氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

鐘 靜 林小杰 彭 超 龍如勇 楊宏宇 王曉峰

（貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001）

氣象探測設(shè)施要準(zhǔn)確獲得氣象探測信息需要一定的凈空條件。目前，各級氣象主管機構(gòu)在開展氣象探測環(huán)境保護周巡視和月報告工作時，基本依靠臺站工作人員目測臺站周邊建構(gòu)筑物對氣象探測環(huán)境有無影響進行定性估計，在進行具體定量判定或評估評分時才借助測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀[1]等測繪測量儀器，通過采集建構(gòu)筑物的高度、海拔、觀測場的海拔、建構(gòu)筑物與觀測場的距離等數(shù)據(jù)，計算建構(gòu)筑物與觀測場的距離高度比是否符合要求。該方式雖然能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)輔助完成氣象探測環(huán)境調(diào)查評估工作，但是存在多次測量造成誤差積累、工作效率低、評估結(jié)果不直觀等問題。

在該背景下，氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)完成了研制，項目成果在盤州市國家基本氣象站和水城縣國家基本氣象站進行了試用，并取得了成功。一代產(chǎn)品“一種氣象探測環(huán)境保護裝置”[2]已獲得實用新型專利，二代產(chǎn)品“氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)”正在進行實用新型專利申請中。該文將對項目成果的結(jié)構(gòu)組成、功能特點、技術(shù)參數(shù)等進行了介紹，論文還包含了產(chǎn)品試用情況，最后提出氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)計劃完善改進的方向。

1 氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示，由監(jiān)測儀、便攜主控機和電源3 個部分組成，來實現(xiàn)氣象探測障礙物激光標(biāo)記、仰角測量、坐標(biāo)定位、圖像采集、數(shù)據(jù)存儲和報告制作的功能。其中監(jiān)測儀是整個系統(tǒng)的硬件支撐，主要由激光指向儀、電子羅盤傳感器、工業(yè)相機、測距傳感器等部件組成，激光指向儀用于障礙物標(biāo)記；電子羅盤傳感器用于采集障礙物方位角及仰角數(shù)據(jù)；工業(yè)相機用于障礙物圖片采集；測距傳感器用于障礙物距離測量。通過以上信息采集即可實現(xiàn)障礙物的球坐標(biāo)定位和圖像標(biāo)記取證。

圖1 系統(tǒng)電子部件連接示意圖

項目選擇積木型結(jié)構(gòu)方案來組建氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)，即采用三角支架、云臺、電子羅盤傳感器、激光指向儀、工業(yè)相機、鏡頭、測距傳感器、便攜主控機、電源等可以分離使用的部件，通過電纜或接口把它們組合成一個整體來實現(xiàn)預(yù)想中氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)所具備的功能，其優(yōu)點是以上部件市場上已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品，不用自主研發(fā)；另外積木型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點還便于在研發(fā)測試的過程中可根據(jù)實際情況來不斷調(diào)整系統(tǒng)各部件參數(shù)以期達到最優(yōu)。

2 系統(tǒng)部件參數(shù)指標(biāo)

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)由實現(xiàn)各功能的部件和傳感器搭建而成，因此系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)由各部件參數(shù)指標(biāo)決定，通過不斷的對比及調(diào)試研究最終選用的具體部件主要參數(shù)見表1?？紤]到設(shè)備的便攜型和設(shè)備數(shù)據(jù)的采集高度系統(tǒng)采用可伸縮調(diào)節(jié)的三角支架作為支撐部件；根據(jù)中國氣象局印發(fā)的《氣象觀測站新建遷移和撤銷管理規(guī)定》附件2 第二部分第4 條“現(xiàn)址觀測場四周0°～360°障礙物仰角數(shù)據(jù)表”的數(shù)據(jù)采集精度，系統(tǒng)角度旋轉(zhuǎn)云臺的行程精度選擇精確到可在±2°范圍內(nèi)進行微調(diào)的部件；按照《氣象探測環(huán)境保護規(guī)范地面氣象觀測站》[3]規(guī)定的不同觀測業(yè)務(wù)和儀器環(huán)境四周的障礙物的不同遮擋仰角，以及不同級別氣候站、氣象站控制區(qū)內(nèi)障礙物的高度距離比（觀測仰角），系統(tǒng)設(shè)計采用俯仰角度±20°可調(diào)節(jié)平臺，以便于使用者根據(jù)不同的使用環(huán)境自行設(shè)定數(shù)據(jù)采集仰角；另外依據(jù)《氣象探測環(huán)境保護規(guī)范地面氣象觀測站》關(guān)于地面氣象觀測場四周障礙物控制區(qū)范圍的劃定，系統(tǒng)激光指向儀的射程和測距傳感器的最大測量范圍分別選擇為1 500 m 和1 600 m，使系統(tǒng)量程達到國家基本氣象站和國家一般氣象站的測量要求。目前，表1 所選擇部件能滿足象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)所具備的基本功能，但后期測試過程中還會根據(jù)具體使用情況來調(diào)整部件參數(shù)。

表1 系統(tǒng)部件主要參數(shù)表

3 系統(tǒng)軟件功能

國內(nèi)氣象主管機構(gòu)對氣象觀測站探測環(huán)境的評估評分工作主要是依靠人工測繪進行數(shù)據(jù)采集、分析、填表、制圖，最后整理出報告來完成。這種方法自動化程度不高，專業(yè)針對性不強，因為加入了很多人為的主觀因素還導(dǎo)致測評結(jié)果往往不客觀。為了使該項工作更方便快捷且智能化，在遵循穩(wěn)定性、安全性、開放性、適應(yīng)性和靈活性原則的前提下，本研究采用 Visual Studio 2019 作為開發(fā)環(huán)境，使用 C#語言進行編程，開發(fā)設(shè)計了地面氣象觀測站探測環(huán)境保護評估軟件。該軟件可運行于Windows7 SP1 操作系統(tǒng)，安裝在便攜主控機內(nèi)，與象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測儀配套使用，實現(xiàn)了地面氣象觀測站探測環(huán)境保護的圖片和數(shù)據(jù)集成化、測評結(jié)果表格化、可視化等應(yīng)用需求，從而做到氣象探測環(huán)境監(jiān)測工作從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理和報告制作等程序一體化。

地面氣象觀測站探測環(huán)境保護評估軟件是整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和專業(yè)化的關(guān)鍵，如圖2 所示軟件按功能不同劃分為障礙物實景照片采集、障礙物距離測定、探測環(huán)境評估資料采集、評估報告查閱等4 個子模塊，用于實現(xiàn)控制監(jiān)測儀各傳感器的工作狀態(tài)、采集和存儲障礙物距離、仰角、方位角數(shù)據(jù)和圖像信息，并生成氣象臺站觀測環(huán)境綜合調(diào)查評估報告。其中“障礙物實景照片”子模塊，用于連接和調(diào)試工業(yè)相機，并采集存儲對指向儀掃描標(biāo)記到的障礙物圖片信息；“障礙物距離測定”子模塊，用于連接和調(diào)試測距傳感器，并采集存儲障礙物直線距離數(shù)據(jù)；“探測環(huán)境評估資料采集”子模塊，用于存儲方位角每間隔2°的常規(guī)測量或任意角度的加密測量到的障礙物圖片、直線距離信息，并在后臺完成調(diào)查評估報告制作；“評估報告查閱”子模塊，用于已生成報告的查閱。軟件可以幫助工作人員更高效地進行氣象觀測站的探測環(huán)境信息采集工作，得到觀測場實時的觀測環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

按《氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)境保護條例》[4]第十三條第一款規(guī)定“在國家基本氣象站觀測場周邊 1000 m 探測環(huán)境保護范圍內(nèi)修建高度超過距觀測場距離 1/10 的建筑物、構(gòu)筑物”。建筑與觀測場位置示意圖如圖3 所示，A（x1，y1）、B（x2，y2）點分別為觀測場和建筑坐標(biāo)，h為建筑高度，θ為觀測仰角，則各要素須滿足式（1）的要求，根據(jù)式（1）關(guān)系推算觀測仰角θ見式（2），求解式（2）得觀測仰角θ約為5.71°。

圖3 建筑與觀測場位置示意圖

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)在研制過程中，分別在盤州國家基本氣象站進行過十余次監(jiān)測運行試驗，每次測試實驗系統(tǒng)均運行良好。其中，2020 年10 月26 日在盤州國家基本氣象站觀測場進行的測試實驗中按5.71°仰角設(shè)置監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)采集，從0°（正北方向）～360°按每2°進行抽樣，系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)表縮略后如表2 所示，表內(nèi)包含了每個采樣方位角的障礙物類別、障礙物距離、障礙物照片鏈接以及是否影響探測環(huán)境的結(jié)論。其中表2 中距離一行顯示的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)按5.71°仰角采集的障礙物到采集點的斜線距離轉(zhuǎn)化后生成的直線距離。按表2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)生成的觀測場四周障礙物方位角信息圖如圖4 所示，該圖將觀測場四周觀測仰角內(nèi)障礙物按照地形、建構(gòu)筑物、植物進行分類并快速、直觀地顯示出來。

圖4 盤州國家基本氣象站觀測場四周障礙物信息圖

表2 盤州國家基本氣象站觀測場0°～360°數(shù)據(jù)表（5.71°仰角，每2°方位角采樣）

5 改進方向

目前研發(fā)完成的氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)已達到項目預(yù)期所具備的功能：能更直觀地標(biāo)記障礙物、測量仰角；能更方便采集氣象探測環(huán)境現(xiàn)狀的圖片信息；能隨時測量并記錄旋轉(zhuǎn)方位信息；能更快速地現(xiàn)場制作完成各種氣象探測環(huán)境報告。但產(chǎn)品在測試的過程中發(fā)現(xiàn)仍然有可以完善的地方，后期將重點從以下方向進行改進：1）進一步調(diào)整完善各部件參數(shù)：如測距模塊目鏡放大倍數(shù)調(diào)整，工業(yè)像機增配廣角、長焦鏡頭等以適合不同環(huán)境使用。2）進一步提高監(jiān)測設(shè)備測量精度，減小誤差。3）產(chǎn)品智能化，增加“建筑物、植物、自然山體”圖像自動判斷識別功能。4）監(jiān)測儀從“積木型”向“整體型”一體化發(fā)展。

6 結(jié)語

為及時、準(zhǔn)確地掌握和評估氣象觀測臺站探測環(huán)境，該研究完成了氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計，選擇盤州國家基本氣象站進行系統(tǒng)的測試，通過實際的系統(tǒng)測試可以看出，該系統(tǒng)能夠滿足氣象觀測臺站探測環(huán)境測評的需求，且與傳統(tǒng)的人工測評方法相比，該方法工作效率更高，能減少人工測量的誤差，增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)可以用于氣象臺站探測環(huán)境測評工作，為探測環(huán)境保護提供更為直觀的依據(jù)。