气象探测环境保护监测系统的设计与应用

钟 静 林小杰 彭 超 龙如勇 杨宏宇 王晓峰

（贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553001）

气象探测设施要准确获得气象探测信息需要一定的净空条件。目前，各级气象主管机构在开展气象探测环境保护周巡视和月报告工作时，基本依靠台站工作人员目测台站周边建构筑物对气象探测环境有无影响进行定性估计，在进行具体定量判定或评估评分时才借助测距仪、经纬仪、全站仪[1]等测绘测量仪器，通过采集建构筑物的高度、海拔、观测场的海拔、建构筑物与观测场的距离等数据，计算建构筑物与观测场的距离高度比是否符合要求。该方式虽然能获取相关数据辅助完成气象探测环境调查评估工作，但是存在多次测量造成误差积累、工作效率低、评估结果不直观等问题。

在该背景下，气象探测环境保护监测系统完成了研制，项目成果在盘州市国家基本气象站和水城县国家基本气象站进行了试用，并取得了成功。一代产品“一种气象探测环境保护装置”[2]已获得实用新型专利，二代产品“气象探测环境保护监测系统”正在进行实用新型专利申请中。该文将对项目成果的结构组成、功能特点、技术参数等进行了介绍，论文还包含了产品试用情况，最后提出气象探测环境保护监测系统计划完善改进的方向。

1 气象探测环境保护监测系统结构

气象探测环境保护监测系统如图1 所示，由监测仪、便携主控机和电源3 个部分组成，来实现气象探测障碍物激光标记、仰角测量、坐标定位、图像采集、数据存储和报告制作的功能。其中监测仪是整个系统的硬件支撑，主要由激光指向仪、电子罗盘传感器、工业相机、测距传感器等部件组成，激光指向仪用于障碍物标记；电子罗盘传感器用于采集障碍物方位角及仰角数据；工业相机用于障碍物图片采集；测距传感器用于障碍物距离测量。通过以上信息采集即可实现障碍物的球坐标定位和图像标记取证。

图1 系统电子部件连接示意图

项目选择积木型结构方案来组建气象探测环境保护监测系统，即采用三角支架、云台、电子罗盘传感器、激光指向仪、工业相机、镜头、测距传感器、便携主控机、电源等可以分离使用的部件，通过电缆或接口把它们组合成一个整体来实现预想中气象探测环境保护监测系统所具备的功能，其优点是以上部件市场上已经有比较成熟的产品，不用自主研发；另外积木型结构的优点还便于在研发测试的过程中可根据实际情况来不断调整系统各部件参数以期达到最优。

2 系统部件参数指标

气象探测环境保护监测系统由实现各功能的部件和传感器搭建而成，因此系统参数指标由各部件参数指标决定，通过不断的对比及调试研究最终选用的具体部件主要参数见表1。考虑到设备的便携型和设备数据的采集高度系统采用可伸缩调节的三角支架作为支撑部件；根据中国气象局印发的《气象观测站新建迁移和撤销管理规定》附件2 第二部分第4 条“现址观测场四周0°～360°障碍物仰角数据表”的数据采集精度，系统角度旋转云台的行程精度选择精确到可在±2°范围内进行微调的部件；按照《气象探测环境保护规范地面气象观测站》[3]规定的不同观测业务和仪器环境四周的障碍物的不同遮挡仰角，以及不同级别气候站、气象站控制区内障碍物的高度距离比（观测仰角），系统设计采用俯仰角度±20°可调节平台，以便于使用者根据不同的使用环境自行设定数据采集仰角；另外依据《气象探测环境保护规范地面气象观测站》关于地面气象观测场四周障碍物控制区范围的划定，系统激光指向仪的射程和测距传感器的最大测量范围分别选择为1 500 m 和1 600 m，使系统量程达到国家基本气象站和国家一般气象站的测量要求。目前，表1 所选择部件能满足象探测环境保护监测系统所具备的基本功能，但后期测试过程中还会根据具体使用情况来调整部件参数。

表1 系统部件主要参数表

3 系统软件功能

国内气象主管机构对气象观测站探测环境的评估评分工作主要是依靠人工测绘进行数据采集、分析、填表、制图，最后整理出报告来完成。这种方法自动化程度不高，专业针对性不强，因为加入了很多人为的主观因素还导致测评结果往往不客观。为了使该项工作更方便快捷且智能化，在遵循稳定性、安全性、开放性、适应性和灵活性原则的前提下，本研究采用 Visual Studio 2019 作为开发环境，使用 C#语言进行编程，开发设计了地面气象观测站探测环境保护评估软件。该软件可运行于Windows7 SP1 操作系统，安装在便携主控机内，与象探测环境保护监测系统的监测仪配套使用，实现了地面气象观测站探测环境保护的图片和数据集成化、测评结果表格化、可视化等应用需求，从而做到气象探测环境监测工作从数据采集到数据处理和报告制作等程序一体化。

地面气象观测站探测环境保护评估软件是整个系统实现自动化和专业化的关键，如图2 所示软件按功能不同划分为障碍物实景照片采集、障碍物距离测定、探测环境评估资料采集、评估报告查阅等4 个子模块，用于实现控制监测仪各传感器的工作状态、采集和存储障碍物距离、仰角、方位角数据和图像信息，并生成气象台站观测环境综合调查评估报告。其中“障碍物实景照片”子模块，用于连接和调试工业相机，并采集存储对指向仪扫描标记到的障碍物图片信息；“障碍物距离测定”子模块，用于连接和调试测距传感器，并采集存储障碍物直线距离数据；“探测环境评估资料采集”子模块，用于存储方位角每间隔2°的常规测量或任意角度的加密测量到的障碍物图片、直线距离信息，并在后台完成调查评估报告制作；“评估报告查阅”子模块，用于已生成报告的查阅。软件可以帮助工作人员更高效地进行气象观测站的探测环境信息采集工作，得到观测场实时的观测环境数据。

图2 系统功能模块图

4 系统应用情况

按《气象设施和气象探测环境保护条例》[4]第十三条第一款规定“在国家基本气象站观测场周边 1000 m 探测环境保护范围内修建高度超过距观测场距离 1/10 的建筑物、构筑物”。建筑与观测场位置示意图如图3 所示，A（x1，y1）、B（x2，y2）点分别为观测场和建筑坐标，h为建筑高度，θ为观测仰角，则各要素须满足式（1）的要求，根据式（1）关系推算观测仰角θ见式（2），求解式（2）得观测仰角θ约为5.71°。

图3 建筑与观测场位置示意图

气象探测环境保护监测系统在研制过程中，分别在盘州国家基本气象站进行过十余次监测运行试验，每次测试实验系统均运行良好。其中，2020 年10 月26 日在盘州国家基本气象站观测场进行的测试实验中按5.71°仰角设置监测仪进行数据采集，从0°（正北方向）～360°按每2°进行抽样，系统生成数据表缩略后如表2 所示，表内包含了每个采样方位角的障碍物类别、障碍物距离、障碍物照片链接以及是否影响探测环境的结论。其中表2 中距离一行显示的数据是系统按5.71°仰角采集的障碍物到采集点的斜线距离转化后生成的直线距离。按表2 数据系统生成的观测场四周障碍物方位角信息图如图4 所示，该图将观测场四周观测仰角内障碍物按照地形、建构筑物、植物进行分类并快速、直观地显示出来。

图4 盘州国家基本气象站观测场四周障碍物信息图

表2 盘州国家基本气象站观测场0°～360°数据表（5.71°仰角，每2°方位角采样）

5 改进方向

目前研发完成的气象探测环境保护监测系统已达到项目预期所具备的功能：能更直观地标记障碍物、测量仰角；能更方便采集气象探测环境现状的图片信息；能随时测量并记录旋转方位信息；能更快速地现场制作完成各种气象探测环境报告。但产品在测试的过程中发现仍然有可以完善的地方，后期将重点从以下方向进行改进：1）进一步调整完善各部件参数：如测距模块目镜放大倍数调整，工业像机增配广角、长焦镜头等以适合不同环境使用。2）进一步提高监测设备测量精度，减小误差。3）产品智能化，增加“建筑物、植物、自然山体”图像自动判断识别功能。4）监测仪从“积木型”向“整体型”一体化发展。

6 结语

为及时、准确地掌握和评估气象观测台站探测环境，该研究完成了气象探测环境保护监测系统的总体设计，选择盘州国家基本气象站进行系统的测试，通过实际的系统测试可以看出，该系统能够满足气象观测台站探测环境测评的需求，且与传统的人工测评方法相比，该方法工作效率更高，能减少人工测量的误差，增加数据的准确性。气象探测环境保护监测系统可以用于气象台站探测环境测评工作，为探测环境保护提供更为直观的依据。