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(shù)與保障中心，貴陽 550002)

0 引言

為保證氣象探測設(shè)施準確獲得氣象信息所必需的最小距離和凈空仰角構(gòu)成的環(huán)境空間，《氣象設(shè)施和氣象探測環(huán)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(huán)境保護范圍內(nèi)建(構(gòu))筑物的距離、高度比做了具體規(guī)定；另外，《氣象探測環(huán)境和設(shè)施保護辦法》與《氣象探測環(huán)境保護規(guī)范地面氣象觀測站》分別詳細地規(guī)定了高空氣象探測站探測系統(tǒng)天線、雷達探測、極軌氣象衛(wèi)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(yè)務(wù)和儀器環(huán)境四周的障礙物遮擋仰角。

目前，各級氣象主管機構(gòu)在對氣象探測環(huán)境保護的日常巡查和評估評分時使用的均是測距儀、經(jīng)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(gòu))筑物的海拔、高度、與觀測場的距離、觀測場的海拔等數(shù)據(jù)計算建(構(gòu))筑物與觀測場的距高比是否符合相關(guān)要求。這些儀器的使用雖能獲取相關(guān)數(shù)據(jù)輔助完成氣象探測環(huán)境調(diào)查評估工作，但存在不夠直觀、無法自動記錄、專業(yè)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(huán)境要求。與沿海發(fā)達地區(qū)相比，經(jīng)濟發(fā)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(huán)境惡化的局面，全國氣象觀測臺站探測環(huán)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(huán)境的保護對策[6-9]，對氣象探測環(huán)境測評中的儀器設(shè)備及軟件的研發(fā)和完善是技術(shù)環(huán)節(jié)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(huán)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(huán)境測評模型，并設(shè)計一種氣象觀測站地面觀測場探測環(huán)境自動評估系統(tǒng)。涂滿紅[11]等設(shè)計的一種地面氣象觀測站氣象探測環(huán)境調(diào)查評估方法及系統(tǒng)，通過獲取氣象站信息、觀測場信息和評分項目信息，計算環(huán)境定量評分項目分值，從而得到氣象探測環(huán)境評估結(jié)果，為氣象站的設(shè)置、環(huán)境的檢測提供依據(jù)[9，10]。呂向偉[12]等開發(fā)了氣象臺站探測環(huán)境評估繪圖軟件，可用于氣象部門地面站、高空站的探測環(huán)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(cè)重于對數(shù)據(jù)的處理，缺少對數(shù)據(jù)采集過程和所需儀器設(shè)備的研究和設(shè)計。為解決現(xiàn)行氣象探測環(huán)境保護工作中專業(yè)性監(jiān)測儀器及手段不足的問題，文章研究設(shè)計了一套氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能對氣象探測環(huán)境相關(guān)信息進行采集，又能對所采集的信息進行數(shù)據(jù)處理，使用該系統(tǒng)輔助能更方便快捷地完成氣象探測環(huán)境保護的日常巡查和評估評分工作。

1 氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)組成

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)，分為氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測設(shè)備及配套使用的監(jiān)測軟件兩大部分。其中監(jiān)測設(shè)備由監(jiān)測儀、便攜主控機和電源3大部分組成，監(jiān)測儀是系統(tǒng)組成的主要部件，由三角支架、千分尺角度旋轉(zhuǎn)云臺、三腳架微調(diào)水平臺云臺、電子羅盤傳感器、俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺、激光指向儀、工業(yè)相機、測距傳感器等部件組成，主要負責(zé)數(shù)據(jù)和圖像采集；便攜主控機負責(zé)控制監(jiān)測儀各傳感器的工作狀態(tài)、所采集數(shù)據(jù)的存儲和處理；電源負責(zé)為檢測儀和主控機各部件供電。

2 氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)功能

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲處理為一體的新型裝置：

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

2)激光指向儀設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺設(shè)置仰角后轉(zhuǎn)動千分尺角度旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)平臺調(diào)節(jié)也可實現(xiàn)仰角測量功能。

3)測距傳感器與激光指向儀同軸設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，觀測點作為坐標原點，系統(tǒng)通過俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺設(shè)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(shù)據(jù)確定障礙物球坐標位置并將障礙物坐標數(shù)據(jù)傳輸給主控機。

4)工業(yè)相機同樣與激光指向儀、測距傳感器同軸設(shè)置在俯仰角度微調(diào)節(jié)平臺上，工業(yè)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(tài)，并對傳感器傳回的數(shù)據(jù)進行存儲處理，結(jié)合預(yù)制氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測軟，可現(xiàn)場一次性完成氣象探測環(huán)境評估報告。

與現(xiàn)行采用的測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監(jiān)測手段相比，氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)具有專業(yè)性強、功能集成化的優(yōu)勢。

3 氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

在研制過程中，氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)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(guān)監(jiān)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(shù)據(jù)外，其余每次測試均能有效采集。測試中系統(tǒng)單次連續(xù)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(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(nèi)2019-06-12采集的數(shù)據(jù)進行了比對。比對結(jié)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)基本一致。因此，通過數(shù)據(jù)對比證明氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)樣本及生成數(shù)據(jù)表報告均可用。

4 結(jié)束語

氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)在氣象工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了以下突破和創(chuàng)新：

1)實現(xiàn)應(yīng)用一個設(shè)備完成氣象探測環(huán)境所有信息的采集，并且通過軟件自動生成報告、圖表等產(chǎn)品，與現(xiàn)行采用的測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀等測繪測量儀器及監(jiān)測手段相比，具有專業(yè)性強、功能集成化的優(yōu)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(tǒng)輔助能更方便快捷地完成氣象探測環(huán)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(shù)據(jù)信息共用時1 h 32 min，與傳統(tǒng)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(huán)境是保障氣象數(shù)據(jù)具備代表性、準確性、連續(xù)性和可比性的關(guān)鍵因素之一，但目前為止，在氣象工程領(lǐng)域仍缺少氣象探測環(huán)境保護相關(guān)的專業(yè)儀器裝備的研究。氣象探測環(huán)境保護監(jiān)測系統(tǒng)能更穩(wěn)定、可靠、全面、快捷地獲取地面氣象臺站探測環(huán)境信息，實現(xiàn)了氣象探測環(huán)境保護從“目測定性”到“定量自動判斷數(shù)據(jù)測算”的質(zhì)量提升，是推進氣象觀測質(zhì)量管理體系建設(shè)的重要組成部分。