數字攝像能見度儀系統性能分析

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，是一個對航空、航海、陸上交通以及軍事活動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監測點全天候的觀測需求。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，測量的是某個角度的大氣散射系數，而非大氣消光系數；透射式能見度儀測量是大氣消光系數，觀測原理符合能見度定義，但受光源溫控、光衰補償、光學窗口反射補償等因素的影響，且造價成本高、架設難度大，難以大規模推廣，常用來作為其他能見度儀設備的比對儀器。基于能見度觀測現狀，研制一種能夠取代人工觀測、成本低廉、架設方便的能見度自動化觀測儀十分必要。20 世紀末，在我國開展了數字攝像式能見度系統（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。隨著數字攝像技術的高速發展，CCD 攝像機的性能顯著提升，同時，價格大大降低，填補了真正意義探測能見度原理儀器的空白。

1 DPVS 原理及其系統構成

DPVS 的設計思想是由中國科學院院士、著名大氣物理學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隊首先研發的。其通過數字攝像機攝取選定目標物的圖像，送入計算機進行分析處理后，自動獲取能見度值。它是完全仿照人工目測能見度的原理，根據能見度的定義研制的。

DPVS 系統整個設計為室外單元和室內單元兩大部分。室外單元負責獲取視頻圖像，室內單元負責分析計算及結果輸出。室外單元主要由CCD 攝像機系統和觀測目標兩部分組成，室內單元主要由包含計算能見度軟件系統和能見度值輸出系統的計算機系統組成。DPVS 結構示意圖如圖1 所示，軟件流程圖如圖2 所示。

圖1 數字攝像能見度系統結構示意圖

圖2 DPVS 軟件流程圖

3 比對觀測試驗

為了了解DPVS 觀測性能，研發團隊于2017 年3 月1 日到2018 年2 月28 日在北京南郊觀象臺對數字攝像能見度儀、前散能見度儀、透射能見度儀進行了為期1 年的對比試驗，同期開展了四個季度各1 個月的人工觀測比對試驗。

選取特殊天氣數據，對各能見度儀觀測數據進行對比分析。在雪天條件下，3 個儀器觀測的數據趨于一致，如圖3所示。

在雨天條件下，3 個儀器觀測的數據略有一些差異，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相關性，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據進行對比分析。

在中能見度條件下，3 個儀器觀測的數據略有一些差異，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 個儀器觀測的數據趨于一致，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 個儀器觀測的數據趨于一致，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，需要對觀測結果進行修正。數字攝像能見度儀和透射能見度儀在特殊天氣條件下，觀測結果相對穩定，且觀測結果基本一致。由于數字攝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格成本低，安裝難度小。相信隨著數字攝像技術的不斷發展，數字攝像儀各分系統性能的不斷提升，數字攝像式能見度儀將有很廣泛的應用前景和市場需求。