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

        2022-11-18 08:31:24王生鵬張曉平李彥平張景安
        科技與創(chuàng)新 2022年22期
        關(guān)鍵詞:雪深天氣現(xiàn)象積雪

        王生鵬,張曉平,李彥平,張景安

        (1.青海省大氣探測(cè)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(cè)業(yè)務(wù)的基本觀測(cè)項(xiàng)目之一。掌握實(shí)時(shí)積雪深度,對(duì)于災(zāi)害性天氣預(yù)警和專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)具有重要意義[1]。

        目前,青海省52 個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)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(cè)儀。其中DSS1 型雪深儀利用激光測(cè)距原理進(jìn)行雪深測(cè)量,而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀則是利用圖像智能識(shí)別原理進(jìn)行雪深數(shù)據(jù)測(cè)量。設(shè)備原理不同導(dǎo)致2 種設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)有差值。為了提高設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證自動(dòng)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(dòng)觀測(cè)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(cè)儀工作原理

        DSS1 型雪深觀測(cè)儀是一款全天候的自動(dòng)雪深觀測(cè)儀器,它結(jié)合了激光測(cè)距、電氣工程、信號(hào)處理、軟件等方面的技術(shù),是一個(gè)可靠的自動(dòng)化觀測(cè)儀器,適合在苛刻現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行雪深測(cè)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(diǎn)。

        DSS1 型激光雪深觀測(cè)儀采用相位法測(cè)距原理,用無(wú)線電波段的頻率,對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)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(zhǎng),換算此相位延遲所代表的距離,其測(cè)量的雪深范圍為0~200 cm[2]。激光測(cè)距探頭工作原理如圖1所示。

        圖1 激光測(cè)距原理

        1.2 HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀工作原理

        HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)儀是一款通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別的氣象儀器,該儀器可對(duì)總云量、云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象 (霜、露、雨凇、霧?。⒔Y(jié)冰、積雪和雪深等天氣現(xiàn)象(或氣象要素)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)識(shí)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(yáng)沙、沙 塵暴)的自動(dòng)觀測(cè)識(shí)別能力。其圖像采集單元由多個(gè)攝像機(jī)組成,圖像處理單元由控制處理器和存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)[3]。

        HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象智能觀測(cè)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(shí)別處理器將首先基于相機(jī)成像參數(shù),對(duì)成像過(guò)程中產(chǎn)生的畸變進(jìn)行矯正,獲得無(wú)畸變的標(biāo)準(zhǔn)雪深尺圖像;通過(guò)基于特征匹配和關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)算法,定位雪深尺位置,將雪深尺從圖像中整體分離出來(lái);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(shí)別算法,將圖像中的雪深刻度識(shí)別為數(shù)字化的雪深測(cè)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(cè)資料。DSS1 型激光雪深儀雪深、HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀雪深和人工雪深觀測(cè)值之間的對(duì)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(jì)和誤差分析方法。其中,算術(shù)平均反映了觀測(cè)樣本的平均值大小,標(biāo)準(zhǔn)差用于分析3 類(lèi)雪深數(shù)據(jù)的離散程度。以人工觀測(cè)值為“真值”,計(jì)算了方差、標(biāo)準(zhǔn)差,用于描述2 種設(shè)備與人工觀測(cè)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(duì)比分析

        2.1 平安站雪深數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)觀測(cè)設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時(shí)間變化的曲線圖,如圖3所示。由圖3 可見(jiàn),2 種設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線重合度較高,2 種設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致。

        圖3 平安站雪深數(shù)據(jù)對(duì)比圖

        對(duì)平安站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表1所示。其中激光雪深與人工觀測(cè)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(cè)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(jì)分析結(jié)果

        2.2 達(dá)日站雪深數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)觀測(cè)設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時(shí)間變化的曲線圖,如圖4所示。由圖4 可見(jiàn),DSS1 型激光雪深儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線重合度較高,變化趨勢(shì)基本一致;而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線重合度較低,變化趨勢(shì)不一致。

        圖4 達(dá)日站雪深數(shù)據(jù)對(duì)比圖

        對(duì)達(dá)日站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表2所示。其中激光雪深與人工觀測(cè)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(cè)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(jì)分析結(jié)果

        2.3 曲麻萊站雪深數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)觀測(cè)設(shè)備的雪深數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成雪深深度隨時(shí)間變化的曲線圖,如圖5所示。由圖5 可見(jiàn),DSS1 型激光雪深儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線重合度較高,變化趨勢(shì)一致;而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線重合度較低,變化趨勢(shì)大致一致。

        圖5 曲麻萊站雪深數(shù)據(jù)對(duì)比圖

        對(duì)曲麻萊站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表3 所示。其中激光雪深與人工觀測(cè)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(cè)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(jì)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(cè)儀與人工有數(shù)據(jù)而DSS1 型激光雪深儀沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況。

        2.4 綜合分析

        2.4.1 對(duì)比結(jié)果

        通過(guò)2 種設(shè)備測(cè)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(gè)站的激光雪深與人工觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.001 顯著水平檢測(cè)。3 個(gè)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(cè)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(shuō)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(cè)儀的數(shù)據(jù)。

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

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

        2.4.2 結(jié)果分析

        對(duì)比分析3 個(gè)氣象站2 種設(shè)備觀測(cè)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(cè)能力,能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)降雪過(guò)程和降雪之后雪深變化情況,并在應(yīng)急氣象服務(wù)過(guò)程中得到初步應(yīng)用[5]。相對(duì)于HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀來(lái)說(shuō),DSS1 型激光雪深儀在監(jiān)測(cè)雪深時(shí)與人工雪深差異較小,相關(guān)性高。

        針對(duì)DSS1 型激光雪深儀有野值出現(xiàn)的情況,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察比對(duì)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(diǎn)片狀、空洞狀時(shí)會(huì)產(chǎn)生野值,且觀測(cè)地段自然場(chǎng)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(guò)程發(fā)生后,立柱基礎(chǔ)和基準(zhǔn)面變化較明顯,也會(huì)導(dǎo)致野值出現(xiàn)。

        HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀由于采用圖像識(shí)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(shí)無(wú)法判別地面是否有雪,而HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù),對(duì)這3 個(gè)站HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀與DSS1 型激光雪深儀雪深觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估和對(duì)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(cè)儀可監(jiān)測(cè)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(cè)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(jiàn)DSS1 型激光雪深儀的雪深檢測(cè)能力更強(qiáng)。

        利用DSS1 型激光雪深儀檢測(cè)時(shí)存在降雪量少、地面積雪偏少時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)情況,利用HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)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(cè)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(shuō)明識(shí)別算法還需改進(jìn)。

        青海地區(qū)降雪量少、地面積雪偏少時(shí)以HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)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(shí)在今后需加強(qiáng)改進(jìn)HY-WP1A 型天氣現(xiàn)象視頻觀測(cè)儀識(shí)別算法,減少疑誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,提高識(shí)別數(shù)據(jù)的可靠性,為雪深業(yè)務(wù)觀測(cè)和應(yīng)急氣象服務(wù)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

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