DSS1 型雪深儀與HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深數(shù)據(jù)對比分析

王生鵬，張曉平，李彥平，張景安

（1.青海省大氣探測技術(shù)保障中心，青海 西寧 810000；2.海東市氣象局，青海 海東 810600）

積雪深度是地面氣象觀測業(yè)務(wù)的基本觀測項目之一。掌握實時積雪深度，對于災(zāi)害性天氣預(yù)警和專業(yè)氣象服務(wù)具有重要意義[1]。

目前，青海省52 個國家級臺站都裝有DSS1 型雪深儀，并于2020 年新裝HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀。其中DSS1 型雪深儀利用激光測距原理進(jìn)行雪深測量，而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀則是利用圖像智能識別原理進(jìn)行雪深數(shù)據(jù)測量。設(shè)備原理不同導(dǎo)致2 種設(shè)備測得的數(shù)據(jù)會有差值。為了提高設(shè)備的數(shù)據(jù)測量精度，消除差值，需將DSS1 型雪深儀及HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證自動設(shè)備采集數(shù)據(jù)的一致性、可靠性，研究分析2 種不同設(shè)備性能的差異及產(chǎn)生差異的原因，探討提高自動觀測設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法。

1 資料與方法

1.1 DSS1 型雪深觀測儀工作原理

DSS1 型雪深觀測儀是一款全天候的自動雪深觀測儀器，它結(jié)合了激光測距、電氣工程、信號處理、軟件等方面的技術(shù)，是一個可靠的自動化觀測儀器，適合在苛刻現(xiàn)場條件進(jìn)行雪深測量。該產(chǎn)品具有高可靠性、高準(zhǔn)確性、易使用、易維護(hù)等特點。

DSS1 型激光雪深觀測儀采用相位法測距原理，用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，其測量的雪深范圍為0～200 cm[2]。激光測距探頭工作原理如圖1所示。

圖1 激光測距原理

1.2 HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測儀工作原理

HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測儀是一款通過圖像識別技術(shù)進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動觀測識別的氣象儀器，該儀器可對總云量、云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象 （霜、露、雨凇、霧凇）、結(jié)冰、積雪和雪深等天氣現(xiàn)象（或氣象要素）進(jìn)行自動觀測識別，并具備擴(kuò)展電線積冰、視程障礙現(xiàn)象（輕霧、霧、霾、浮塵、揚沙、沙 塵暴）的自動觀測識別能力。其圖像采集單元由多個攝像機(jī)組成，圖像處理單元由控制處理器和存儲單元組成，控制處理器是由 CPU、GPU、內(nèi)存等組成的嵌入式AⅠ計算機(jī)[3]。

HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測儀的工作原理如圖2 所示。利用雪深尺作為雪深參照物，拍攝得到圖像后，智能識別處理器將首先基于相機(jī)成像參數(shù)，對成像過程中產(chǎn)生的畸變進(jìn)行矯正，獲得無畸變的標(biāo)準(zhǔn)雪深尺圖像；通過基于特征匹配和關(guān)鍵點檢測算法，定位雪深尺位置，將雪深尺從圖像中整體分離出來；再利用圖像增強(qiáng)算法，捕獲其關(guān)鍵特征參量，如刻度線、讀數(shù)數(shù)字等；最后利用基于深度學(xué)習(xí)算法的數(shù)字智能識別算法，將圖像中的雪深刻度識別為數(shù)字化的雪深測量結(jié)果，達(dá)到獲取積雪深度的目的。

圖2 雪深拍攝原理圖

1.3 方法

資料選用2020 年12 月至2021 年5 月平安區(qū)氣象局（102°6'E，36°30'N，海拔高度2 137 m）、達(dá)日縣氣象局（99°38'E，33°45'N，海拔高度3 970 m）、曲麻萊縣氣象局（96°22'E，35°1'N，海拔高度4 446 m）雪深觀測資料。DSS1 型激光雪深儀雪深、HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深和人工雪深觀測值之間的對比與誤差分析采用了算數(shù)平均、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計和誤差分析方法。其中，算術(shù)平均反映了觀測樣本的平均值大小，標(biāo)準(zhǔn)差用于分析3 類雪深數(shù)據(jù)的離散程度。以人工觀測值為“真值”，計算了方差、標(biāo)準(zhǔn)差，用于描述2 種設(shè)備與人工觀測雪深之間的差異與誤差大小。相關(guān)系數(shù)則表示二者之間的線性相關(guān)程度[4]。

2 對比分析

2.1 平安站雪深數(shù)據(jù)對比

平安區(qū)位于青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)中心腹地，近5 年年平均降雪天數(shù)為21 d，最大雪深為2 cm，地面積雪最多連續(xù)天數(shù)為2 d。

將平安站2 種自動觀測設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時間變化的曲線圖，如圖3所示。由圖3 可見，2 種設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)曲線重合度較高，2 種設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致。

圖3 平安站雪深數(shù)據(jù)對比圖

對平安站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。其中激光雪深與人工觀測值差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值都要小于天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深與人工差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值。

表1 平安站數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

2.2 達(dá)日站雪深數(shù)據(jù)對比

達(dá)日縣位于青海省東南部，為“三江源”自然生態(tài)保護(hù)治理地區(qū)之一，近5 年年平均降雪天數(shù)為72 d，最大雪深為11 cm，地面積雪最多連續(xù)天數(shù)為43 d。

將達(dá)日站2 種自動觀測設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時間變化的曲線圖，如圖4所示。由圖4 可見，DSS1 型激光雪深儀的觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)曲線重合度較高，變化趨勢基本一致；而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀的數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)曲線重合度較低，變化趨勢不一致。

圖4 達(dá)日站雪深數(shù)據(jù)對比圖

對達(dá)日站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計結(jié)果，如表2所示。其中激光雪深與人工觀測值差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值都要小于天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深與人工差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值。

表2 達(dá)日站數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

2.3 曲麻萊站雪深數(shù)據(jù)對比

曲麻萊縣位于青南高原地區(qū)，靠近可可西里高原，近5 年年平均降雪天數(shù)為92 d，最大雪深為10 cm，地面積雪最多連續(xù)天數(shù)為50 d。

將曲麻萊站2 種自動觀測設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時間變化的曲線圖，如圖5所示。由圖5 可見，DSS1 型激光雪深儀的觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)曲線重合度較高，變化趨勢一致；而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀的數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)曲線重合度較低，變化趨勢大致一致。

圖5 曲麻萊站雪深數(shù)據(jù)對比圖

對曲麻萊站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計結(jié)果，如表3 所示。其中激光雪深與人工觀測值差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值都小于天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深與人工差值的方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值。

表3 曲麻萊站數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

從圖4、圖5 中可以看出，在降雪量少、地面積雪偏少的情況下，存在HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀與人工有數(shù)據(jù)而DSS1 型激光雪深儀沒有數(shù)據(jù)的情況。

2.4 綜合分析

2.4.1 對比結(jié)果

通過2 種設(shè)備測得的雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)如表4 所示，3 個站的激光雪深與人工觀測值的相關(guān)系數(shù)均通過0.001 顯著水平檢測。3 個站的DSS1 型激光雪深儀的數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都在0.8 以上，HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀的數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)只有平安站的較高，而達(dá)日站與曲麻萊站的相關(guān)系數(shù)較低，說明DSS1 型激光雪深儀的數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的相關(guān)性總體上要好于HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀的數(shù)據(jù)。

表4 不同設(shè)備數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

處理數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)在沒有HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀與人工降雪數(shù)據(jù)時，DSS1 型激光雪深儀會有野值出現(xiàn)。

2.4.2 結(jié)果分析

對比分析3 個氣象站2 種設(shè)備觀測雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)表明，2 種設(shè)備具有較好的雪深監(jiān)測能力，能夠?qū)崟r觀測降雪過程和降雪之后雪深變化情況，并在應(yīng)急氣象服務(wù)過程中得到初步應(yīng)用[5]。相對于HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀來說，DSS1 型激光雪深儀在監(jiān)測雪深時與人工雪深差異較小，相關(guān)性高。

針對DSS1 型激光雪深儀有野值出現(xiàn)的情況，經(jīng)過現(xiàn)場勘察比對后發(fā)現(xiàn)DSS1 型激光雪深儀在融雪期因雪面融化成冰面，或在積雪化成不完整的波紋狀、點片狀、空洞狀時會產(chǎn)生野值，且觀測地段自然場地由于土質(zhì)不穩(wěn)定容易發(fā)生變化，尤其是在降水、降雪、霜凍等天氣過程發(fā)生后，立柱基礎(chǔ)和基準(zhǔn)面變化較明顯，也會導(dǎo)致野值出現(xiàn)。

HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀由于采用圖像識別技術(shù)，受冰面反光、基準(zhǔn)面傾斜等要素影響較大。在降雪量少、地面積雪偏少的情況下，由于DSS1 型激光雪深儀分辨力為0.1 cm，小于0.1 cm 時無法判別地面是否有雪，而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀的精準(zhǔn)度較高，能夠滿足這一要求。

3 結(jié)論

利用平安、達(dá)日、曲麻萊氣象站人工雪深觀測數(shù)據(jù)，對這3 個站HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀與DSS1 型激光雪深儀雪深觀測結(jié)果進(jìn)行了評估和對比分析，得出的主要結(jié)論如下。

利用DSS1型激光雪深儀與HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀可監(jiān)測青海地區(qū)的雪深，其中DSS1 型激光雪深儀雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)有極顯著的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.803 7～0.990 7，平均雪深偏差在2 cm 內(nèi)。而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)存在明顯差異，相關(guān)系數(shù)為0.023 4～0.923 3，平均雪深偏差3.5 cm，由此可見DSS1 型激光雪深儀的雪深檢測能力更強(qiáng)。

利用DSS1 型激光雪深儀檢測時存在降雪量少、地面積雪偏少時無數(shù)據(jù)情況，利用HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀能夠很好彌補(bǔ)這一情況。

分析大量HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，存在大量明顯疑誤數(shù)據(jù)，說明識別算法還需改進(jìn)。

青海地區(qū)降雪量少、地面積雪偏少時以HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀雪深數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，另外的情況以DSS1 型激光雪深儀雪深數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。同時在今后需加強(qiáng)改進(jìn)HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測儀識別算法，減少疑誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提高識別數(shù)據(jù)的可靠性，為雪深業(yè)務(wù)觀測和應(yīng)急氣象服務(wù)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。