氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

鐘 靜，張滬生，林小杰，楊宏宇，彭 超，龍如勇

(1.貴州省六盤水市氣象局，六盤水 553001；2.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴陽 550002)

0 引言

為保證氣象探測設(shè)施準(zhǔn)確獲得氣象信息所必需的最小距離和凈空仰角構(gòu)成的環(huán)境空間，《氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)境保護(hù)條例》對國家基準(zhǔn)氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站觀測場周邊探測環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物的距離、高度比做了具體規(guī)定；另外，《氣象探測環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》與《氣象探測環(huán)境保護(hù)規(guī)范地面氣象觀測站》分別詳細(xì)地規(guī)定了高空氣象探測站探測系統(tǒng)天線、雷達(dá)探測、極軌氣象衛(wèi)星地面接收、閃電探測站高頻探測天線、GPS氣象探測、日照和太陽輻射觀測等觀測業(yè)務(wù)和儀器環(huán)境四周的障礙物遮擋仰角。

目前，各級氣象主管機(jī)構(gòu)在對氣象探測環(huán)境保護(hù)的日常巡查和評估評分時使用的均是測距儀、經(jīng)緯儀和全站儀[1]等測繪測量儀器，采用距高比法，即通過測量建(構(gòu))筑物的海拔、高度、與觀測場的距離、觀測場的海拔等數(shù)據(jù)計算建(構(gòu))筑物與觀測場的距高比是否符合相關(guān)要求。這些儀器的使用雖能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)輔助完成氣象探測環(huán)境調(diào)查評估工作，但存在不夠直觀、無法自動記錄、專業(yè)性不強(qiáng)、需要二次制作報告等問題。

近年來，隨著中國城市化進(jìn)程的加快，很多觀測臺站已逐漸不符合探測環(huán)境要求。與沿海發(fā)達(dá)地區(qū)相比，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對緩慢的甘肅[2]、陜西[3]、湖南[4]、云南[5]等中西部省份也都面臨氣象探測環(huán)境惡化的局面，全國氣象觀測臺站探測環(huán)境保護(hù)壓力倍增。在這種背景下，各級氣象主管部門也在積極尋求氣象探測環(huán)境的保護(hù)對策[6-9]，對氣象探測環(huán)境測評中的儀器設(shè)備及軟件的研發(fā)和完善是技術(shù)環(huán)節(jié)的研究方向之一。王震洲[10]等提出了一種基于圖像處理的氣象觀測站探測環(huán)境測評方法，通過提取出全景圖像中觀測場四周最高障礙物的像素點(diǎn)坐標(biāo)，建立氣象觀測站探測環(huán)境測評模型，并設(shè)計一種氣象觀測站地面觀測場探測環(huán)境自動評估系統(tǒng)。涂滿紅[11]等設(shè)計的一種地面氣象觀測站氣象探測環(huán)境調(diào)查評估方法及系統(tǒng)，通過獲取氣象站信息、觀測場信息和評分項(xiàng)目信息，計算環(huán)境定量評分項(xiàng)目分值，從而得到氣象探測環(huán)境評估結(jié)果，為氣象站的設(shè)置、環(huán)境的檢測提供依據(jù)[9，10]。呂向偉[12]等開發(fā)了氣象臺站探測環(huán)境評估繪圖軟件，可用于氣象部門地面站、高空站的探測環(huán)境評估工作和氣象臺站搬遷的選址評估工作。上述研究工作主要側(cè)重于對數(shù)據(jù)的處理，缺少對數(shù)據(jù)采集過程和所需儀器設(shè)備的研究和設(shè)計。為解決現(xiàn)行氣象探測環(huán)境保護(hù)工作中專業(yè)性監(jiān)測儀器及手段不足的問題，文章研究設(shè)計了一套氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能對氣象探測環(huán)境相關(guān)信息進(jìn)行采集，又能對所采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用該系統(tǒng)輔助能更方便快捷地完成氣象探測環(huán)境保護(hù)的日常巡查和評估評分工作。

1 氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)組成

氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，分為氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測設(shè)備及配套使用的監(jiān)測軟件兩大部分。其中監(jiān)測設(shè)備由監(jiān)測儀、便攜主控機(jī)和電源3大部分組成，監(jiān)測儀是系統(tǒng)組成的主要部件，由三角支架、千分尺角度旋轉(zhuǎn)云臺、三腳架微調(diào)水平臺云臺、電子羅盤傳感器、俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺、激光指向儀、工業(yè)相機(jī)、測距傳感器等部件組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和圖像采集；便攜主控機(jī)負(fù)責(zé)控制監(jiān)測儀各傳感器的工作狀態(tài)、所采集數(shù)據(jù)的存儲和處理；電源負(fù)責(zé)為檢測儀和主控機(jī)各部件供電。

2 氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)功能

氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)是集氣象探測障礙物標(biāo)記、仰角測量、坐標(biāo)定位、圖像采集和數(shù)據(jù)存儲處理為一體的新型裝置：

1)三角支架為監(jiān)測裝置的支撐部件，千分尺角度旋轉(zhuǎn)云臺、三腳架微調(diào)水平臺云臺、俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺從下往上依次安裝在三角支架上，通過旋轉(zhuǎn)千分尺角度旋轉(zhuǎn)云臺可設(shè)置監(jiān)測裝置0°～360°的水平監(jiān)測方位角；通過調(diào)節(jié)三腳架微調(diào)水平云臺提供工作水平面；通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺設(shè)置與工作水平面的夾角為仰角。

2)激光指向儀設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺設(shè)置仰角后轉(zhuǎn)動千分尺角度旋轉(zhuǎn)云臺，即可對激光光束掃到的障礙物進(jìn)行標(biāo)記。反之，利用激光指向儀的標(biāo)記功能，通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺調(diào)節(jié)也可實(shí)現(xiàn)仰角測量功能。

3)測距傳感器與激光指向儀同軸設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，觀測點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，系統(tǒng)通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺設(shè)置仰角，電子羅盤傳感器、測距傳感器采集障礙物方位角及距離數(shù)據(jù)確定障礙物球坐標(biāo)位置并將障礙物坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給主控機(jī)。

4)工業(yè)相機(jī)同樣與激光指向儀、測距傳感器同軸設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，工業(yè)相機(jī)圖片采集方向與激光指向儀激光光束方向平行，可對激光光束掃描標(biāo)記到的障礙物圖片信息進(jìn)行采集并傳輸給主控機(jī)。

5)主控機(jī)控制各傳感器工作狀態(tài)，并對傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理，結(jié)合預(yù)制氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測軟，可現(xiàn)場一次性完成氣象探測環(huán)境評估報告。

與現(xiàn)行采用的測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監(jiān)測手段相比，氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)具有專業(yè)性強(qiáng)、功能集成化的優(yōu)勢。

3 氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

在研制過程中，氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)在盤州國家基本氣象站(含新址、舊址)、水城國家基本氣象站進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測運(yùn)行試驗(yàn)10余次，除2020-11-05在水城國家基本氣象站測試時由于能見度低(2202 m)未能采集數(shù)據(jù)外，其余每次測試均能有效采集。測試中系統(tǒng)單次連續(xù)工作時長最長達(dá)3.5 h，累計工作時長達(dá)20.7 h。

2020-10-26采用氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)在盤州市國家基本氣象站觀測場采集到的0°(正北)～360°障礙物仰角數(shù)據(jù)與盤州市國家基本氣象站遷移申請文件中站址選址報告書內(nèi)2019-06-12采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。比對結(jié)果顯示，2019年采集的方位角168°障礙物為通訊基站鐵塔，該鐵塔在觀測場建設(shè)完成后已全部拆除；方位角0°～40°、208°～240°、264°～304°、328°～360°障礙物為植物，通過植物后期生長和修剪，兩次采集的數(shù)據(jù)雖有出入但基本吻合；方位角90°～164°、192°～204°障礙物為地形，兩次采集的數(shù)據(jù)基本一致。因此，通過數(shù)據(jù)對比證明氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)樣本及生成數(shù)據(jù)表報告均可用。

4 結(jié)束語

氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)在氣象工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了以下突破和創(chuàng)新：

1)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用一個設(shè)備完成氣象探測環(huán)境所有信息的采集，并且通過軟件自動生成報告、圖表等產(chǎn)品，與現(xiàn)行采用的測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監(jiān)測手段相比，具有專業(yè)性強(qiáng)、功能集成化的優(yōu)勢。

2)信息的采集方式直接采用物理探測，與文獻(xiàn)[10]中基于全景圖像自動處理的研究相比，不受算法的影響。

3)使用系統(tǒng)輔助能更方便快捷地完成氣象探測環(huán)境保護(hù)的日常巡查和評估評分工作，在盤州國家基本氣象站觀測場進(jìn)行障礙物信息采集試驗(yàn)中，采集180個方位角障礙物數(shù)據(jù)信息共用時1 h 32 min，與傳統(tǒng)人工測評方法相比，大大縮短了工作時間。

合格的氣象探測環(huán)境是保障氣象數(shù)據(jù)具備代表性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性和可比性的關(guān)鍵因素之一，但目前為止，在氣象工程領(lǐng)域仍缺少氣象探測環(huán)境保護(hù)相關(guān)的專業(yè)儀器裝備的研究。氣象探測環(huán)境保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)能更穩(wěn)定、可靠、全面、快捷地獲取地面氣象臺站探測環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)了氣象探測環(huán)境保護(hù)從“目測定性”到“定量自動判斷數(shù)據(jù)測算”的質(zhì)量提升，是推進(jìn)氣象觀測質(zhì)量管理體系建設(shè)的重要組成部分。