气象探测环境保护监测系统设计与实现

钟 静，张沪生，林小杰，杨宏宇，彭 超，龙如勇

(1.贵州省六盘水市气象局，六盘水 553001；2.贵州省大气探测技术与保障中心，贵阳 550002)

0 引言

为保证气象探测设施准确获得气象信息所必需的最小距离和净空仰角构成的环境空间，《气象设施和气象探测环境保护条例》对国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站观测场周边探测环境保护范围内建(构)筑物的距离、高度比做了具体规定；另外，《气象探测环境和设施保护办法》与《气象探测环境保护规范地面气象观测站》分别详细地规定了高空气象探测站探测系统天线、雷达探测、极轨气象卫星地面接收、闪电探测站高频探测天线、GPS气象探测、日照和太阳辐射观测等观测业务和仪器环境四周的障碍物遮挡仰角。

目前，各级气象主管机构在对气象探测环境保护的日常巡查和评估评分时使用的均是测距仪、经纬仪和全站仪[1]等测绘测量仪器，采用距高比法，即通过测量建(构)筑物的海拔、高度、与观测场的距离、观测场的海拔等数据计算建(构)筑物与观测场的距高比是否符合相关要求。这些仪器的使用虽能获取相关数据辅助完成气象探测环境调查评估工作，但存在不够直观、无法自动记录、专业性不强、需要二次制作报告等问题。

近年来，随着中国城市化进程的加快，很多观测台站已逐渐不符合探测环境要求。与沿海发达地区相比，经济发展相对缓慢的甘肃[2]、陕西[3]、湖南[4]、云南[5]等中西部省份也都面临气象探测环境恶化的局面，全国气象观测台站探测环境保护压力倍增。在这种背景下，各级气象主管部门也在积极寻求气象探测环境的保护对策[6-9]，对气象探测环境测评中的仪器设备及软件的研发和完善是技术环节的研究方向之一。王震洲[10]等提出了一种基于图像处理的气象观测站探测环境测评方法，通过提取出全景图像中观测场四周最高障碍物的像素点坐标，建立气象观测站探测环境测评模型，并设计一种气象观测站地面观测场探测环境自动评估系统。涂满红[11]等设计的一种地面气象观测站气象探测环境调查评估方法及系统，通过获取气象站信息、观测场信息和评分项目信息，计算环境定量评分项目分值，从而得到气象探测环境评估结果，为气象站的设置、环境的检测提供依据[9，10]。吕向伟[12]等开发了气象台站探测环境评估绘图软件，可用于气象部门地面站、高空站的探测环境评估工作和气象台站搬迁的选址评估工作。上述研究工作主要侧重于对数据的处理，缺少对数据采集过程和所需仪器设备的研究和设计。为解决现行气象探测环境保护工作中专业性监测仪器及手段不足的问题，文章研究设计了一套气象探测环境保护监测系统，该系统既能对气象探测环境相关信息进行采集，又能对所采集的信息进行数据处理，使用该系统辅助能更方便快捷地完成气象探测环境保护的日常巡查和评估评分工作。

1 气象探测环境保护监测系统组成

气象探测环境保护监测系统，分为气象探测环境保护监测设备及配套使用的监测软件两大部分。其中监测设备由监测仪、便携主控机和电源3大部分组成，监测仪是系统组成的主要部件，由三角支架、千分尺角度旋转云台、三脚架微调水平台云台、电子罗盘传感器、俯仰角度微调节平台、激光指向仪、工业相机、测距传感器等部件组成，主要负责数据和图像采集；便携主控机负责控制监测仪各传感器的工作状态、所采集数据的存储和处理；电源负责为检测仪和主控机各部件供电。

2 气象探测环境保护监测系统功能

气象探测环境保护监测系统是集气象探测障碍物标记、仰角测量、坐标定位、图像采集和数据存储处理为一体的新型装置：

1)三角支架为监测装置的支撑部件，千分尺角度旋转云台、三脚架微调水平台云台、俯仰角度微调节平台从下往上依次安装在三角支架上，通过旋转千分尺角度旋转云台可设置监测装置0°～360°的水平监测方位角；通过调节三脚架微调水平云台提供工作水平面；通过俯仰角度微调节平台设置与工作水平面的夹角为仰角。

2)激光指向仪设置在俯仰角度微调节平台上，通过俯仰角度微调节平台设置仰角后转动千分尺角度旋转云台，即可对激光光束扫到的障碍物进行标记。反之，利用激光指向仪的标记功能，通过俯仰角度微调节平台调节也可实现仰角测量功能。

3)测距传感器与激光指向仪同轴设置在俯仰角度微调节平台上，观测点作为坐标原点，系统通过俯仰角度微调节平台设置仰角，电子罗盘传感器、测距传感器采集障碍物方位角及距离数据确定障碍物球坐标位置并将障碍物坐标数据传输给主控机。

4)工业相机同样与激光指向仪、测距传感器同轴设置在俯仰角度微调节平台上，工业相机图片采集方向与激光指向仪激光光束方向平行，可对激光光束扫描标记到的障碍物图片信息进行采集并传输给主控机。

5)主控机控制各传感器工作状态，并对传感器传回的数据进行存储处理，结合预制气象探测环境保护监测软，可现场一次性完成气象探测环境评估报告。

与现行采用的测距仪、经纬仪、全站仪等测绘测量仪器及监测手段相比，气象探测环境保护监测系统具有专业性强、功能集成化的优势。

3 气象探测环境保护监测系统应用

在研制过程中，气象探测环境保护监测系统在盘州国家基本气象站(含新址、旧址)、水城国家基本气象站进行相关监测运行试验10余次，除2020-11-05在水城国家基本气象站测试时由于能见度低(2202 m)未能采集数据外，其余每次测试均能有效采集。测试中系统单次连续工作时长最长达3.5 h，累计工作时长达20.7 h。

2020-10-26采用气象探测环境保护监测系统在盘州市国家基本气象站观测场采集到的0°(正北)～360°障碍物仰角数据与盘州市国家基本气象站迁移申请文件中站址选址报告书内2019-06-12采集的数据进行了比对。比对结果显示，2019年采集的方位角168°障碍物为通讯基站铁塔，该铁塔在观测场建设完成后已全部拆除；方位角0°～40°、208°～240°、264°～304°、328°～360°障碍物为植物，通过植物后期生长和修剪，两次采集的数据虽有出入但基本吻合；方位角90°～164°、192°～204°障碍物为地形，两次采集的数据基本一致。因此，通过数据对比证明气象探测环境保护监测系统所采集的数据样本及生成数据表报告均可用。

4 结束语

气象探测环境保护监测系统在气象工程领域实现了以下突破和创新：

1)实现应用一个设备完成气象探测环境所有信息的采集，并且通过软件自动生成报告、图表等产品，与现行采用的测距仪、经纬仪、全站仪等测绘测量仪器及监测手段相比，具有专业性强、功能集成化的优势。

2)信息的采集方式直接采用物理探测，与文献[10]中基于全景图像自动处理的研究相比，不受算法的影响。

3)使用系统辅助能更方便快捷地完成气象探测环境保护的日常巡查和评估评分工作，在盘州国家基本气象站观测场进行障碍物信息采集试验中，采集180个方位角障碍物数据信息共用时1 h 32 min，与传统人工测评方法相比，大大缩短了工作时间。

合格的气象探测环境是保障气象数据具备代表性、准确性、连续性和可比性的关键因素之一，但目前为止，在气象工程领域仍缺少气象探测环境保护相关的专业仪器装备的研究。气象探测环境保护监测系统能更稳定、可靠、全面、快捷地获取地面气象台站探测环境信息，实现了气象探测环境保护从“目测定性”到“定量自动判断数据测算”的质量提升，是推进气象观测质量管理体系建设的重要组成部分。