數(shù)字?jǐn)z像能見度儀系統(tǒng)性能分析

阮順賢，聶凱

（1.北京城市氣象研究院；2.北京市氣象探測中心，北京 100089）

能見度是三大基本氣象觀測要素之一，是一個(gè)對航空、航海、陸上交通以及軍事活動(dòng)等都有重要影響的氣象要素。

能見度觀測方法分為人工觀測和器測兩種。人工目測方法符合能見度定義，但客觀性較差，存在一定的誤差，很難滿足高速公路多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)全天候的觀測需求。器測目前主要有以下幾類：散射式能見度儀、透射式能見度儀。散射式能見度儀采樣空間較小，測量的是某個(gè)角度的大氣散射系數(shù)，而非大氣消光系數(shù)；透射式能見度儀測量是大氣消光系數(shù)，觀測原理符合能見度定義，但受光源溫控、光衰補(bǔ)償、光學(xué)窗口反射補(bǔ)償?shù)纫蛩氐挠绊?，且造價(jià)成本高、架設(shè)難度大，難以大規(guī)模推廣，常用來作為其他能見度儀設(shè)備的比對儀器?；谀芤姸扔^測現(xiàn)狀，研制一種能夠取代人工觀測、成本低廉、架設(shè)方便的能見度自動(dòng)化觀測儀十分必要。20 世紀(jì)末，在我國開展了數(shù)字?jǐn)z像式能見度系統(tǒng)（Digital Photography Visiometer System，簡稱DPVS）的研制工作，DPVS 仿照人眼觀測能見度的原理，嚴(yán)格遵循能見度的定義，因此，是取代人工觀測能見度的最佳儀器。隨著數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的高速發(fā)展，CCD 攝像機(jī)的性能顯著提升，同時(shí)，價(jià)格大大降低，填補(bǔ)了真正意義探測能見度原理儀器的空白。

1 DPVS 原理及其系統(tǒng)構(gòu)成

DPVS 的設(shè)計(jì)思想是由中國科學(xué)院院士、著名大氣物理學(xué)家周秀驥先生提出的，由北京城市氣象研究院王京麗研究員團(tuán)隊(duì)首先研發(fā)的。其通過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)攝取選定目標(biāo)物的圖像，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理后，自動(dòng)獲取能見度值。它是完全仿照人工目測能見度的原理，根據(jù)能見度的定義研制的。

DPVS 系統(tǒng)整個(gè)設(shè)計(jì)為室外單元和室內(nèi)單元兩大部分。室外單元負(fù)責(zé)獲取視頻圖像，室內(nèi)單元負(fù)責(zé)分析計(jì)算及結(jié)果輸出。室外單元主要由CCD 攝像機(jī)系統(tǒng)和觀測目標(biāo)兩部分組成，室內(nèi)單元主要由包含計(jì)算能見度軟件系統(tǒng)和能見度值輸出系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。DPVS 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，軟件流程圖如圖2 所示。

圖1 數(shù)字?jǐn)z像能見度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 DPVS 軟件流程圖

3 比對觀測試驗(yàn)

為了了解DPVS 觀測性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2017 年3 月1 日到2018 年2 月28 日在北京南郊觀象臺(tái)對數(shù)字?jǐn)z像能見度儀、前散能見度儀、透射能見度儀進(jìn)行了為期1 年的對比試驗(yàn)，同期開展了四個(gè)季度各1 個(gè)月的人工觀測比對試驗(yàn)。

選取特殊天氣數(shù)據(jù)，對各能見度儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。在雪天條件下，3 個(gè)儀器觀測的數(shù)據(jù)趨于一致，如圖3所示。

在雨天條件下，3 個(gè)儀器觀測的數(shù)據(jù)略有一些差異，前散能見度儀觀測值偏高，觀測值與相對濕度觀測值呈明顯的的負(fù)相關(guān)性，如圖4 所示。

圖3 2017 年10 月28 日三種儀器觀測值與相對濕度對比圖

圖4 2017 年3 月24 日三種儀器觀測值與相對濕度對比圖

在不同能見度等級下，對各能見度儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

在中能見度條件下，3 個(gè)儀器觀測的數(shù)據(jù)略有一些差異，前散能見度儀觀測值偏高，如圖5 所示。

圖5 2017 年4 月16 日三種儀器觀測值與相對濕度對比圖

在高能見度條件下，3 個(gè)儀器觀測的數(shù)據(jù)趨于一致，如圖6 所示。

圖6 2017 年3 月1 日三種儀器觀測值與相對濕度對比圖

在低能見度天氣條件下，3 個(gè)儀器觀測的數(shù)據(jù)趨于一致，如2017 年12 月30 日圖7 所示。

圖7 2017 年12 月30 日三種儀器觀測值與相對濕度對比圖

4 結(jié)語

對比觀測研究顯示，前向散射儀在特殊天氣條件下(比如下雨等天氣下)，存在一定誤差，需要對觀測結(jié)果進(jìn)行修正。數(shù)字?jǐn)z像能見度儀和透射能見度儀在特殊天氣條件下，觀測結(jié)果相對穩(wěn)定，且觀測結(jié)果基本一致。由于數(shù)字?jǐn)z像能見度儀是最符合能見度定義的一種能見度儀觀測儀器，且比透射能見度儀價(jià)格成本低，安裝難度小。相信隨著數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z像儀各分系統(tǒng)性能的不斷提升，數(shù)字?jǐn)z像式能見度儀將有很廣泛的應(yīng)用前景和市場需求。