氣象探測環境保護監測系統的設計與應用

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）

氣象探測設施要準確獲得氣象探測信息需要一定的凈空條件。目前，各級氣象主管機構在開展氣象探測環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筑物對氣象探測環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、經緯儀、全站儀[1]等測繪測量儀器，通過采集建構筑物的高度、海拔、觀測場的海拔、建構筑物與觀測場的距離等數據，計算建構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數據輔助完成氣象探測環境調查評估工作，但是存在多次測量造成誤差積累、工作效率低、評估結果不直觀等問題。

在該背景下，氣象探測環境保護監測系統完成了研制，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。一代產品“一種氣象探測環境保護裝置”[2]已獲得實用新型專利，二代產品“氣象探測環境保護監測系統”正在進行實用新型專利申請中。該文將對項目成果的結構組成、功能特點、技術參數等進行了介紹，論文還包含了產品試用情況，最后提出氣象探測環境保護監測系統計劃完善改進的方向。

1 氣象探測環境保護監測系統結構

氣象探測環境保護監測系統如圖1 所示，由監測儀、便攜主控機和電源3 個部分組成，來實現氣象探測障礙物激光標記、仰角測量、坐標定位、圖像采集、數據存儲和報告制作的功能。其中監測儀是整個系統的硬件支撐，主要由激光指向儀、電子羅盤傳感器、工業相機、測距傳感器等部件組成，激光指向儀用于障礙物標記；電子羅盤傳感器用于采集障礙物方位角及仰角數據；工業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障礙物的球坐標定位和圖像標記取證。

圖1 系統電子部件連接示意圖

項目選擇積木型結構方案來組建氣象探測環境保護監測系統，即采用三角支架、云臺、電子羅盤傳感器、激光指向儀、工業相機、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預想中氣象探測環境保護監測系統所具備的功能，其優點是以上部件市場上已經有比較成熟的產品，不用自主研發；另外積木型結構的優點還便于在研發測試的過程中可根據實際情況來不斷調整系統各部件參數以期達到最優。

2 系統部件參數指標

氣象探測環境保護監測系統由實現各功能的部件和傳感器搭建而成，因此系統參數指標由各部件參數指標決定，通過不斷的對比及調試研究最終選用的具體部件主要參數見表1?？紤]到設備的便攜型和設備數據的采集高度系統采用可伸縮調節的三角支架作為支撐部件；根據中國氣象局印發的《氣象觀測站新建遷移和撤銷管理規定》附件2 第二部分第4 條“現址觀測場四周0°～360°障礙物仰角數據表”的數據采集精度，系統角度旋轉云臺的行程精度選擇精確到可在±2°范圍內進行微調的部件；按照《氣象探測環境保護規范地面氣象觀測站》[3]規定的不同觀測業務和儀器環境四周的障礙物的不同遮擋仰角，以及不同級別氣候站、氣象站控制區內障礙物的高度距離比（觀測仰角），系統設計采用俯仰角度±20°可調節平臺，以便于使用者根據不同的使用環境自行設定數據采集仰角；另外依據《氣象探測環境保護規范地面氣象觀測站》關于地面氣象觀測場四周障礙物控制區范圍的劃定，系統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境保護監測系統所具備的基本功能，但后期測試過程中還會根據具體使用情況來調整部件參數。

表1 系統部件主要參數表

3 系統軟件功能

國內氣象主管機構對氣象觀測站探測環境的評估評分工作主要是依靠人工測繪進行數據采集、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，專業針對性不強，因為加入了很多人為的主觀因素還導致測評結果往往不客觀。為了使該項工作更方便快捷且智能化，在遵循穩定性、安全性、開放性、適應性和靈活性原則的前提下，本研究采用 Visual Studio 2019 作為開發環境，使用 C#語言進行編程，開發設計了地面氣象觀測站探測環境保護評估軟件。該軟件可運行于Windows7 SP1 操作系統，安裝在便攜主控機內，與象探測環境保護監測系統的監測儀配套使用，實現了地面氣象觀測站探測環境保護的圖片和數據集成化、測評結果表格化、可視化等應用需求，從而做到氣象探測環境監測工作從數據采集到數據處理和報告制作等程序一體化。

地面氣象觀測站探測環境保護評估軟件是整個系統實現自動化和專業化的關鍵，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、探測環境評估資料采集、評估報告查閱等4 個子模塊，用于實現控制監測儀各傳感器的工作狀態、采集和存儲障礙物距離、仰角、方位角數據和圖像信息，并生成氣象臺站觀測環境綜合調查評估報告。其中“障礙物實景照片”子模塊，用于連接和調試工業相機，并采集存儲對指向儀掃描標記到的障礙物圖片信息；“障礙物距離測定”子模塊，用于連接和調試測距傳感器，并采集存儲障礙物直線距離數據；“探測環境評估資料采集”子模塊，用于存儲方位角每間隔2°的常規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境信息采集工作，得到觀測場實時的觀測環境數據。

圖2 系統功能模塊圖

4 系統應用情況

按《氣象設施和氣象探測環境保護條例》[4]第十三條第一款規定“在國家基本氣象站觀測場周邊 1000 m 探測環境保護范圍內修建高度超過距觀測場距離 1/10 的建筑物、構筑物”。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，h為建筑高度，θ為觀測仰角，則各要素須滿足式（1）的要求，根據式（1）關系推算觀測仰角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

氣象探測環境保護監測系統在研制過程中，分別在盤州國家基本氣象站進行過十余次監測運行試驗，每次測試實驗系統均運行良好。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°仰角設置監測儀進行數據采集，從0°（正北方向）～360°按每2°進行抽樣，系統生成數據表縮略后如表2 所示，表內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境的結論。其中表2 中距離一行顯示的數據是系統按5.71°仰角采集的障礙物到采集點的斜線距離轉化后生成的直線距離。按表2 數據系統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障礙物按照地形、建構筑物、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°數據表（5.71°仰角，每2°方位角采樣）

5 改進方向

目前研發完成的氣象探測環境保護監測系統已達到項目預期所具備的功能：能更直觀地標記障礙物、測量仰角；能更方便采集氣象探測環境現狀的圖片信息；能隨時測量并記錄旋轉方位信息；能更快速地現場制作完成各種氣象探測環境報告。但產品在測試的過程中發現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）進一步調整完善各部件參數：如測距模塊目鏡放大倍數調整，工業像機增配廣角、長焦鏡頭等以適合不同環境使用。2）進一步提高監測設備測量精度，減小誤差。3）產品智能化，增加“建筑物、植物、自然山體”圖像自動判斷識別功能。4）監測儀從“積木型”向“整體型”一體化發展。

6 結語

為及時、準確地掌握和評估氣象觀測臺站探測環境，該研究完成了氣象探測環境保護監測系統的總體設計，選擇盤州國家基本氣象站進行系統的測試，通過實際的系統測試可以看出，該系統能夠滿足氣象觀測臺站探測環境測評的需求，且與傳統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，增加數據的準確性。氣象探測環境保護監測系統可以用于氣象臺站探測環境測評工作，為探測環境保護提供更為直觀的依據。