新型能见度自动观测系统研究

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Research on new automatic visibility observation systemWang Jingli Liu Xulin Lei Ming Ruan Shunxian Miao Yupeng Nie Kai(1.Institute of Urban Meteorology，China Meteorological Administration，Beijing 100089，China；2.SuppoCenter for Atmospheric Observing Technology，BMB，Beijing 1 00089，China；3.Beijing Meteorological Information Center，Beijing 100089，China)Abstract：Aiming at the grim situation that SO far at home and abroad there is no automati c visibility observation in-strument coming out yet that truly meets the definition of visibility，adopting digital photographic technology，basedon the principles of manual visibility observation，this paper delves into a new automatic digital photographic visibil-ity detection system that completely conforms to the definition of visibility.In this paper，through comparative ex-periments among digital visibility instrument，optical visibility instrument and manual visibility observation，the ob-servation performance of digital visibility instrument is analyzed.The comparative resuhs show that the system oper-ation is stable and reliable，and it meets the expected design requirements.This research provides a viable solutionfor the automatic observation of haze and visibility at home and abroad。

Keywords： digital photography technique； visibility automation observation system； CCD； singlechip；wireless contro11 引 如高速公路的关闭、车辆的限速、飞机的起降等 4。。更重要的是今年我国多个省市雾霾天气频能见度是3大基本气象观测要素之-，是- 发，持续的低能见度天气造成多起恶性交通事故个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重 发生，导致人民生命财产受到重大损失。对雾霾及要影响的气象要素 。特别是近年来，随着北京向国际化大都市迈进步伐的加快，许多领域已经能见度的实时观测的需求更加迫切。但能见度的观测现状却与实际观测需求相差甚远，目前国内把雾霾及能见度的Et常观测逐渐提到日程上来 ， 外对能见度的探测大都还是以人工观测为主[收稿日期：2013-03 Received Date：2013-03基金项目：城市气象科学研究基金(UMRF200906)、科技部公益性行业专项(GYHY201 106047)、院所专项(IUMKY20121 1)资助项 目第7期 新型能见度自动观测系统研究规范性和客观性较差，实时性难以满足实际需求。

其原因就是迄今国内外尚未有能够取代人工观测能见度的、符合能见度定义的能见度自动观测仪问世。传统的光学能见度仪包括大气透射仪和前向散射能见度自动测量仪 J。前者通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来评估能见度值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，而在雨、雾等低能见度天气，又会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差，因此局限性很大。后者则是直接测量来 自-个小的采样容积的散射光强，通过散射光强来有效地计算消光系数，进而确定大气能见度 圳。此方法是建立在3个假设的基础上的：1)假定大气是均匀分布的；2)假定大气消光系数R等于大气中雾、霾、雪和雨的散射，即假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零；3)假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数。显然这3个假设难以成立，且用-个很小的采样容积的散射光强来外推大气能见度，必定是不可靠的。因此，改进乃至革新能见度探测技术，眷研制出-款能够取代人工观测的能见度自动观测仪迫在眉睫 。随着计算机技术和 CCD数字摄像技术的飞速发展 J，价格的迅速下降，极大地激发了人们对数字技术应用于气象领域的研究热情。国内外科学家很自然想到用数字摄像机取代人眼，探测大气能见度 。上世纪中后期欧美的-些研究机构曾尝试用数字摄像技术研制能见度自动观测仪，以取代人眼观测能见度，并开展过相关科学实验，但最终没有成熟的产品问世。20世纪末开始，在我国由中国气象局北京城市气象研究所与国内多家科研院所及高校合作联合研制的数字摄像能见度自动观测仪(digital photography visiometer sys-tern，DPVS)，正是采用先进的数字摄像技术，完全仿照人眼观测能见度的原理，根据能见度定义研制的∷服了传统能见度仪的弱点，比人工观测更加客观，是未来取代人工观测能见度的最佳仪器，目前在国内外尚属首创。

2 DPVS原理及其系统构成2.1 DPVS观测原理DPVS是-种新型的数字摄像能见度 自动监测仪，其设计思想是由中国科学院院士、著名大气物理学家周秀骥先生提出的。DPVS系统研制中不仅要突破硬件及通信系统设计中的多项关键技术，更重要的是突破软件算法方面的科学难题。

研制 DPVS的主要目的是取代人工观测能见度，因此该系统需完全按照人工观测规范进行设计。DPVS的主要设计原理是通过数字摄像机(CCD-CAMERA)模拟人眼，直接摄取选定目标物的图像，并将图像输入计算机。计算机再对所获取的图像信息进行分析处理，并代人能见度定义公式进行计算，从而自动获取能见度观测值。数字能见度仪原理图如图1所示，观测示意图如图2所示。

图 1 数字能见度仪系统原理Fig.1 Schematic diagram of DPVS system2.2 DPVS的系统组成DPVS从物理结构上可分为室外单元及室内单元两大部分。室外单元主要由CCD探头系统和观测目标两部分组成，用于获取视频图像。室内单元主要由主机和DPVS软件系统组成，用于对获取的图像信息进行分析计算，并获取能见度观测值。

数字能见度仪观测示意图如图2所示。DPVS以摄像机所在位置为基点，是从近至远依次设定-系列距离不等的观测目标，根据观测到最远目标距离和清晰程度，准确计算出能见度值。

k寰内单元图2 数字能见度仪观测示意图Fig.2 Schematic diagram of DPVS observation电 子 测 量 与 仪 器 学 报 第27卷CCD探头系统十分复杂，是 DPVS室外单元设计的重点。其核心部件不仅包括 CCD摄像机和镜头系统，还配有主控制单片机电路、目标光源开关邑发射电路、温度检测电路、风扇控制电路、CCD供电电源电路、与主机通信的接口电路等，如图3所示。

B目标光源图3 数字能见度仪室外单元构成Fig.3 Outdoor cell composition of DPVS观测目标包括用于白天观测的特制目标黑体和建筑物、烟囱、远山等自然目标；用于夜间观测的特制目标光源。其中目标光源系统较为复杂，主要由自行研制的目标光源、目标光源开关邑接收电路和驱动电路等组成，如图4所示。

摄像机 - 目标光源l计算机 ④ . l 目标光源2邑发射 、. 、 二//I兰塑 单元 、、，，r I图4 DPVS目标光源系统原理Fig.4 Schematic diagram oftarget source system of DPVS室内主机通过探头内的单片机，实现对探头内各核心部件工作状态的自动控制。系统的室内单元主要由主机和DPVS软件系统组成，用于对获取的图像信息进行分析计算，并获取能见度观测值。主机是内部加插图像采集卡的计算机。主机的RS232串型接13通过接13转换器，转换为 RS485接口，与室外部分建立通信联系。

2.2.1 DPVS的硬件系统组成硬件系统包括：1)数字摄像机单元，能转换为l2位数字图片的高清相机，保证了能见度测量的精度要求；2)数字云台单元，云台承载镜头动作，控制拈依据事先设定或从远程接收到的策略控制云台的巡航，移动镜头对准不同的参照物体，可以减小由于光照对对能见度计算的影响；3)恒温摄像机罩，通过自动调节摄像机罩内的温度和湿度保证高清相机工作状态稳定，提高系统鲁棒性；4)嵌入式工控板单元，控制拈负责驱动与协调前端各个拈，完成能见度值的计算。对前端各个设备进行管理，实现图像编解码，采用能见度计算方法计算能见度。传输前端各拈的各种模拟、数字信号，如当前目标图片，计算拈提取的目标特征，恒温摄像机罩的温湿度、风力风向、电池电压、云台转动等，可依据要求设定报警，保护前端系统；5)电源拈，前端的电源供给采用的是太阳能和充电电池，可减少由于使用市电而造成的安装问题∝制拈负责电池的管理工作，保障当连续出现多日的阴雨天气时，系统仍能正常工作 ；6)观测目标：采用特制的人工目标和自然目标相结合的方式。

2.2.2 DPVS的软件系统组成软件系统包括：1)前端仪器控制子系统，包括数字云台控制拈，数字摄像机控制拈，恒温摄像机罩温湿度控制拈及其他设备的控制管理。其中数字摄像机控制拈能复杂控制摄像机的各种参数，数字云台控制拈能控制云台左右上下转动，精确定位目标物；2)目标定位拈：用目标定位算法精确定位目标物，并用相应检验函数检验是否定位准确；3)图片特征提取拈：采用图像处理识别方法，提取图片的某些特征，帮助计算能见度值；4)能见度值计算拈：综合应用改进的能见度计算公式与相应图片特征，结合多方向目标测出的能见度值，综合计算出当前能见度值；5)整个软件系统，负责对前端信号进行分析处理，控制多个前端的工作状态并对能见度值进行存储与分析。

2.2.3 DPVS的通信系统组成通信系统包括：1)主机与室外单元的通信接 口：主机的RS232串型接口通过接口转换器，转换为 RS485- ～- t -t-团j<圉第7期 新型能见度自动观测系统研究步了解 DPVS与FD12的观测差异，对观测数据做了具体的统计分析。首先以DPVS、FD12及人工观测3种观测数据的平均值作为标准值，分别计算每个数据段 DPVS和FD12与标准值之间的相对误差和相对标准差。相对标准差计算公式如式(7)所示：×100% (7)式中：X为DPVS或FD12的测量值，z为DPVS、FD12及人工观测3种观测数据的平均值，N为样本个数。具体分析结果见表 1所示。

表 1 DPVS、FDI2与平均能见度值比对结果Table 1 The comparison results among DPVS，FDI2 and average visibility valueFD12能见.度 V<2 km 2 km< 5 km< 平均 V5 km < ：10 km平均注：1 DPVS为数字摄像能见度自动观测系统；2 FD12为前向散射仪；3平均能见度为DPVS、FD12及人工观测三者的平均值。

图表显示在全程范围内DPVS和FD12与标准值的相对标准差都在20%以内，均符合世界气象组织对能见度仪研制标准的要求。但比对结果显示两者之间还是存在-定观测差异。FD12观测值略低于DPVS，这主要是 FD12的发射端和接收端的镜面污染会加剧散射效应所致。而DPVS采用的是双目标双亮度差计算能见度的方法，2个目标表面的污染物会相互抵消，因此基本不会造成计算结果的降低。

5 结 论数字能见度仪作为-种新型的唯-符合能见度定义的能见度观测仪，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。它是采用先进的数字摄像技术，实现大气能见度的探测，其技术方法在国内外尚属首创。随着CCD-CAMERA技术的飞速发展，其分辨率早已达到人眼分辨率(千万像素)，成本却在直线下降。这种当今唯-符合能见度定义的能见度自动观测仪，由于其成本低、安装便捷等特点、必定会有很高的实用价值和广阔的应用前景。

同时由于它是根据人工观测方法设计，必然是取代人工观测能见度的最佳仪器。

DPVS、FD12及人工能见度观测比对结果显示，3种观测结果的变化趋势完全-致。人工观测模式，观测员存在视力差异，且具有较大主观性，因此会有-定观测误差，有时会出现大起大落的现象。DPVS和FD12由于是 自动观测模式，变化相对平缓。但由于观测原理不同，观测结果存在-定的观测差异。FD12观测值明显偏低，这是由FD12观测的固有缺陷所致。