft ausgelegt. Es kann ein einfacher Weise zunächst die Himmelrichtung, dann die Lage der Grundebene auf einen Sonnenazimut eingestellt und abschließend in automatisierter Form die Mess- winkel durchfahren werden. I nsbesondere die Kulissenführung, die eine

Umsetzung von vorgegebenen Winkelintervallen auf rein mechanischem Wege ermöglicht, ist besonders unempfindlich gegenüber schwierigen Wetterbedingungen und erlaubt die I mplementation von beispielsweise zwei verschiedenen Messroutinen mit unterschiedlichen Winkelintervallen, beispielsweise grobe I ntervalle von 5° und feine I ntervalle von 1 °. Nähere Details sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Weiterhin kann mit dem Schlitten vorteilhaft auch zusätzlich eine Videokamera zur Beobachtung des Oberservationszentrums während der Messung und zeitweilig eine Spektraionpiatte mit einem Reflexionsgrad 1 zur Kalibrierung der Optik des Spektrometers verbunden sein. Weiterhin kann vorteilhaft ein satellitengestützter Ortsdetektor zur Feststellung der globalen Position des Goniospektrometers wäh rend des Messens an der Aufhängung befestigt sein. Schließlich können noch vorteilhaft Wasserwaagen zu r lotrechten Ausrichtung de r Hauptsäule und der Optik und/oder ein zweites Spektrometer zur Messung de r I rradianz (Strahlungsflussdichte, die das Beobachtungszentrum

du rchquert) und der diffusen Reflexion der natürlichen Oberfläche vorgesehen sein . Die Wasserwaagen werden bevorzugt an der Hauptsäule und an der Aufhängung befestigt. Das zweite Spektrometer kann zusammen mit einem ^' Diffusor am oberen Ende der Hauptsäule befestigt sein und dient der

Bestimmung der HRDF. Alternativ zu einer di rekten Befestigung am Gonio- spektrometer nach de r Erfindung kann es auch als eigenständiges Gerät in unmittelbarer Nähr zum Goniospektrometer nach de r Erfindung positioniert sein.

Schließlich können bevorzugt und vorteilhaft zumindest die Hauptsäule, de r Ausleger, die Aufhängung, das Winkeleinstellmodul, der Bogen , die Auslegerstütze, der Schlitten, das Dreibeingestell und die Dreibeinverstrebung aus schwarz eloxiertem Aluminium bestehen. Dadurch können eine unempfindliche Oberfläche mit guten Gebrauchseigenschaften und ein optisch besonders ästhetisches Erscheinungsbild des Goniospektrometers nach der Erfindung erreicht werden. Bevorzugt sind alle beim Goniospektrometer vorkommenden Konstruktionseiemente aus Aluminium schwarz eloxiert. Durch die Ve rmeidung von speziellen Anstrichen kann deren Aufschieben -u nd Abblättern durch Montage, Transport und Witterung vermieden werden . Insbesondere die Witterung kann an möglichen Einsatzorten des Goniospektrometers nach der , Erfindung von großer Bedeutung sein . Beispielsweise kann es in der Tundra sehr kalt und dabei feucht sein . Die Lichtverhältnisse können ebenfalls sehr schlecht sein. Deshalb ist es von Vorteil, wenn zumindest die Verschraubung zwischen Hauptsäule und Ausleger, die längenverstellbare Auslegerverstrebung, die längenverstellbare Bogenverstrebung, die Beinelemente des Dreibeingestells, die Ständerhülse, die Säuleneleme nte, die Auslegerelemente, das fixierbare Klappscharnier, die Halbschalen und das Winkeleinstellmodul manuell und ohne Anwendung von weiterem We rkzeug montierbar sind. Günstigstensfalls ist das gesamte Goniospektrometer ausschließlich von Hand ohne Einsatz von mechanischen oder elektrischen Werkzeugen montierbar und auch demontierbar. Gleiches gilt auch fü r die Handhabung. Alle Einstellungen und Messroutinen werden bevorzugt ohne Werkzeugeinsatz vorgenommen , Entsprechend sind alle Schraubverbindungen mit Knebelgriffen, alle sonstigen Verbindungen mit Stiften, Splinten, Kabelbindern oder Schnellverschlüssen und alle Einstellungen mit relativ großen Handringen ausgerüstet. Weitere Details zur Erfindung sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele

Ausbildungsformen des Goniospektrometers nach der Erfindung mit konstan- tem Observationszentrum, insbesondere geeignet für die radiometrische Messung des anisotropen Reflexionsverhaltens einer natü rlichen Oberfläche, werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Erfindung anhand der schematischen Figuren,, die in unterschiedlichen Maßstäben dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 die Beobachtungsgeometrie (Stand der Technik),

Figur 2 den prinzipiellen konstruktiven Aufbau,

Figur 3 im Detail die Hauptsäule,

Figur 3A ein Detail in den Bereichen des unteren Säulenendes und des unteren D reibeinendes,

Figur 4 im Detail die Auslegerverstrebung,

Figur 5 im Detail ein Dreibein als AbStützung,

Figur 6 im Detail den Ausleger,

Figur 6A im Detail das Klappscharnier des Auslegers,

Figur 7 im Detail die Verschraubung,

Figur 8 im Detail die Aufhängung in einer ersten Ausführungsform Figur 8A im Detail die Aufhängung in einer zweiten Ausführungsform ,

Figur 8B ein Detail der Aufhängung in der zweiten Ausführungsform,

Figur 8C ein weiteres Detail der Aufhängung in der zweiten

Ausführungsform,

Figur 9 im Detail den Bogen,

Figur 1 0 ein Schema für den gesamten Messaufbau und

Figur 1 1 Messschemen für Objekte ohne und mit Symmetrieachse.

l o Die Figur 1 zeigt aus dem Stand der Technik die Beobachtungsgeometrie für anisotrope Reflektanzmessungen, oben in der Schrägsicht, unten in der Nadir- Aufsicht (Nadir = dem Zenit auf der natürlichen Oberfläche SF gegenüberliegender Lotfußpunkt; Zenit = der senkrecht über dem Beobachter liegende Scheitelpunkt des Himmelsgewölbes). In der Sch rägsicht oben ist in der

1 5 Projektion die Sonnenbahn (Himmelsrichtungen) mit verschiedenen

Azimutwinkeln ψ _η über der Sonnenbahn (Tageslauf) mit verschiedenen Zenitwinkeln Θ _η , dargestellt. Gezeigt ist in der Mitte der Projektion ein konstantes Beobachtungszentrum BC auf einer natürlichen Oberfläche SF, in das Sonnenstrahlung SN einfällt und das von einem Satelliten ST beobachtet 0 wird (Messung der reflektierten Strahlung). I n der Nadir-Aufsicht unten ist die Grundebene PP dargestellt, die durch die Sonne (Hot Spot) verläuft und die dazu orthogonal verlaufene Querebene CP. Die Außenlinie stellt den Horizont HZ dar. 5 I n der Figur 2 ist der Aufbau des transportablen Goniospektrometers 01 nach der Erfindung in einem Prinzipschema dargestellt. Gezeigt ist eine ungekrümmte, gerade Hauptsäule 02 mit einem Ausleger 03, einer dreh- und fixierbaren Aufhängung 04 (lotrechte Ausrichtung entlang einer Vertikalachse VA) und einem Bogen 05, auf dem ein Schlitten 06 verschieb- und fixierbar

30 angeordnet ist. Gezeigt ist weiterhin eine AbStützung 08 der Hauptsäule 02 i n Form eines Dreibeingestells 07, eine Auslegerverstrebung 09 und eine Aus- legerstütze 205 sowie eine Versch raubung 10 der Hauptsäule 02 gegenüber dem Ausleger 03. Die Auslegerstütze 205 ist auf der einen Seite mit einem e rsten Stützschuh 209 gegenüber einem Klappscharnier 233 und auf der anderen Seite mit einem zweiten Stützschuh 210 gegenüber der Hauptsäule 02 oberhalb der Auslegerverstrebung 09 abgestützt. Weiterhin sind eine Bogenverstrebung 1 1 und eine Dreibeinverstrebung 1 2 dargestellt. Im Nachfolgenden werden die einzelnen Komponenten näher erläutert.

Die Figur 3 zeigt die Hauptsäule 02 im Detail. Dargestellt sind zwei (erstes, zweites) Säulenelemente 021 , 022, die über ein Verbindungsstück 023

miteinander verbunden sind. Die Hauptsäule 02 besteht im gewählten

Ausführungsbeispiel aus 30 mm Aluminiumrohr mit einer Gesamtlänge von ca. 2 m. Bei dem Verbindungsstück 023 handelt es sich im gewählten Ausführungsbeispiel um eine einfache Einschiebhülse 024 mit einem Mittensteg 025. Die Hauptsäule 02 trägt am unteren Säulenende 029 eine Bodenplatte 026 zur Aufstel lung auf ebenem Gelände. Ein Bodendorn 027 dient zum Einstecken in die natürliche Oberfläche SF des weichen Erdbodens. Die Bodenplatte 026 dient dabei als Anschlag. Eine Befestigungsplatte 028 wird über das untere Säulenelement 022 geschoben und mit dem Bodendorn 027 im Boden fixiert. Am oberen Säulenelement 021 ist am oberen Säulenende 030 ei ne

Säulenplatte 101 angeordnet, die Teil der Verschraubung 1 0 ist. Zur erkennen sind weiterhin eine Zentralbohrung 102 und eine Reihe von Fixierbohrungen 103. Diese Fixierbohrungen 1 03 können auch entfallen, wobei die

Säulenplatte 1 01 und die Auslegerplatte 1 04 dann stabiler ausgeführt und mit größerer Kontaktfläche in einer Wi nkelstellung miteinander fest verbindbar sind. Dadurch ergibt sich eine größere Verwindungsteifigkeit.

I n der Figur 3A ist eine alternative Bodenbefestigung im Ausschnittdetail aufgezeigt. Dabei weisen die Hauptsäule 02 an ihrem unteren Säulenende 029 und die Dreibeine 071 des Dreibeingestells 07 an ihren unteren Beinenden 082 jeweils ein Gelenk 21 1 und daran eine runde Bodenplatte 226 auf. Durch die Gelenke 21 1 ist eine bessere Aufstellung auf der natürlichen Oberfläche SF möglich. Das Gelen k 21 1 an der Hauptsäule 02 ist über eine verschiebbare Arretierhülse 221 fixierbar, wobei in der fixierten Stellung ein federbelasteter Sicherungsknopf 222 eingreift. Zumindest die Bodenplatten 226 der Dreibeine 5 071 weisen seitliche Abflachungen 212 auf , mit denen sie in quadratischen Bodenschu hen 228 fixiert sind. Die Bodenschuhen 228 sind wiederum mit in die natürliche Oberfläche SF eingesteckten Bodendornen 227 fixiert.

Die Figur 4 zeigt die Auslegerverstrebung 09, die am festgelegten Ausleger- l o ende 037 (vergleiche Figur 6) des Auslegers 03 angeordnet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Auslegerverstrebung 09 aus zwei Hülsen 091 , 092, die über die Hauptsäule 02 und über das Ende des Auslegers 03 geschoben und mit einer Rändelschraube 093 arretiert sind (dabei können zur besseren Zugänglichkeit die Rändelschrauben 093 auch an der Außenseite 15 von Hauptsäule 02 und Ausleger 03 angeordnet sein). Zwischen zwei Laschen 094, 095 ist eine Verstellhülse 096 angeordnet, über die die Länge der Auslegerverstrebung 09 einstellbar ist. Alle genannten Elemente sind über Gelenke 097 miteinander verbunden. 0 I n der Figur 2 ist als Abstützung 08 ein Dreibeingestell 07 dargestellt. Die

Figur 5 zeigt im Detail ein Dreibein 071 , das aus zwei Beinelementen 072, 073 besteht, die mittels einer einsteckbaren Verschraubung 074 (eingestecktes Gegengewinde) längenverstellbar miteinander verbunden sind. Jedes Dreibein 071 besteht im gewählten Ausfüh rungsbeispiel aus einem 30 mm Alu miniu m-5 rohr mit einer Gesamtlänge von ca. 1 ,75 m. Am unteren Beinende 082 des unteren Beinelements 073 ist wiederum eine Bodenplatte 075 angeordnet. Mit Hilfe eines Bodendorns 076 zum Einstecken in den Boden und einer Befestigungsplatte 028 wird die Bodenplatte 075 fixiert. Über ein Verschraubungs- blech 077 an seinem oberen Dreibeinende 081 ist das Dreibein 071 gelenkig0 mit einer Ständerhülse 078 verbunden, die über die Hauptsäule 02 geschoben und mit einer Rändelschraube 079 fixiert wird. Die Ständerhülse 078 trägt drei Verschraubungslaschen 080 (am Umfang unter 1 20° gleichmäßig verteilt), an die die drei Dreibeine 071 montie rt werden . Weiterhin ist an jedem Dreibein 071 eine Dreibeinverstrebung 1 2 angeordnet, die aus einer verschieb- und fixierbaren Verstrebungshülse 121 und einem Verstrebungsarm 122 aufgebaut

5 ist. Der Verstrebungsarm 1 22 ist mit einer Säulenhülse 1 23 verbunden, die auf der Hauptsäule 02 läuft und über eine Feststellschraube 1 24 höhenfixierbar ist. Je nach Höhe der Anordnung der Dreibeinverstrebung 12 an der Hauptsäule 02 und am Dreibein 071 und je nach Länge des Verstrebungsarms 1 22 ergibt sich ein Öffnungswinkel des Dreibeingestells 07, der bevorzugt bei ca. 65° i o liegt. An dieser Stelle sei nochmals betont, dass auch die Verschraubung 074 und die Längeneinstellung der Verstrebungsarme 1 22 in besonders

vorteilhafter Weise ohne Werkzeuge, also rein manuell vorgenommen werden können.

15 Auch der Ausleger 03 kann aus einem 30 mm ( Durchmesser) Aluminiumrohr mit einer Länge von ca. 2 m bestehen . Vorteilhaft kann daher für die Hauptsäule 02, das Dreibeingestell 07 und den Ausleger 03 dann identisches Halbzeug verwendet werden . In der Figur 6 sind weitere Details zum Ausleger 03 und zur Verschraubung 10 aufgezeigt. Der Ausleger 03 weist ein festgelegtes

20 Auslegerende 037 und ein freies Auslegerende 038 auf. Dabei bedeutet„frei" nicht eingespannt, d.h. offen, und frei drehbar und„festgelegt" eingespannt, gelagert und nicht frei drehbar. Der Ausleger 03 ist ebenfalls zweiteilig und besteht aus zwei Auslegerelementen 031 , 032, die über angearbeitete Flansche 033 und zwei Fixierschrauben 034 miteinander verbunden sind. Eine

25 Längenverstellbarkeit ist für den Ausleger 03 nicht erforderlich. An seinem

einem freien Auslegerende 038 weist der Ausleger 03 einen angearbeiteten Ring 035 zur Aufnahme der Aufhängung 04 mit einem Feststellknebel 036 zur Fixierung der Aufhängung 04 auf . Vor dem festgelegten Auslegerende 039 ist eine Auslegerplatte 1 04 mit einer Zentralbohrung 105 und einer Reihe von

30 Fixierbohrungen 106 als Teil der Verschraubung 10 mit der Hauptsäule 02

angeordnet. Alternativ zeigt die FIGUR 6A ein Klappscharnier 233 zur Verbindung der beiden Auslegerelemente 031 , 032. Das Klappscharnier 233 ermöglicht über eine Klappachse 213 einen Klappwinkel von 1 80°. Die

Füh rung erfolgt über einen Führungsdorn 214, der in einen Führungsschlitz 21 5 eingreift.

5

I n der Figur 7 ist die Verschraubung 1 0 dargestellt. Die Säulenplatte 1 01 ist mit der Auslegerplatte 104 mittels einer Knebelschraube 107 durch die Zentralbohrungen 102, 105 fest verbunden. Die Winkelstellung des Auslegers 03 zur Hauptsäule 02 ergibt sich durch Einstecken eines Fixierstifts 1 08 in

l o entsprechend übereinander liegende Fixierbohrungen 103, 1 06 (vergleiche hierzu auch die Beschreibung zu Figur 3).

Die Figur 8 zeigt Details zur Aufhängung 04. Eine Zentralstange 041 trägt an ihrem oberen Ende ein Gewinde 042, auf das. der Ring 035 des Auslegers 03

1 5 aufgeschoben und zwischen zwei Gewindemuttern 043 aus einem f rostfesten Kunststoff fixiert ist. Durch die auf dem Gewinde 042 drehbaren Gewinde- mutttern 043 kann eine Höhenfixierung der Aufhängung 04 in Relation zur natürlichen Oberfläche SF vorgenommen werden . Am unteren Ende weist die Zentralstange 041 ein Drehstativkopf 045 mit einem Vollkreisdrehbereich

20 (beispielsweise Manfrotto™ nord Art. 300N , der Fa. Manfrotto™) auf. Zur

Einstellung des Drehstativkopfs 045 ist eine Gradeinteilung 050 vorgesehen. An seinem unteren Ende weist der Drehstativkopf 045 eine untere

Aufnahmeplatte 046 zu r höhen- und winkelverstellbaren Befestigung des Bogens 05 auf. Die Fixierung erfolgt mittels einer Knebelschraube 047, die in

25 eine Bohrung 048 eingeschraubt wird. Alternativ kann hier der Anschluss auch über zwei Platten mit solchen komplementären Fräsungen erfolgen, dass der Bogen 05 immer exakt unte r 90° zur Aufhängung montiert wird. Zwischen dem Drehstätivkopf 045 und dem Ausleger 03 ist eine obere Aufnahmeplatte 040 zur Befestigung eines Sensors eines Spektrometers (nicht gezeigt) mittels

30 zweier gelochter Laschen 049 über die Zentralstange 041 geschoben. Die

obere Aufnahmeplatte 040 ist mit einer Fixiermutter 044 festgelegt. Die Aufhängung 04 ist insgesamt frei drehbar um den Ring 035 des Auslegers 03 ge lagert.

Die Figur 8A zeigt eine alternative Aufhängung mit einer Kugel 242 am Ende

5 de r Zentralstange 041 , die in zwei Halbschalen 235 (vergleiche Figur 8B) nach de r Art eines Kugelgelenks eingehängt wird. Weiterhin ist als Drehstativkopf 045 ein Winkeleinstellmodul 200 dargestellt, das einen oberen Einstellring 201 zur Einstellung der Himmelsrichtung, einen mittleren Einstellring 202 zur Einstellung des Azimutwinkels und einen unteren Einstellring 203) mit zumin- l o dest einer Kulissenführung 204 (vergleiche Figur 8C) zur automatisierten

Einstellbarkeit des Winkels des Winkeleinstellmoduls 200 aufweist. Weite rhin ist eine modifizierte obere Aufnahmeplatte 040 zur Befestigung des Spektro- meters 13 dargestellt. Dabei zeigt die oberer Aufnahmeplatte 040 immer nach au ßen, sodass das Spektrometer 1 3 als Gegengewicht wirken kann. In der

1 5 , Figur 8B _. sind zwei Halbschalen 235 zur Aufnahme der Kugel 242 gezeigt, von de nen die eine mit dem freien Auslegerende 038 des Auslegers 03 fest ve rbunden ist. Die beiden Halbschalen 235 werden über Stifte 216 geführt und über einen Bolzen 217, der in eine Mutter 21 8 mit Knebelgriff 219 eing reift, nach Einlegen der Kugel 242 miteinander versch raubt. Weiterhin sind in de r

20 Figur 8B eine Flanschplatte 208 zur Aufnahme des Ortsdetektors 16 und ein Aufnahmehaken 206 zur Aufnahme einer Sturmabspannung 207, die übe r Bodendorne 227 in der natürlichen Oberfläche SF verankert sind, dargestellt. I n der Figur 8C schließlich ist der untere Einstell ring 203 in der Draufsicht mit einer Kulissenführung 204 dargestellt. An doppelten Einrastungen 220, de ren

25 Abstand die Winkelintervalle für die Messzyklen festlegen, kann das Winkeleinstellmodul 200 über einen in der Kulissenführung 204 nicht weiter dargestellten Kulissenstein mit entsprechend doppelten Federrasten, die in die Einrastungen 220 eingreifen . können, fixiert werden. Beispielsweise können zwei Kulissenführungen 204 mit unterschiedlichen Einrastungen 220 für

30 unterschiedliche Winkelintervalle i m Winkeleinstell modul 200 integriert sein . Die Figur 9 zeigt den Bogen 05 , der einteilig mit einer Länge von 1 ,4 m aufgebaut ist und im gewählten Ausführungsbeispiel aus einem 20 mm Aluminiumrohr besteht. An seinem festgelegten Bogenende 054 weist der Bogen 05 eine Befestigungsplatte 051 mit einem Langloch 052 auf, durch die die Knebelsch raube 047 zur Befestigung an der unteren Aufnahmeplatte 046 des

Drehstativkopfs 045 gesteckt ist. An freien Bogenende 055 des Bogens 05 ist ein Strebenstück 1 1 1 angeordnet, das die Bogenverstrebung 1 1 trägt. Ü be r eine Längenverstellung 1 1 2 ist die Bogenverstrebung 1 1 mit der Aufhängung 04 bzw. der frei drehbaren oberen Aufnahmeplatte 040 verbunden und damit zusammen mit dem Bogen 05 ebenfalls f rei drehbar. Die Bogenverstrebung 1 1 dient zwar auch der Stabilität, aber in erster Linie ist sie zur Befestigung von Kabeln, die vom Spektrometer 13 kommen, vorgesehen. Dadurch sind die Kabel gut fixiert und das Spektrometer 13 wird automatisch mitgedreht (ve rg leiche Figur 10). Auf dem Bogen 05 ist der Schlitten 06 frei verschiebbar angeordnet. Zur Positionierung ist auf dem Bogen 05 eine G radeinteilung 053 vorgesehen. Die Verschiebung erfolgt über einen Läufer 061 , der mittels eine r Fixierschraube 062 an jedem Ort entlang des Bogens 05 feststellbar ist. Am Läufer 061 ist eine Läuferplatte 063 befestigt, die mehrere Boh rungen 064 zu r Aufnahme der Optik 131 (Voroptik). des Spektrometers 13 und ggfs. weite rer Komponenten aufweist (vergleiche FIGUR 10).

Die Figur 1 0 zeigt zusammenfassend ein Schema für den gesamten Messaufbau mit dem tragbaren Goniospektrometer 01 nach der Erfindung. Schematisch dargestellt ist ein Spektrometer 13 zur Messung der Reflektanz bzw.

speziell der Radianz (beispielsweise GER 1 500 der Fa. SVC, Spectra Vista Corporation) mit der Optik 131 und dem Sensor 132 (speziell Radianzsensor - das I rradianz-Spektrometer kann auf einem eigenständigen Dreibein neben dem Goniospektrometer 01 angeordnet und mit der Auswerteeinheit 134 datentechnisch verbunden sein), die mit einer optischen Faser 133 miteinander verbunden sind. Neben der Optik 131 ist eine Videokamera 1 4 (beispielsweise Webcam CM-301 0 AF der Firma Hama®) an der Läuferplatte 063 angeordnet, deren Zuleitung 141 ebenfalls zum Spektrometer 13 geleitet wird. Vom

Spektrometer ^' 13 verläuft ein Verbindungskabel 1 42 entlang des Auslegers 03 und der Hauptsäule 02 zu einem Auswerteeinheit 134 zur Datenspeicherung und -Verarbeitung als Zubehör des Spektrometers 1 3. Optische Faser 1 33

5 (Glasfaserkabel) und Zuleitung 141 werden je nach Flexibilität lose mit

Führungsringen 134 versehen und an der Bogenverstrebung 1 1 befestigt, um die flexible Nachführung zum Schlitten 06 zu ermöglichen. Um eine

Verdrehung der optischen Faser 133 und der Zu leitung 1 41 um die

Aufhängung 04 zu vermeiden, wird der Bogen 05 nur maximal einmal im l o . Vollkreis in eine Richtung und dann wieder zurück gedreht. _. Weiterhin ist ein zweites Spektrometer 15 mit einem Diffusor 151 zur IVlessung der I rradianz auf der Hauptsäule 02 im Bereich der Verschraubung 1 0 angeordnet und mit einem weiteren Verbi ndu ngskabel 1 52 mit der Auswerteeinheit 134 verbu nden. Zur Ortsdetektion ist ein satellitengestützter Ortsdetektor 16 („G lobal Positio-

1 5 ning System" G PS, beispielsweise NL-4021) USB Empfänger der Fa.

Navilock®) am oberen Ende des Aufhängung 04 vorgesehen, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit 134 verbunden ist (nicht dargestellt) . An der Hauptsäule 02 und an der Aufhängung 04 sind zu deren lotrechter Ausrichtung mehrere Wasserwaagen 17 angeordnet. Gezeigt ist auch eine Spektralonplatte 18 an

20 einer Spektralonhalterungsplatte 181 zur Kalibrierung der Optik 131 .

I h der Darstellung hat der Bogen 05 ei ne solche Länge, dass ein maximaler Beobachtungswinkel von 30° vom Lot (Vertikalachse VA) durch die Aufhängung 04 aus in das Oberservationszentrum BC durch Verschieben des

25 Schlittens 06 erreicht werden kann. Durch Drehen des Bogens 05 um die

Aufhängung 04 im Vollkreis ergibt sich damit ein Beobachtungskegel von 60°. Dies entspricht dem Beobachtungskegel durch einen Satelliten ST mit einem Schwenkwinkel von 30° . Auf der zugehörigen Kugelschale dieses Beobachtungskegels kann der Schlitten 06 (und damit die Optik 131 ) an jeder Position

30 fixiert werden. Bei einem vorgegebenen Erfassungswinkel der Optik 131 kann in der Position des Schlittens 06 lotrecht unterhalb der Aufhängung 04 ein Oberservationszentrum BC mit einer Kantenlänge von 300 mm und bei einer Position des Schlittens 06 am freien Ende des Bogens 05 (Verschiebung um π/6 bzw. um einen Bogenwinkel BW von 30°) mit einer Kantenlänge von ca. 350 mm erfasst werden.

Mit dem tragbaren Goniospektrometer 01 nach de r Erfindung wird ein leichtes, stabiles, aber robustes und gut transportables Messgerät zu r Verfügung gestellt, das größtenteils aus Normteilen besteht und damit relativ preisgünstig in der Herstellung ist. Die Betätigung der verschieb- und drehbaren Elemente erfolgt nicht motorisch, sondern manuell. Dadurch wird feuchteempfindliche Elektronik vermieden. Durch eine Optikhöhe BR von ca. 2 m über der natürlichen Oberfläche SF ergibt sich nur ein geringer Schattwurf durch das Gerät an sich. Die Gerätespezifikationen entsprechen den Aufnahme- Spezifikationen fü r EnMAP. Folgende Eckdaten zeigt das Datenblatt fü r das tragbare Goniospektrometer nach de r Erfindung:

Gesamthöhe 2,50 m

Gewicht (ohne Spektrometer) 21 ,5 kg

Material Aluminium

Höhe der Optik über Objekt 2,02 m

Grundprobenbreite GSD (nadir) 30 cm

Grundprobenbreite GSD (30°) 34,8 cm

Aufnahmemöglichkeit im Azimut Vollkreis (360°)

Einstellgenauigkeit im Azimut 1 °

Aufnahmemöglichkeit im Zenit -30° bis +30°

Einstellgenauigkeit im Zenit 1 °

Zeit für Durchführung einer Messreihe ca. 20 min (Vollkreis) Die Figur 1 1 zeigt ein mögliches Messschema zur Positionierung der Optik 131 fü r Objekte ohne Symmetrieachse (links, 61 Messpunkte) und mit Symmetrieachse (rechts, 35 Messpunkte). Durch die Verringerung der Messpunkte . kann die Durchführung eines Messzyklus noch beschleunigt werden, wobei dies bei einer automatisierten Messung nicht weiter in das Gewicht fällt.

BEZUGSZEICHENLISTE

01 Goniospektrometer

02 Hauptsäule

021 oberes Säulenelement

022 unteres Säulenelement

023 Verbindungsstück

024 Einschiebhülse

025 Mittensteg

026 Bodenplatte

027 Bodendorn

028 Befestigungsplatte

029 u nteres Säulenende

030 oberes Säulenende

03 Ausleger

031 erstes Auslegerelement

032 zweites Auslegerelement

033 Flansch

034 Fixie rschraube

035 Ring

036 Feststellknebel

037 festgelegtes Auslegerende

038 freies Auslegerende

04 Aufhängung

040 obere Aufnahmeplatte

041 Zentralstange

042 Gewinde

043 Gewindemutter

044 Fixiermutter

045 Drehstativkopf

046 untere Auf nahmeplatte 047 Knebelschraube

048 Bohrung

049 Lasche

050 Gradeinteilung

05 Bogen

051 Befestigungsplatte

052 Langloch

053 Gradeinteilung

054 festgelegtes Bogenende

055 freies Bogenende

06 Schlitten

061 Läufer

062 Fixierschraube

063 Läuferplatte

064 Bohrung

07 Dreibeingestell

071 Dreibein

072 oberes Beinelement

073 unteres Beinelement

074 Verschraubung

075 Bodenplatte

076 Bodendorn

077 Verschraubungsblech

078 Ständerhülse

079 Rändelschraube

080 Verschraubungslasche

081 oberes Dreibeinende

082 unteres Dreibeinende

08 Abstützung

09 Auslegerverstrebung

091 Hülse 092 Hülse

093 Rändelschraube

094 Lasche

095 Lasche

096 Verstellhülse

097 Gelenk

10 Verschraubung

101 Säulenplatte

102 Zentralbohrung

103 Fixierbohrung

104 Auslegerplatte

105 Zentralbohrung

106 Fixierbohrung

107 Knebelschraube

108 Fixierstift

11 Bogenverstrebung

111 Strebenstück

112 Längenverstellung

12 Dreibeinverstrebung

121 Verstrebungshülse

122 Verstrebungsarm

123 Säulenhülse

124 Feststellschraube

13 Spektrometer (Radianz)

131 Optik (Voroptik)

132 Sensor

133 optische Faser (Glasfaser)

134 Auswerteeinheit

14 Videokamera

141 Zuleitung

142 Verbindungskabel 1 5 Spektrometer (I rradianz)

151 , Diffusor

152 weiteres Verbindungskabel

16 Ortsdetektor

5 17 Wasserwaage

18 Spektralonplatte

181 Spektralonhalterungsplatte

200 , Winkeleinstellmodul l o . 201 oberer Einstellring

202 mittlerer Einstellring

201 unterer. Einstellring

204 Kulissenführung

205 ^■ Auslegerstütze i 5 206 Aufnahmehaken

207 , Sturmabspannung

208 Flanschplatte

209 erster Stützschuh

210 zweiter Stützschuh 20 21 1 Gelenk

212 seitliche Abflachung

21 4 Klappachse

215 Führungsdorn

216 Führungsschlitz 25 217 Bolzen

218 Mutter

219 Knebelgriff

220 Einrastung

221 Arretierhülse

30 220 Sicherungsknopf 226 Bodenplatte

227 Bodendorn

228 Bodenschuh

233 Klappscharnier

235 Halbschale

242 Kugel

BC Beobachtungszentrum BL Bogenlänge

BR Bogenradius

BW Bogenwinkel

CP Querebene

HZ Horizont

PP Grundebene

SF natürliche Oberfläche

SN Sonnenstrahlung

ST Satellit

VA Vertikalachse ψ _π Azimutwinkel

Θ _π Zenitwinkel