数字摄像能见度仪系统性能分析

阮顺贤，聂凯

（1.北京城市气象研究院；2.北京市气象探测中心，北京 100089）

能见度是三大基本气象观测要素之一，是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。

能见度观测方法分为人工观测和器测两种。人工目测方法符合能见度定义，但客观性较差，存在一定的误差，很难满足高速公路多个监测点全天候的观测需求。器测目前主要有以下几类：散射式能见度仪、透射式能见度仪。散射式能见度仪采样空间较小，测量的是某个角度的大气散射系数，而非大气消光系数；透射式能见度仪测量是大气消光系数，观测原理符合能见度定义，但受光源温控、光衰补偿、光学窗口反射补偿等因素的影响，且造价成本高、架设难度大，难以大规模推广，常用来作为其他能见度仪设备的比对仪器。基于能见度观测现状，研制一种能够取代人工观测、成本低廉、架设方便的能见度自动化观测仪十分必要。20 世纪末，在我国开展了数字摄像式能见度系统（Digital Photography Visiometer System，简称DPVS）的研制工作，DPVS 仿照人眼观测能见度的原理，严格遵循能见度的定义，因此，是取代人工观测能见度的最佳仪器。随着数字摄像技术的高速发展，CCD 摄像机的性能显著提升，同时，价格大大降低，填补了真正意义探测能见度原理仪器的空白。

1 DPVS 原理及其系统构成

DPVS 的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，由北京城市气象研究院王京丽研究员团队首先研发的。其通过数字摄像机摄取选定目标物的图像，送入计算机进行分析处理后，自动获取能见度值。它是完全仿照人工目测能见度的原理，根据能见度的定义研制的。

DPVS 系统整个设计为室外单元和室内单元两大部分。室外单元负责获取视频图像，室内单元负责分析计算及结果输出。室外单元主要由CCD 摄像机系统和观测目标两部分组成，室内单元主要由包含计算能见度软件系统和能见度值输出系统的计算机系统组成。DPVS 结构示意图如图1 所示，软件流程图如图2 所示。

图1 数字摄像能见度系统结构示意图

图2 DPVS 软件流程图

3 比对观测试验

为了了解DPVS 观测性能，研发团队于2017 年3 月1 日到2018 年2 月28 日在北京南郊观象台对数字摄像能见度仪、前散能见度仪、透射能见度仪进行了为期1 年的对比试验，同期开展了四个季度各1 个月的人工观测比对试验。

选取特殊天气数据，对各能见度仪观测数据进行对比分析。在雪天条件下，3 个仪器观测的数据趋于一致，如图3所示。

在雨天条件下，3 个仪器观测的数据略有一些差异，前散能见度仪观测值偏高，观测值与相对湿度观测值呈明显的的负相关性，如图4 所示。

图3 2017 年10 月28 日三种仪器观测值与相对湿度对比图

图4 2017 年3 月24 日三种仪器观测值与相对湿度对比图

在不同能见度等级下，对各能见度仪观测数据进行对比分析。

在中能见度条件下，3 个仪器观测的数据略有一些差异，前散能见度仪观测值偏高，如图5 所示。

图5 2017 年4 月16 日三种仪器观测值与相对湿度对比图

在高能见度条件下，3 个仪器观测的数据趋于一致，如图6 所示。

图6 2017 年3 月1 日三种仪器观测值与相对湿度对比图

在低能见度天气条件下，3 个仪器观测的数据趋于一致，如2017 年12 月30 日图7 所示。

图7 2017 年12 月30 日三种仪器观测值与相对湿度对比图

4 结语

对比观测研究显示，前向散射仪在特殊天气条件下(比如下雨等天气下)，存在一定误差，需要对观测结果进行修正。数字摄像能见度仪和透射能见度仪在特殊天气条件下，观测结果相对稳定，且观测结果基本一致。由于数字摄像能见度仪是最符合能见度定义的一种能见度仪观测仪器，且比透射能见度仪价格成本低，安装难度小。相信随着数字摄像技术的不断发展，数字摄像仪各分系统性能的不断提升，数字摄像式能见度仪将有很广泛的应用前景和市场需求。