在对比分析中探究天气视频智能仪的可行性及日常维护

任春颖，顾黎燕，李海锋

（保定市气象局 河北 保定 071000）

0 引言

近年来，恶劣天气的频发使得天气监测部门要注意的问题有很多，如何在保证安全的情况下，进行天气监测产品的升级换代和扩建，成了各个监测部门需要关注的问题。天气视频智能仪就是在这样的背景下被应用的，与传统人工监测相比，它有着非常多的优势，再加上随着我国经济不断发展，研究力度不断增加，智能仪复杂程度较之以往呈几何倍数增加，性能也变得多样[1]。

综合气象观测系统是国家重要的公共基础设施，是气象和地球相关学科业务与科研的重要基础。随着全国地面气象观测自动化改革业务运行有序开展，总云量、云高、露、霜、结冰、雨凇、雾凇、电线积冰、积雪等天气现象采用自动综合判识开展观测。2020 年9 月27 日河北省保定市气象局观测站完成天气现象视频智能观测仪安装挂接。通过观察天气视频智能仪观测数据，发现天气现象视频智能观测仪对露、霜、结冰、雾凇、积雪等天气现象存在辨识不准确、数据不完整等情况。在天气现象自动观测过程中，观测数据的准确性、完整性是十分重要的，通过对比观测，研究天气现象智能观测仪实时天气现象识别准确率、数据完整性、可靠性和可维护性等，对推动气象业务自动化、高质量发展具有重要意义[2]。

深入探究天气现象视频智能观测仪，通过对2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的12 个月中天气现象视频智能观测仪和人工观测记录资料为基准利用统计学方法对露、霜、结冰、雾凇、积雪等天气现象进行统计对比分析，研究天气现象智能观测仪观测数据的可用性、完整性，仪器设备可靠性指标、可维护性指标。

1 天气现象视频智能观测仪的组成结构及日常维护

1.1 设备组成

天气现象视频智能观测仪由视频采集器、数据处理单元、通信单元、供电单元和附件等组成，其硬件结构见图1，外观见图2。

1.2 视频采集器

视频采集器由多个摄像机组成，根据观测对象特点和需要，一般由1 个鱼眼镜头高清摄像机和2 ～5 个定焦或变焦镜头高清摄像机组成。现用组合方式为分离式视频采集器组，由1 个独立鱼眼镜头高清摄像机、1 个定焦镜头高清摄像机和1 个变焦镜头高清摄像机组成[3]。

1.3 数据处理单元

数据处理单元由控制处理器和存储单元组成，控制处理器是由CPU、GPU、内存等组成的嵌入式AI 计算机，控制处理器内置了嵌入式识别软件和控制管理软件，用于天气现象（或气象要素）的自动观测识别和设备控制管理，负责处理采集的视频和图片等信息，进行数据质量控制、数据运算处理和记录存储。

1.4 通信单元

通信单元是主要完成数据发送、接收以及通信方式转换等功能的部件，采用RS-232/RS-485 通信或光纤通信。识别结果通过信号线采用RS-485/RS-232 方式与综合集成硬件控制器连接，原始视频和图片数据采用光纤通信传输到室内通信终端，再通过业务内网上传至省级或国家级。

1.5 供电单元

供电单元主要由交直流转换器、浪涌保护器、空气开关等部件组成，将220 V 交流电压或辅助电源（太阳能、风能等）转换为直流电压，为天气现象视频智能观测仪供电，组成结构见图3。

1.6 安装规范要求

（1）电缆和雪尺须完全可见。（2）电缆顶部与图像顶部留出一段距离，电缆在镜头内要保持水平。（3）电缆底部与雪尺顶部留出一段距离，防止结冰遮挡雪尺刻度。（4）电缆要面对镜头，不要被架子的支柱遮挡。（5）雪尺必须垂直于地面。验收时要求倾斜角度小于3°。（6）雪尺零刻度与图像底部留出一小段距离。（7）雪尺（0 ～100 cm）须占图片高度的70%以上。（8）避免杂草遮挡雪尺刻度（尤其须注意杂草遮住0 刻度）。（9）处理杂草时必须要露出地面，露出地面面积尽可能大。（10）雪尺红色中轴线要求居中（中轴线左右两边刻度宽度大致相同）。（11）图片背景中不要出现蓝色和红色物体。（12）电缆下方不要出现（水平方向）较长的白色物体。（13）图像必须清晰，不能出现对焦模糊的情况。（14）霜、露的目标物是地面植物，镜头应尽量对准草较多的位置，优先选择叶子较宽的草。（15）拉近图像（提升焦距），使结冰皿占据图像左半部分大部分面积、图像右半部分有较多的植物。（16）图像中结冰皿和地面植物需要保证清晰，不能出现对焦模糊的情况。（17）镜头调好后，对镜头中的草洒水，确保在图像中能明显看出草上的水珠[4]。

1.7 观测要素

天气现象视频智能观测仪可自动识别云量、云状、地面凝结现象（霜、露、雨凇、雾凇）、结冰、积雪和雪深等天气现象（或气象要素），后期可扩展至低云量、云高、电线积冰、视程障碍现象（轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴）。

1.8 数据传输

1.8.1 通信方式

采用有线通信方式。识别结果通过信号线采用RS-485/RS-232 方式与综合集成硬件控制器连接，数据传输的格式按照数据字典中观测要素数据和设备状态信息的规定进行；视频和图片数据采用光纤通信方式不经过业务终端微机直接接入业务内网通信设备。

1.8.2 传输频率

ISOS 软件每分钟通过数据读取命令（READDATA）获取识别结果数据，数据传输频率为1 次/min。

视频和图片文件的传输频率为1 次/h，上传每个小时整点的视频和图片数据。

2 设备维护

台站按下述要求开展天气现象视频智能观测仪的日常巡视、维护工作。

（1）发现数据错误或异常应及时处理，对设备进行维护或维修。

（2）每周检查摄像机镜头的遮挡和污染情况，若有遮挡或污染应及时清理，清理应在日出前或日落后进行。清洁摄像机镜头时，护罩式镜头可用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇直接擦试镜头玻璃，鱼眼镜头可先用清水冲洗表面浮尘与沙粒，再用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇擦试镜头，注意不要划伤玻璃表面，如果窗口加热功能良好，其表面将很快变干，勿用其他物品清洁。可根据设备附近环境的情况，延长或缩短维护的时间间隔（遇沙尘、降雪等影响观测时，应及时清洁）。

（3）每月定期检查摄像机的水平、方位和倾角，检查立柱是否稳固，发现问题及时纠正，避免振动等对摄像机产生的不良影响。

（4）每月检查地面集中观测区自然下垫面及露、霜目标物草地状况，保持平整良好。

（5）每月检查供电设施，保证供电安全。

（6）每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。

（7）结冰容器应尽可能使用代表当地自然水体（江、河、湖）的水，器内水量不足时需及时添加；专用量雪尺应保持竖直，刻度零线与地面集中观测区自然下垫面齐平。

（8）结冰容器、专用雪深尺、电线积冰架上的观测导线等非结冰期时应收回室内妥善保管，结冰期开始前按照要求及时布设安装。

（9）定期更换设备易损件，尤其是在自然条件较为恶劣的地区；如果损坏或腐蚀应及时进行处理、更换。

（10）定期检查、维护、维修、校准等对自动观测数据有影响的情况应记入备注栏。

3 天气视频智能仪观测与人工观测对比

3.1 人工与仪器观测对比

人是天气监测的执行者和管理者，监测过程中，人的因素最为重要，想要高质量地完成工作，监管人员的素质和责任感，监测人员的技术能力和专业知识的储备，以上二者缺一不可，再加上一丝不苟的工作作风，严格执行操作流程等等，全方位多角度地进行施工，这样最后的监测质量才会提高。但是这样的操作对于人精力的考验无疑是巨大的，而视频智能仪便不会出现因为精力不足影响到监测结果准确性的问题，仪器只需要运行特定程序进行数据分析就可以了，非常方便快捷。有时候夜间温度低可能会出现霜，但是早上随着温度的上升，等到观测员进行人工观测时霜可能已经化为露珠，这样就造成了天气现象漏测。天气现象视频智能观测仪数据处理单元由控制处理器和存储单元组成，控制处理器是由CPU、GPU、内存等组成的嵌入式AI 计算机，控制处理器内置了嵌入式识别软件和控制管理软件，对图片进行自动检查，质量合格的图片通过数据处理单元内嵌的智能识别算法运用计算机视觉或深度学习技术，模拟人眼对图片中的天气现象（或气象要素）场景进行感知、识别和理解，实现天气现象（或气象要素）的自动观测识别，并输出识别结果。

3.2 观测数据对比分析

在天气现象视频智能观测仪业务测试期，设备将相关数据推送至ISOS 软件端后，由ISOS 软件将天气现象识别结果按现用小时BUFR 文件格式直接转换成并行BUFR 格式数据文件上传（其中非视频智能观测仪识别数据均置为缺测），暂不入ISOS 业务数据库。

3.2.1 数据采集

天气现象视频智能观测仪通过视频采集器自动采集视频和图片，图片的采样频率为1 次/min；视频的采样频率为6 次/h，每次为10 s 短视频（每0 min、10 min、20 min、30 min、40 min 和50 min 向前推10 s）。

3.2.2 数据处理

数据处理单元对图片进行自动检查，质量合格的图片通过数据处理单元内嵌的智能识别算法运用计算机视觉或深度学习技术，模拟人眼对图片中的天气现象（或气象要素）场景进行感知、识别和理解，实现天气现象（或气象要素）的自动观测识别，并输出识别结果。

3.2.3 观测数据概况

观测数据时间段：2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日；观测数据时刻：涵盖北京时间5：00、7：00、9：00、11：00，共4 个时次。

数据量：共采集记录1403 次，采集视频智能观测仪数据1378 次；涉及天气现象：露、霜、雾凇、结冰、积雪。

3.2.4 观测分析对比

通过对2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日中，5：00、7：00、9：00、11：00，每日4 个时次，共1460 次的气象观测资料为基准利用统计分析法、比较法对露 、霜、结冰、雾凇、积雪等天气现象人工观测记录和天气现象智能观测仪观测数据出现次数进行统计和比对，探究天气现象视频智能观测仪观测数据的可用性、完整性。人工观测记录次数见表1。

表1 天气现象人工观测记录次数

由于全年未出现雾凇现象，所以雾凇现象有待进一步观察研究。

（1）排除由于外界干扰因素造成的数据缺测时间，对天气现象观测仪输出的数据完整性做漏测率评估，见表2。

表2 天气现象视频智能仪未能识别的漏测率 单位：%

漏测率=天气现象视频智能观测仪未记录次数/全年识别次数×100%。

（2）由于下垫面为草，到冬天枯草表面状态不好识别，尤其是晴天时枯草表面在阳光照射下发亮，天气视频智能仪经常误判为霜的存在（经常中午和下午霜早已消失却还误判显示霜）。经过检查数据发现实际未下雪，雪尺等参照物也正常，但出现雪深数据。天气现象视频智能仪识别的错误率、准确率见表3。

表3 天气现象视频智能仪识别的错误率、准确率 单位：%

错误率=天气现象视频智能观测仪错误识别次数/全年识别次数×100%。

通过统计，计算出天气现象视频智能仪全年平均漏测率0.62%，错误率3.43%，准确率96.60%。

天气现象智能观测仪观测数据完整性较好、仪器运行较稳定，可靠性较高。

4 结语

综上所述，天气现象自动化观测是业务发展的必然趋势和迫切要求，天气现象智能观测仪采用了当前各领域的先进技术，在设计理念和采用技术上都是一个跨越，对人工观测有了质的改变，进一步减轻了基层业务人员工作量。在一年多的运行和使用过程中发现还存在一些问题，建议天气视频智能仪设备厂家持续优化改进算法和智能判别，AI 识别部分还需调整，提高仪器观测准确性和稳定性，降低误报或漏报的现象。从仪器设备日常维护方面建议进一步优化仪器设备结构，鱼眼摄像机支架较高不便于日常清洁和维护[5]。

市县业务人员要经常对设备软硬件运行、设备目标物布设、设备防水（注意鱼眼及短焦设备及线缆防水）保护等情况进行全面检查，对摄像机角度、焦距设置、目标物（电线积冰架、小型蒸发皿、专用雪深标尺）安装等进行确认，发现问题及时调整维护；严格按照《地面气象自动观测规范（第一版）》和《天气现象视频智能观测仪建设技术方案》要求，加强对摄像镜头以及配套设备的定期维护，以提高仪器辨识度。