DSS1 激光雪深儀基準(zhǔn)面對(duì)數(shù)據(jù)的影響及改進(jìn)方法探析

張?chǎng)析?，徐澤東，馬亞運(yùn)

（青海省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，青海 西寧 810001）

積雪深度是積雪表面到達(dá)地面的垂直深度，是表明降雪量和降雪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，對(duì)氣象災(zāi)害預(yù)警和氣象服務(wù)有重要意義。我國(guó)氣象部門(mén)對(duì)積雪深度長(zhǎng)期采用人工觀測(cè)，然而人工雪深觀測(cè)只有在雪深大于5mm 后，早上8 時(shí)的觀測(cè)記錄[1]，缺乏數(shù)據(jù)連續(xù)性。由于高原海拔較高，降雪強(qiáng)度大，范圍廣，是雪災(zāi)易發(fā)區(qū)，雪災(zāi)的發(fā)生嚴(yán)重影響著牧民的生產(chǎn)及生活，而降雪的發(fā)生、發(fā)展、消融過(guò)程直接影響雪災(zāi)的等級(jí)及受災(zāi)程度。因此建設(shè)雪深自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，獲取長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)連續(xù)雪深數(shù)據(jù)是開(kāi)展積雪研究的重要基礎(chǔ)。近幾年，超聲波型和激光型雪深觀測(cè)系統(tǒng)分別在西藏自治區(qū)和青海省相繼投入業(yè)務(wù)使用，但數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性都因各自設(shè)備原理和構(gòu)造，測(cè)量點(diǎn)單一等原因存在一些缺陷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在精度上存在一定的誤差，無(wú)法完全滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求。青海省氣象局采用的是DSS1 型激光雪深觀測(cè)儀，通過(guò)激光測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雪深的連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，但由于測(cè)雪點(diǎn)基準(zhǔn)面極易變化，雪深數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在較大誤差。在操作過(guò)程中，需要人工多次反復(fù)對(duì)傳感器測(cè)距標(biāo)定后，才能保證傳感器采集到的數(shù)據(jù)相對(duì)可靠。本文通過(guò)實(shí)際觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)DSS1 雪深觀測(cè)系統(tǒng)基準(zhǔn)面變化對(duì)數(shù)據(jù)的影響和改進(jìn)方法進(jìn)行分析和探究，找出一種合適的處理方法，為今后雪深傳感器的建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用中，減少、減小因雪深基準(zhǔn)面的變化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，提高雪深傳感器觀測(cè)精度，減輕傳感器的維護(hù)工作，保證雪深自動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行提供參考和借鑒意義。

1 激光雪深傳感器測(cè)距原理

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)，計(jì)算此相位延遲所代表的距離[2]，其測(cè)量的雪深范圍為0～200cm。

積雪深度H 是激光雪深傳感器探頭到基準(zhǔn)面之間的垂直距離H1與探頭到雪面之間的垂直距離H2之差，在傾斜安裝時(shí)雪深傳感器測(cè)距單元不能直接測(cè)得垂直距離H1和H2，所以需要預(yù)先標(biāo)定求得測(cè)量光路與立柱之間的垂直傾角α[3]。激光雪深觀測(cè)儀通過(guò)相位法分別測(cè)量傳感器到基準(zhǔn)面的距離L1和傳感器到標(biāo)準(zhǔn)塊的距離L2，通過(guò)已知高度為A的標(biāo)準(zhǔn)塊，根據(jù)式（1）即可獲取垂直傾角α 的三角函數(shù)關(guān)系（如圖1 所示）。

圖1 激光測(cè)距原理

標(biāo)定完成后移走標(biāo)準(zhǔn)塊，此時(shí)垂直傾角a 已知且固定不變，激光雪深觀測(cè)儀通過(guò)相位法再次分別測(cè)量傳感器到基準(zhǔn)面的距離L1和傳感器到雪面的距離L，根據(jù)式（2）即可獲得雪深H。

在本次實(shí)驗(yàn)中以基準(zhǔn)面為參考時(shí)，可得光程誤差ΔL 和雪深誤差ΔH，即：

式中：

α-測(cè)量光路與立柱之間的垂直傾角，單位rad；

H-積雪深度，單位mm；

L1-傳感器到基準(zhǔn)面的距離，單位mm；

L-傳感器到被測(cè)面之間的距離，單位mm；

ΔL-光程誤差，單位mm；

ΔH-雪深誤差，單位mm。

2 誤差分析和方法研究

2.1 誤差分析

在自然狀態(tài)下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察分析發(fā)現(xiàn)，因設(shè)備自身變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差有兩種，一是立柱傾斜，測(cè)量點(diǎn)漂移導(dǎo)致測(cè)量光路路徑發(fā)生變化，出現(xiàn)雪深誤差。二是基準(zhǔn)面發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)雪深誤差。

2.1.1 立柱傾斜產(chǎn)生的雪深誤差

由于立柱傾斜，造成測(cè)量點(diǎn)漂移，根據(jù)圖2 所示，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)P 接近立柱點(diǎn)B，傳感器到被測(cè)面之間的距離變小，由式（3）和(4)可知測(cè)量光路路徑誤差ΔL＞0，雪深誤差ΔH＞0，此誤差在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值或偏大。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)P 遠(yuǎn)離立柱點(diǎn)B，傳感器到被測(cè)面之間的距離變大，由式（3）和（4）可知測(cè)量光路路徑誤差ΔL＜0，雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)偏小甚至為負(fù)值。

圖2 立柱傾斜導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)漂移

2.1.2 基準(zhǔn)面變化產(chǎn)生的雪深誤差

雪深測(cè)量基準(zhǔn)面采用的是規(guī)格為60cm×60cm的格柵型測(cè)雪板，安裝后與基準(zhǔn)面保持水平，測(cè)雪區(qū)域與周?chē)h(huán)境接近，可以保證測(cè)雪區(qū)域與周?chē)h(huán)境融雪速度相對(duì)一致。中間由圓形的聚四氟乙烯材料作為測(cè)雪點(diǎn)，具有很好的穿透性能，可以有效抵消激光在穿透雪層后被基準(zhǔn)面反射導(dǎo)致光路在雪層中復(fù)雜的反射和折射導(dǎo)致的誤差[3-4]，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，滿足標(biāo)定時(shí)的基準(zhǔn)面和初雪的準(zhǔn)確測(cè)量。然而測(cè)雪板容易受下墊面影響，土質(zhì)疏松，翻動(dòng)等原因容易使測(cè)雪板抬升或下降，導(dǎo)致基準(zhǔn)面發(fā)生變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差?；鶞?zhǔn)面上升會(huì)使測(cè)量光路L 變短，導(dǎo)致雪深誤差ΔH＞0。此誤差在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值或者偏大?；鶞?zhǔn)面下降會(huì)使測(cè)量光路L 變長(zhǎng)，導(dǎo)致雪深誤差ΔH＜0，此誤差在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致雪深數(shù)據(jù)偏小甚至是負(fù)值。

2.2 方法研究

本次研究分別采用兩種方法進(jìn)行改造實(shí)驗(yàn)。一是對(duì)基準(zhǔn)面測(cè)雪板自然下墊面人工改造成混凝土，將混凝土置于測(cè)雪板下層，減小由于混凝土與自然地面比熱容不同對(duì)雪層融化的影響。二是在自然下墊面上增大測(cè)雪板的面積，使用市面可購(gòu)置的規(guī)格為80cm×80cm 的玻璃鋼格柵型測(cè)雪板代替原測(cè)雪板。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別對(duì)自然下墊面，混凝土下墊面，增大測(cè)雪板三種觀測(cè)狀態(tài)，在同一觀測(cè)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。每種狀態(tài)觀測(cè)周期為60d，提取每日出現(xiàn)的最大雪深誤差，其中前30d 取標(biāo)定前數(shù)據(jù)，后30d 取標(biāo)定后數(shù)據(jù)，分析誤差變化趨勢(shì)，得出合理結(jié)論。

2.2.1 未進(jìn)行標(biāo)定前觀測(cè)30d 數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3（a）可知：

圖3 標(biāo)定前、后30d 內(nèi)自然下墊面、混凝土下墊面、增大測(cè)雪板誤差對(duì)比

（1）自然下墊面在第2 天即出現(xiàn)雪深誤差，誤差大小多次反復(fù)變化，并隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸變大，30d 內(nèi)最大誤差達(dá)8mm。

（2）增大測(cè)雪板產(chǎn)生的雪深誤差在第5 天出現(xiàn)，對(duì)比自然觀測(cè)相對(duì)較小且穩(wěn)定，但仍然隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，在誤差較大時(shí)有反復(fù)變化情況，30d 內(nèi)最大誤差達(dá)6mm。

（3）混凝土下墊面雪深誤差在第11 天出現(xiàn)，隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)誤差逐漸變大，但變化相對(duì)穩(wěn)定且較小，30d 內(nèi)最大誤差為3mm。

2.2.2 進(jìn)行標(biāo)定后觀測(cè)30d 數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3（b）可知：

（1）自然下墊面產(chǎn)生的日最大雪深誤差在第4天開(kāi)始出現(xiàn)，隨時(shí)間逐漸變大且反復(fù)變化，30d 內(nèi)產(chǎn)生的最大雪深誤差為6mm，基準(zhǔn)面受自然下墊面變化的影響較大。

（2）增大測(cè)雪板面積產(chǎn)生的日最大雪深誤差相對(duì)自然下墊面較小，前期相對(duì)穩(wěn)定，第11 天出現(xiàn)較大降水過(guò)程，測(cè)雪板受到較大影響，隨后基準(zhǔn)面的變化逐漸變大，導(dǎo)致雪深誤差開(kāi)始變大且不穩(wěn)定，30 日內(nèi)產(chǎn)生的最大日雪深誤差達(dá)4mm。

（3）混凝土下墊面在標(biāo)定后雪深誤差長(zhǎng)期保持為0mm，變化相對(duì)穩(wěn)定，日最大雪深誤差在第15 天開(kāi)始出現(xiàn)，30d 內(nèi)產(chǎn)生的最大日雪深誤差為2mm。

3 主要結(jié)論

（1）激光雪深傳感器由于測(cè)量精度高，對(duì)設(shè)備安裝要求較高，立柱基礎(chǔ)和基準(zhǔn)面都需要穩(wěn)固。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，如果不及時(shí)進(jìn)行人工標(biāo)定，長(zhǎng)期使用必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

（2）增大測(cè)雪板面積由于受環(huán)境影響較大依然會(huì)產(chǎn)生較大誤差，沒(méi)有明顯的穩(wěn)固效果，且玻璃鋼格柵型測(cè)雪板不易獲取和制作，在安裝和建設(shè)中較困難，不建議使用。

（3）混凝土下墊面具有較好的穩(wěn)定性，受天氣和地形等影響較小，并且位于測(cè)雪板下層，對(duì)雪層融化影響相對(duì)較小，在安裝時(shí)容易獲取和制作等優(yōu)點(diǎn)，可在今后DSS1 型激光雪深觀測(cè)儀的安裝和長(zhǎng)期觀測(cè)中參考此法。