氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(pán)水市氣象局，貴州 六盤(pán)水 553001）

氣象探測(cè)設(shè)施要準(zhǔn)確獲得氣象探測(cè)信息需要一定的凈空條件。目前，各級(jí)氣象主管機(jī)構(gòu)在開(kāi)展氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)周巡視和月報(bào)告工作時(shí)，基本依靠臺(tái)站工作人員目測(cè)臺(tái)站周邊建構(gòu)筑物對(duì)氣象探測(cè)環(huán)境有無(wú)影響進(jìn)行定性估計(jì)，在進(jìn)行具體定量判定或評(píng)估評(píng)分時(shí)才借助測(cè)距儀、經(jīng)緯儀、全站儀[1]等測(cè)繪測(cè)量?jī)x器，通過(guò)采集建構(gòu)筑物的高度、海拔、觀測(cè)場(chǎng)的海拔、建構(gòu)筑物與觀測(cè)場(chǎng)的距離等數(shù)據(jù)，計(jì)算建構(gòu)筑物與觀測(cè)場(chǎng)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(cè)環(huán)境調(diào)查評(píng)估工作，但是存在多次測(cè)量造成誤差積累、工作效率低、評(píng)估結(jié)果不直觀等問(wèn)題。

在該背景下，氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成了研制，項(xiàng)目成果在盤(pán)州市國(guó)家基本氣象站和水城縣國(guó)家基本氣象站進(jìn)行了試用，并取得了成功。一代產(chǎn)品“一種氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)裝置”[2]已獲得實(shí)用新型專(zhuān)利，二代產(chǎn)品“氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”正在進(jìn)行實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)中。該文將對(duì)項(xiàng)目成果的結(jié)構(gòu)組成、功能特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)等進(jìn)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(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃完善改進(jìn)的方向。

1 氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示，由監(jiān)測(cè)儀、便攜主控機(jī)和電源3 個(gè)部分組成，來(lái)實(shí)現(xiàn)氣象探測(cè)障礙物激光標(biāo)記、仰角測(cè)量、坐標(biāo)定位、圖像采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告制作的功能。其中監(jiān)測(cè)儀是整個(gè)系統(tǒng)的硬件支撐，主要由激光指向儀、電子羅盤(pán)傳感器、工業(yè)相機(jī)、測(cè)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(pán)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(jī)用于障礙物圖片采集；測(cè)距傳感器用于障礙物距離測(cè)量。通過(guò)以上信息采集即可實(shí)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(xiàng)目選擇積木型結(jié)構(gòu)方案來(lái)組建氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即采用三角支架、云臺(tái)、電子羅盤(pán)傳感器、激光指向儀、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、測(cè)距傳感器、便攜主控機(jī)、電源等可以分離使用的部件，通過(guò)電纜或接口把它們組合成一個(gè)整體來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)想中氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所具備的功能，其優(yōu)點(diǎn)是以上部件市場(chǎng)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(diǎn)還便于在研發(fā)測(cè)試的過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)不斷調(diào)整系統(tǒng)各部件參數(shù)以期達(dá)到最優(yōu)。

2 系統(tǒng)部件參數(shù)指標(biāo)

氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由實(shí)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(guò)不斷的對(duì)比及調(diào)試研究最終選用的具體部件主要參數(shù)見(jiàn)表1。考慮到設(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(guó)氣象局印發(fā)的《氣象觀測(cè)站新建遷移和撤銷(xiāo)管理規(guī)定》附件2 第二部分第4 條“現(xiàn)址觀測(cè)場(chǎng)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(tái)的行程精度選擇精確到可在±2°范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)的部件；按照《氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)規(guī)范地面氣象觀測(cè)站》[3]規(guī)定的不同觀測(cè)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(jí)別氣候站、氣象站控制區(qū)內(nèi)障礙物的高度距離比（觀測(cè)仰角），系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用俯仰角度±20°可調(diào)節(jié)平臺(tái)，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(cè)環(huán)境保護(hù)規(guī)范地面氣象觀測(cè)站》關(guān)于地面氣象觀測(cè)場(chǎng)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(cè)距傳感器的最大測(cè)量范圍分別選擇為1 500 m 和1 600 m，使系統(tǒng)量程達(dá)到國(guó)家基本氣象站和國(guó)家一般氣象站的測(cè)量要求。目前，表1 所選擇部件能滿(mǎn)足象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所具備的基本功能，但后期測(cè)試過(guò)程中還會(huì)根據(jù)具體使用情況來(lái)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(guó)內(nèi)氣象主管機(jī)構(gòu)對(duì)氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境的評(píng)估評(píng)分工作主要是依靠人工測(cè)繪進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、填表、制圖，最后整理出報(bào)告來(lái)完成。這種方法自動(dòng)化程度不高，專(zhuān)業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，因?yàn)榧尤肓撕芏嗳藶榈闹饔^因素還導(dǎo)致測(cè)評(píng)結(jié)果往往不客觀。為了使該項(xiàng)工作更方便快捷且智能化，在遵循穩(wěn)定性、安全性、開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境，使用 C#語(yǔ)言進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)評(píng)估軟件。該軟件可運(yùn)行于Windows7 SP1 操作系統(tǒng)，安裝在便攜主控機(jī)內(nèi)，與象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀配套使用，實(shí)現(xiàn)了地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)的圖片和數(shù)據(jù)集成化、測(cè)評(píng)結(jié)果表格化、可視化等應(yīng)用需求，從而做到氣象探測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理和報(bào)告制作等程序一體化。

地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境保護(hù)評(píng)估軟件是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和專(zhuān)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(shí)景照片采集、障礙物距離測(cè)定、探測(cè)環(huán)境評(píng)估資料采集、評(píng)估報(bào)告查閱等4 個(gè)子模塊，用于實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)測(cè)儀各傳感器的工作狀態(tài)、采集和存儲(chǔ)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(tái)站觀測(cè)環(huán)境綜合調(diào)查評(píng)估報(bào)告。其中“障礙物實(shí)景照片”子模塊，用于連接和調(diào)試工業(yè)相機(jī)，并采集存儲(chǔ)對(duì)指向儀掃描標(biāo)記到的障礙物圖片信息；“障礙物距離測(cè)定”子模塊，用于連接和調(diào)試測(cè)距傳感器，并采集存儲(chǔ)障礙物直線(xiàn)距離數(shù)據(jù)；“探測(cè)環(huán)境評(píng)估資料采集”子模塊，用于存儲(chǔ)方位角每間隔2°的常規(guī)測(cè)量或任意角度的加密測(cè)量到的障礙物圖片、直線(xiàn)距離信息，并在后臺(tái)完成調(diào)查評(píng)估報(bào)告制作；“評(píng)估報(bào)告查閱”子模塊，用于已生成報(bào)告的查閱。軟件可以幫助工作人員更高效地進(jìn)行氣象觀測(cè)站的探測(cè)環(huán)境信息采集工作，得到觀測(cè)場(chǎng)實(shí)時(shí)的觀測(cè)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(cè)環(huán)境保護(hù)條例》[4]第十三條第一款規(guī)定“在國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)周邊 1000 m 探測(cè)環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)修建高度超過(guò)距觀測(cè)場(chǎng)距離 1/10 的建筑物、構(gòu)筑物”。建筑與觀測(cè)場(chǎng)位置示意圖如圖3 所示，A（x1，y1）、B（x2，y2）點(diǎn)分別為觀測(cè)場(chǎng)和建筑坐標(biāo)，h為建筑高度，θ為觀測(cè)仰角，則各要素須滿(mǎn)足式（1）的要求，根據(jù)式（1）關(guān)系推算觀測(cè)仰角θ見(jiàn)式（2），求解式（2）得觀測(cè)仰角θ約為5.71°。

圖3 建筑與觀測(cè)場(chǎng)位置示意圖

氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在研制過(guò)程中，分別在盤(pán)州國(guó)家基本氣象站進(jìn)行過(guò)十余次監(jiān)測(cè)運(yùn)行試驗(yàn)，每次測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均運(yùn)行良好。其中，2020 年10 月26 日在盤(pán)州國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中按5.71°仰角設(shè)置監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從0°（正北方向）～360°按每2°進(jìn)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(gè)采樣方位角的障礙物類(lèi)別、障礙物距離、障礙物照片鏈接以及是否影響探測(cè)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(diǎn)的斜線(xiàn)距離轉(zhuǎn)化后生成的直線(xiàn)距離。按表2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)生成的觀測(cè)場(chǎng)四周障礙物方位角信息圖如圖4 所示，該圖將觀測(cè)場(chǎng)四周觀測(cè)仰角內(nèi)障礙物按照地形、建構(gòu)筑物、植物進(jìn)行分類(lèi)并快速、直觀地顯示出來(lái)。

圖4 盤(pán)州國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)四周障礙物信息圖

表2 盤(pán)州國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)0°～360°數(shù)據(jù)表（5.71°仰角，每2°方位角采樣）

5 改進(jìn)方向

目前研發(fā)完成的氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期所具備的功能：能更直觀地標(biāo)記障礙物、測(cè)量仰角；能更方便采集氣象探測(cè)環(huán)境現(xiàn)狀的圖片信息；能隨時(shí)測(cè)量并記錄旋轉(zhuǎn)方位信息；能更快速地現(xiàn)場(chǎng)制作完成各種氣象探測(cè)環(huán)境報(bào)告。但產(chǎn)品在測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)仍然有可以完善的地方，后期將重點(diǎn)從以下方向進(jìn)行改進(jìn)：1）進(jìn)一步調(diào)整完善各部件參數(shù)：如測(cè)距模塊目鏡放大倍數(shù)調(diào)整，工業(yè)像機(jī)增配廣角、長(zhǎng)焦鏡頭等以適合不同環(huán)境使用。2）進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)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(dòng)判斷識(shí)別功能。4）監(jiān)測(cè)儀從“積木型”向“整體型”一體化發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

為及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握和評(píng)估氣象觀測(cè)臺(tái)站探測(cè)環(huán)境，該研究完成了氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，選擇盤(pán)州國(guó)家基本氣象站進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，通過(guò)實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)試可以看出，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足氣象觀測(cè)臺(tái)站探測(cè)環(huán)境測(cè)評(píng)的需求，且與傳統(tǒng)的人工測(cè)評(píng)方法相比，該方法工作效率更高，能減少人工測(cè)量的誤差，增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用于氣象臺(tái)站探測(cè)環(huán)境測(cè)評(píng)工作，為探測(cè)環(huán)境保護(hù)提供更為直觀的依據(jù)。