氣象探測環境保護監測系統設計與實現

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與保障中心，貴陽 550002)

0 引言

為保證氣象探測設施準確獲得氣象信息所必需的最小距離和凈空仰角構成的環境空間，《氣象設施和氣象探測環境保護條例》對國家基準氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站觀測場周邊探測環境保護范圍內建(構)筑物的距離、高度比做了具體規定；另外，《氣象探測環境和設施保護辦法》與《氣象探測環境保護規范地面氣象觀測站》分別詳細地規定了高空氣象探測站探測系統天線、雷達探測、極軌氣象衛星地面接收、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務和儀器環境四周的障礙物遮擋仰角。

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

近年來，隨著中國城市化進程的加快，很多觀測臺站已逐漸不符合探測環境要求。與沿海發達地區相比，經濟發展相對緩慢的甘肅[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境惡化的局面，全國氣象觀測臺站探測環境保護壓力倍增。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境的保護對策[6-9]，對氣象探測環境測評中的儀器設備及軟件的研發和完善是技術環節的研究方向之一。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坐標，建立氣象觀測站探測環境測評模型，并設計一種氣象觀測站地面觀測場探測環境自動評估系統。涂滿紅[11]等設計的一種地面氣象觀測站氣象探測環境調查評估方法及系統，通過獲取氣象站信息、觀測場信息和評分項目信息，計算環境定量評分項目分值，從而得到氣象探測環境評估結果，為氣象站的設置、環境的檢測提供依據[9，10]。呂向偉[12]等開發了氣象臺站探測環境評估繪圖軟件，可用于氣象部門地面站、高空站的探測環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重于對數據的處理，缺少對數據采集過程和所需儀器設備的研究和設計。為解決現行氣象探測環境保護工作中專業性監測儀器及手段不足的問題，文章研究設計了一套氣象探測環境保護監測系統，該系統既能對氣象探測環境相關信息進行采集，又能對所采集的信息進行數據處理，使用該系統輔助能更方便快捷地完成氣象探測環境保護的日常巡查和評估評分工作。

1 氣象探測環境保護監測系統組成

氣象探測環境保護監測系統，分為氣象探測環境保護監測設備及配套使用的監測軟件兩大部分。其中監測設備由監測儀、便攜主控機和電源3大部分組成，監測儀是系統組成的主要部件，由三角支架、千分尺角度旋轉云臺、三腳架微調水平臺云臺、電子羅盤傳感器、俯仰角度微調節平臺、激光指向儀、工業相機、測距傳感器等部件組成，主要負責數據和圖像采集；便攜主控機負責控制監測儀各傳感器的工作狀態、所采集數據的存儲和處理；電源負責為檢測儀和主控機各部件供電。

2 氣象探測環境保護監測系統功能

氣象探測環境保護監測系統是集氣象探測障礙物標記、仰角測量、坐標定位、圖像采集和數據存儲處理為一體的新型裝置：

1)三角支架為監測裝置的支撐部件，千分尺角度旋轉云臺、三腳架微調水平臺云臺、俯仰角度微調節平臺從下往上依次安裝在三角支架上，通過旋轉千分尺角度旋轉云臺可設置監測裝置0°～360°的水平監測方位角；通過調節三腳架微調水平云臺提供工作水平面；通過俯仰角度微調節平臺設置與工作水平面的夾角為仰角。

2)激光指向儀設置在俯仰角度微調節平臺上，通過俯仰角度微調節平臺設置仰角后轉動千分尺角度旋轉云臺，即可對激光光束掃到的障礙物進行標記。反之，利用激光指向儀的標記功能，通過俯仰角度微調節平臺調節也可實現仰角測量功能。

3)測距傳感器與激光指向儀同軸設置在俯仰角度微調節平臺上，觀測點作為坐標原點，系統通過俯仰角度微調節平臺設置仰角，電子羅盤傳感器、測距傳感器采集障礙物方位角及距離數據確定障礙物球坐標位置并將障礙物坐標數據傳輸給主控機。

4)工業相機同樣與激光指向儀、測距傳感器同軸設置在俯仰角度微調節平臺上，工業相機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記到的障礙物圖片信息進行采集并傳輸給主控機。

5)主控機控制各傳感器工作狀態，并對傳感器傳回的數據進行存儲處理，結合預制氣象探測環境保護監測軟，可現場一次性完成氣象探測環境評估報告。

與現行采用的測距儀、經緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監測手段相比，氣象探測環境保護監測系統具有專業性強、功能集成化的優勢。

3 氣象探測環境保護監測系統應用

在研制過程中，氣象探測環境保護監測系統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行相關監測運行試驗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)未能采集數據外，其余每次測試均能有效采集。測試中系統單次連續工作時長最長達3.5 h，累計工作時長達20.7 h。

2020-10-26采用氣象探測環境保護監測系統在盤州市國家基本氣象站觀測場采集到的0°(正北)～360°障礙物仰角數據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2019-06-12采集的數據進行了比對。比對結果顯示，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，兩次采集的數據雖有出入但基本吻合；方位角90°～164°、192°～204°障礙物為地形，兩次采集的數據基本一致。因此，通過數據對比證明氣象探測環境保護監測系統所采集的數據樣本及生成數據表報告均可用。

4 結束語

氣象探測環境保護監測系統在氣象工程領域實現了以下突破和創新：

1)實現應用一個設備完成氣象探測環境所有信息的采集，并且通過軟件自動生成報告、圖表等產品，與現行采用的測距儀、經緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監測手段相比，具有專業性強、功能集成化的優勢。

2)信息的采集方式直接采用物理探測，與文獻[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)使用系統輔助能更方便快捷地完成氣象探測環境保護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行障礙物信息采集試驗中，采集180個方位角障礙物數據信息共用時1 h 32 min，與傳統人工測評方法相比，大大縮短了工作時間。

合格的氣象探測環境是保障氣象數據具備代表性、準確性、連續性和可比性的關鍵因素之一，但目前為止，在氣象工程領域仍缺少氣象探測環境保護相關的專業儀器裝備的研究。氣象探測環境保護監測系統能更穩定、可靠、全面、快捷地獲取地面氣象臺站探測環境信息，實現了氣象探測環境保護從“目測定性”到“定量自動判斷數據測算”的質量提升，是推進氣象觀測質量管理體系建設的重要組成部分。