激光自动雪深仪基准面改进方案探析

陈爱莲 丁妙增 赵杭锋

(浙江省大气探测技术保障中心，浙江 杭州 310017)

激光自动雪深仪基准面改进方案探析

陈爱莲 丁妙增 赵杭锋

(浙江省大气探测技术保障中心，浙江 杭州 310017)

2016年1月21—24日的寒潮降雪过后，全省部分站点的雪深数据出现了8～15 mm的异常值。经过现场勘查，发现以网格状基准测雪板方式测雪存在一些缺陷：一是下垫面原有结构受到了一定程度的破坏，土质松动；二是基准测雪板随着下垫面抬高而一起上升，初始基准高度发生变化。经研究和现场试验，胶木棒式基准面更接近自然下垫面，雪深分布均匀，降雪过后也没发生因低温短时冻土等原因导致的雪深数据异常现象。

雪深；基准面；改进

0 引 言

以往，我国气象部门对积雪深度以人工观测为主，存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续反映积雪的变化过程[1]。自动雪深仪采用激光或超声波测距原理，结合了电气工程、信号处理、软件等方面的技术[2-4]，能自动观测积雪深度变化，提高观测质量和观测效率。

近年来，激光式自动雪深设备因具有测量范围大、测量精度更高且不受环境温度变化的影响等优点[5-6]在浙江省得到广泛应用。截止2016年1月，浙江省已安装了73套LTW-01激光自动测雪设备(站点分布详见图1)，在2016年1月21—24日的寒潮降雪过程中，雪深观测数据及时传送至网络中心，为本次降雪过程高质量的气象服务提供了观测资料。

但由于自动雪深观测处于起步阶段，设备设施难免存在一些缺陷，影响雪深观测精度。本文针对测雪基准面高度发生位移，导致虽无积雪但有雪深数据的异常现象进行了深入调查分析，并试图找出解决对策。

1 基准面在自动雪深测量中的重要作用

1.1 激光自动雪深测量方法

激光自动雪深仪，基于测距原理设计。LTW-01型自动雪深仪采用SHM30雪深传感器，该传感器采用激光对雪的识别与测量技术，传感器发射经调制的激光信号，并过滤短周期回波，消除雪花等带来的误差后，通过比较目标相位信息测量距离，得出雪的深度。

图1 全省站点分布

1.2 雪深计算公式

设备安装以后，首先测定激光头到基准面的距离(X0)，然后在基准面上放置固定高度(c)的标准模块，测定激光头到标准模块的距离(X1)，计算出激光束垂直夹角(α)，详见图2所示。X0值和计算得到的α值作为该套设备的测量常数，输入雪深计算公式。

图2 测量常数测定示意图

(1)

(1)式中：α为激光束垂直夹角，X0为基准面距离，X1为标准模块距离，C为标准模块的高度。举例：X0=4.38 m,X1=3.8 m,c=0.5 m，计算得出：α=30.5°

h=H0-Hn=X0cosα-Xncosα

(2)

(2)式中：h为雪深值，H0为基准面高度，Hn为实测(雪面)高度，Xn为实测(雪面)距离。

1.3 基准面的作用

根据上述公式得知，雪深值由实测(雪面)高度(Hn)和基准高度(H0)来确定。无积雪时，实测(雪面)高度(Hn)=基准高度(H0)，雪深值(h)=0。如果基准面高度发生变化，当无积雪时，会造成实测(雪面)高度Hn不等于基准高度H0，雪深值(h)不为0，导致雪深观测值不准确。因此，基准面的稳定对雪深测量具有非常重要的作用，直接关系到雪深观测数据的可靠性和准确性。

2 存在的问题及改进办法

2.1 寒潮过后出现异常数据

1月21日寒潮过程后，全省大部分激光自动雪深站点，仍然有8～15mm不等的雪深数据，通过查看雪深设备自带的摄像头实时传回的现场图片，此时已无积雪。国家业务站布设的激光雪深设备也存在同样的问题，无积雪情况下测得了雪深数据。

2.2 现场勘查

根据对安吉的大竹和天荒坪这2个出现异常值站点的现场勘察，发现低温寒潮产生了一定程度的冻土，土壤形成冻土后体积膨胀将测雪板顶起抬高；冻土解冻后，测雪板下的地面土层形成了一定程度的空包结构，类似“冻豆腐”的情况，测雪板为轻质材料所制，无法凭自身重量压实土壤恢复原状。用脚轻轻一踩，测雪板回到原始高度。

2.3 原因分析

1)安装设备时，为放置测雪板需要平整出一块裸地面，原有的盖草被除去，土壤表层结构受到了破坏，土质也比原始状态要松动，寒潮来临时候，更容易形成冻土。

2)网格状测雪板厚度仅40 mm，安装在土层表面，整块测雪板处于低温寒潮产生的冻土上，寒潮来临时自然就随着下垫面抬高而上升。

2.4 解决对策

根据现场勘查和原因分析，要解决这个问题，必须做到这两点：一是尽可能少破坏土层结构；二是基准面装置不能浮于表面，必须扎入土中。

首先应该取消无实际作用的基准测雪板网格架子。原有基准板为400 mm×400 mm,厚度40 mm的网格状架子，破坏的土层面积也较大。雪深传感器打出的是单束激光，到达地面只有一个点，实际需要的基准面不需要占用很大的面积，只需要一个直径60 mm左右的小基准平面，保证激光点不打到界外即可。

其次，选择适合的基准面材料。经过调研，胶木棒作为基准面材料比较合适。一是胶木棒性能稳定，不易腐败变形；二是胶木与土壤的热容量比较接近，胶木和土壤的温度升降幅度较为一致，可以避免因基准面温度与周边土壤温度差异较大而影响积雪测量。

第三，确定基准面改进方案。查询了浙江省浅层地温观测资料，大部分年份没有出现负值，最近出现负值的年份是2011年和2016年。2011年只有2个站点出现负值，持续时间不到一天，然后就是2016年全省10个站点出现负值，最长持续时间为3天，出现负值的最大深度为地下100 mm，150 mm及以下深度地温没有观测到负值，意味着浙江省可能出现冻土的最大深度在100～150 mm，考虑到部分设备会安装在山区海拔较高的区域，温度相对较低，本研究将出现冻土的最大深度范围扩展为100～200 mm。既要确保基准面不受冻土影响，又能兼顾施工难度和成本。最后确定选用直径为60 mm的胶木棒，长度定为350 mm，一头磨平作为基准面，另一头削尖为锥状打入地下。胶木棒基准面直径较小，打入土中，基本不破坏原有的土层结构及土表环境，能最大程度地保护下垫面原始状态；扎入土壤较深，超过极端最深冻土层150 mm以上，表面冻土不会对胶木棒产生大的影响。

3 现场实验

改进方案确定后，选择安吉大竹和天荒坪站作为实验站点，对基准面根据改进方案进行改造。

天荒坪站在2月14、15日经历了一次降雪，安吉大竹站没有降雪。现场实验结果表明：

1)胶木棒式的基准面没有发生被抬升现象，显示出了较高的稳定性。根据天荒坪站传回的数据，降雪前雪深数据是0 mm，融雪后雪深数据又恢复到了0 mm，说明基准面没有发生被空鼓的下垫面抬升现象，解决了冻土后易产生雪深数据异常的问题，基本验证了胶木棒式基准面改进方案的可行性。图3为天荒坪站降雪前、降雪中及融雪后的雪深数据曲线，图4为现场传回的图片资料，印证了确有这次降雪过程。

图3 天荒坪站降雪过程及前后数据曲线

图4 天荒坪2月14、15日弱降雪过程前、中、后的现场实景图片

2)胶木棒式基准面更接近原始下垫面，提高了雪深观测的准确性。通过比较天荒坪站前后2次降雪过程现场图片(图5)，可以看出胶木棒式基准面更接近原始下垫面，提高了雪深观测的准确性。右侧为采用网格状基准面的实景图，由于下垫面性状被改变，雪深覆盖面很不均匀，基准面上积雪明显少于周边。而胶木棒式基准面雪深覆盖分布均匀，更接近自然形态，基本上看不出人为痕迹。

图5 不同基准面上的积雪形态比较

4 结 语

自动雪深观测仪功能需求书(试验版)对雪深基准面的要求是硬裸地面。而根据浙江省的使用情况来看，胶木棒式基准面对原始下垫面破坏较少，又符合硬裸地面的要求，解决了网格状基准面所带来的雪深数值异常问题，并通过安吉天荒坪站的现场实验验证。因此，采用胶木棒式基准面不失为一种可行的改进方案。

[1] 自动雪深观测仪功能需求书(试验版),中国气象局综合观测司,2010-9.

[2] 中国气象局监测网络司.WMO-NO.8气象仪器和观测方法指南[G].6版.北京:中国气象局，2006.

[3] 梁延伟,梁海河,王柏林.超声波传感器雪深测量与人工观测对比试验分析[J],气象科技,2012,40(02):198-202.

[4] 常瑜静,常瑜青.雪深传感器的安装及维护[J].科技专论,2014(14)：443.

[5] 虞敏.积雪深度激光测量仪的研究设计[D].南京信息工程大学，2012.

[6] 李洪,任立.铁路雪深监测系统设计与实现[J].中国铁路,2014(03):67-69.

2016-05-20