在對比分析中探究天氣視頻智能儀的可行性及日常維護(hù)

任春穎，顧黎燕，李海鋒

（保定市氣象局 河北 保定 071000）

0 引言

近年來，惡劣天氣的頻發(fā)使得天氣監(jiān)測部門要注意的問題有很多，如何在保證安全的情況下，進(jìn)行天氣監(jiān)測產(chǎn)品的升級換代和擴(kuò)建，成了各個(gè)監(jiān)測部門需要關(guān)注的問題。天氣視頻智能儀就是在這樣的背景下被應(yīng)用的，與傳統(tǒng)人工監(jiān)測相比，它有著非常多的優(yōu)勢，再加上隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，研究力度不斷增加，智能儀復(fù)雜程度較之以往呈幾何倍數(shù)增加，性能也變得多樣[1]。

綜合氣象觀測系統(tǒng)是國家重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施，是氣象和地球相關(guān)學(xué)科業(yè)務(wù)與科研的重要基礎(chǔ)。隨著全國地面氣象觀測自動化改革業(yè)務(wù)運(yùn)行有序開展，總云量、云高、露、霜、結(jié)冰、雨凇、霧凇、電線積冰、積雪等天氣現(xiàn)象采用自動綜合判識開展觀測。2020 年9 月27 日河北省保定市氣象局觀測站完成天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀安裝掛接。通過觀察天氣視頻智能儀觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀對露、霜、結(jié)冰、霧凇、積雪等天氣現(xiàn)象存在辨識不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)不完整等情況。在天氣現(xiàn)象自動觀測過程中，觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性是十分重要的，通過對比觀測，研究天氣現(xiàn)象智能觀測儀實(shí)時(shí)天氣現(xiàn)象識別準(zhǔn)確率、數(shù)據(jù)完整性、可靠性和可維護(hù)性等，對推動氣象業(yè)務(wù)自動化、高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[2]。

深入探究天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀，通過對2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的12 個(gè)月中天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀和人工觀測記錄資料為基準(zhǔn)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對露、霜、結(jié)冰、霧凇、積雪等天氣現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析，研究天氣現(xiàn)象智能觀測儀觀測數(shù)據(jù)的可用性、完整性，儀器設(shè)備可靠性指標(biāo)、可維護(hù)性指標(biāo)。

1 天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀的組成結(jié)構(gòu)及日常維護(hù)

1.1 設(shè)備組成

天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀由視頻采集器、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元、供電單元和附件等組成，其硬件結(jié)構(gòu)見圖1，外觀見圖2。

1.2 視頻采集器

視頻采集器由多個(gè)攝像機(jī)組成，根據(jù)觀測對象特點(diǎn)和需要，一般由1 個(gè)魚眼鏡頭高清攝像機(jī)和2 ～5 個(gè)定焦或變焦鏡頭高清攝像機(jī)組成?，F(xiàn)用組合方式為分離式視頻采集器組，由1 個(gè)獨(dú)立魚眼鏡頭高清攝像機(jī)、1 個(gè)定焦鏡頭高清攝像機(jī)和1 個(gè)變焦鏡頭高清攝像機(jī)組成[3]。

1.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元由控制處理器和存儲單元組成，控制處理器是由CPU、GPU、內(nèi)存等組成的嵌入式AI 計(jì)算機(jī)，控制處理器內(nèi)置了嵌入式識別軟件和控制管理軟件，用于天氣現(xiàn)象（或氣象要素）的自動觀測識別和設(shè)備控制管理，負(fù)責(zé)處理采集的視頻和圖片等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和記錄存儲。

1.4 通信單元

通信單元是主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送、接收以及通信方式轉(zhuǎn)換等功能的部件，采用RS-232/RS-485 通信或光纖通信。識別結(jié)果通過信號線采用RS-485/RS-232 方式與綜合集成硬件控制器連接，原始視頻和圖片數(shù)據(jù)采用光纖通信傳輸?shù)绞覂?nèi)通信終端，再通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)上傳至省級或國家級。

1.5 供電單元

供電單元主要由交直流轉(zhuǎn)換器、浪涌保護(hù)器、空氣開關(guān)等部件組成，將220 V 交流電壓或輔助電源（太陽能、風(fēng)能等）轉(zhuǎn)換為直流電壓，為天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀供電，組成結(jié)構(gòu)見圖3。

1.6 安裝規(guī)范要求

（1）電纜和雪尺須完全可見。（2）電纜頂部與圖像頂部留出一段距離，電纜在鏡頭內(nèi)要保持水平。（3）電纜底部與雪尺頂部留出一段距離，防止結(jié)冰遮擋雪尺刻度。（4）電纜要面對鏡頭，不要被架子的支柱遮擋。（5）雪尺必須垂直于地面。驗(yàn)收時(shí)要求傾斜角度小于3°。（6）雪尺零刻度與圖像底部留出一小段距離。（7）雪尺（0 ～100 cm）須占圖片高度的70%以上。（8）避免雜草遮擋雪尺刻度（尤其須注意雜草遮住0 刻度）。（9）處理雜草時(shí)必須要露出地面，露出地面面積盡可能大。（10）雪尺紅色中軸線要求居中（中軸線左右兩邊刻度寬度大致相同）。（11）圖片背景中不要出現(xiàn)藍(lán)色和紅色物體。（12）電纜下方不要出現(xiàn)（水平方向）較長的白色物體。（13）圖像必須清晰，不能出現(xiàn)對焦模糊的情況。（14）霜、露的目標(biāo)物是地面植物，鏡頭應(yīng)盡量對準(zhǔn)草較多的位置，優(yōu)先選擇葉子較寬的草。（15）拉近圖像（提升焦距），使結(jié)冰皿占據(jù)圖像左半部分大部分面積、圖像右半部分有較多的植物。（16）圖像中結(jié)冰皿和地面植物需要保證清晰，不能出現(xiàn)對焦模糊的情況。（17）鏡頭調(diào)好后，對鏡頭中的草灑水，確保在圖像中能明顯看出草上的水珠[4]。

1.7 觀測要素

天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀可自動識別云量、云狀、地面凝結(jié)現(xiàn)象（霜、露、雨凇、霧?。?、結(jié)冰、積雪和雪深等天氣現(xiàn)象（或氣象要素），后期可擴(kuò)展至低云量、云高、電線積冰、視程障礙現(xiàn)象（輕霧、霧、霾、浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴）。

1.8 數(shù)據(jù)傳輸

1.8.1 通信方式

采用有線通信方式。識別結(jié)果通過信號線采用RS-485/RS-232 方式與綜合集成硬件控制器連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷桨凑諗?shù)據(jù)字典中觀測要素?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息的規(guī)定進(jìn)行；視頻和圖片數(shù)據(jù)采用光纖通信方式不經(jīng)過業(yè)務(wù)終端微機(jī)直接接入業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)通信設(shè)備。

1.8.2 傳輸頻率

ISOS 軟件每分鐘通過數(shù)據(jù)讀取命令（READDATA）獲取識別結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸頻率為1 次/min。

視頻和圖片文件的傳輸頻率為1 次/h，上傳每個(gè)小時(shí)整點(diǎn)的視頻和圖片數(shù)據(jù)。

2 設(shè)備維護(hù)

臺站按下述要求開展天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀的日常巡視、維護(hù)工作。

（1）發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或異常應(yīng)及時(shí)處理，對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或維修。

（2）每周檢查攝像機(jī)鏡頭的遮擋和污染情況，若有遮擋或污染應(yīng)及時(shí)清理，清理應(yīng)在日出前或日落后進(jìn)行。清潔攝像機(jī)鏡頭時(shí)，護(hù)罩式鏡頭可用柔軟不起毛的棉布或脫脂棉沾無水乙醇直接擦試鏡頭玻璃，魚眼鏡頭可先用清水沖洗表面浮塵與沙粒，再用柔軟不起毛的棉布或脫脂棉沾無水乙醇擦試鏡頭，注意不要?jiǎng)潅ＡП砻妫绻翱诩訜峁δ芰己?，其表面將很快變干，勿用其他物品清潔?？筛鶕?jù)設(shè)備附近環(huán)境的情況，延長或縮短維護(hù)的時(shí)間間隔（遇沙塵、降雪等影響觀測時(shí)，應(yīng)及時(shí)清潔）。

（3）每月定期檢查攝像機(jī)的水平、方位和傾角，檢查立柱是否穩(wěn)固，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正，避免振動等對攝像機(jī)產(chǎn)生的不良影響。

（4）每月檢查地面集中觀測區(qū)自然下墊面及露、霜目標(biāo)物草地狀況，保持平整良好。

（5）每月檢查供電設(shè)施，保證供電安全。

（6）每年春季對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測接地電阻。

（7）結(jié)冰容器應(yīng)盡可能使用代表當(dāng)?shù)刈匀凰w（江、河、湖）的水，器內(nèi)水量不足時(shí)需及時(shí)添加；專用量雪尺應(yīng)保持豎直，刻度零線與地面集中觀測區(qū)自然下墊面齊平。

（8）結(jié)冰容器、專用雪深尺、電線積冰架上的觀測導(dǎo)線等非結(jié)冰期時(shí)應(yīng)收回室內(nèi)妥善保管，結(jié)冰期開始前按照要求及時(shí)布設(shè)安裝。

（9）定期更換設(shè)備易損件，尤其是在自然條件較為惡劣的地區(qū)；如果損壞或腐蝕應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理、更換。

（10）定期檢查、維護(hù)、維修、校準(zhǔn)等對自動觀測數(shù)據(jù)有影響的情況應(yīng)記入備注欄。

3 天氣視頻智能儀觀測與人工觀測對比

3.1 人工與儀器觀測對比

人是天氣監(jiān)測的執(zhí)行者和管理者，監(jiān)測過程中，人的因素最為重要，想要高質(zhì)量地完成工作，監(jiān)管人員的素質(zhì)和責(zé)任感，監(jiān)測人員的技術(shù)能力和專業(yè)知識的儲備，以上二者缺一不可，再加上一絲不茍的工作作風(fēng)，嚴(yán)格執(zhí)行操作流程等等，全方位多角度地進(jìn)行施工，這樣最后的監(jiān)測質(zhì)量才會提高。但是這樣的操作對于人精力的考驗(yàn)無疑是巨大的，而視頻智能儀便不會出現(xiàn)因?yàn)榫Σ蛔阌绊懙奖O(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性的問題，儀器只需要運(yùn)行特定程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析就可以了，非常方便快捷。有時(shí)候夜間溫度低可能會出現(xiàn)霜，但是早上隨著溫度的上升，等到觀測員進(jìn)行人工觀測時(shí)霜可能已經(jīng)化為露珠，這樣就造成了天氣現(xiàn)象漏測。天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀數(shù)據(jù)處理單元由控制處理器和存儲單元組成，控制處理器是由CPU、GPU、內(nèi)存等組成的嵌入式AI 計(jì)算機(jī)，控制處理器內(nèi)置了嵌入式識別軟件和控制管理軟件，對圖片進(jìn)行自動檢查，質(zhì)量合格的圖片通過數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)嵌的智能識別算法運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺或深度學(xué)習(xí)技術(shù)，模擬人眼對圖片中的天氣現(xiàn)象（或氣象要素）場景進(jìn)行感知、識別和理解，實(shí)現(xiàn)天氣現(xiàn)象（或氣象要素）的自動觀測識別，并輸出識別結(jié)果。

3.2 觀測數(shù)據(jù)對比分析

在天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀業(yè)務(wù)測試期，設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)推送至ISOS 軟件端后，由ISOS 軟件將天氣現(xiàn)象識別結(jié)果按現(xiàn)用小時(shí)BUFR 文件格式直接轉(zhuǎn)換成并行BUFR 格式數(shù)據(jù)文件上傳（其中非視頻智能觀測儀識別數(shù)據(jù)均置為缺測），暫不入ISOS 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀通過視頻采集器自動采集視頻和圖片，圖片的采樣頻率為1 次/min；視頻的采樣頻率為6 次/h，每次為10 s 短視頻（每0 min、10 min、20 min、30 min、40 min 和50 min 向前推10 s）。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理單元對圖片進(jìn)行自動檢查，質(zhì)量合格的圖片通過數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)嵌的智能識別算法運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺或深度學(xué)習(xí)技術(shù)，模擬人眼對圖片中的天氣現(xiàn)象（或氣象要素）場景進(jìn)行感知、識別和理解，實(shí)現(xiàn)天氣現(xiàn)象（或氣象要素）的自動觀測識別，并輸出識別結(jié)果。

3.2.3 觀測數(shù)據(jù)概況

觀測數(shù)據(jù)時(shí)間段：2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日；觀測數(shù)據(jù)時(shí)刻：涵蓋北京時(shí)間5：00、7：00、9：00、11：00，共4 個(gè)時(shí)次。

數(shù)據(jù)量：共采集記錄1403 次，采集視頻智能觀測儀數(shù)據(jù)1378 次；涉及天氣現(xiàn)象：露、霜、霧凇、結(jié)冰、積雪。

3.2.4 觀測分析對比

通過對2021 年1 月1 日至2021 年12 月31 日中，5：00、7：00、9：00、11：00，每日4 個(gè)時(shí)次，共1460 次的氣象觀測資料為基準(zhǔn)利用統(tǒng)計(jì)分析法、比較法對露 、霜、結(jié)冰、霧凇、積雪等天氣現(xiàn)象人工觀測記錄和天氣現(xiàn)象智能觀測儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比對，探究天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀觀測數(shù)據(jù)的可用性、完整性。人工觀測記錄次數(shù)見表1。

表1 天氣現(xiàn)象人工觀測記錄次數(shù)

由于全年未出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象，所以霧凇現(xiàn)象有待進(jìn)一步觀察研究。

（1）排除由于外界干擾因素造成的數(shù)據(jù)缺測時(shí)間，對天氣現(xiàn)象觀測儀輸出的數(shù)據(jù)完整性做漏測率評估，見表2。

表2 天氣現(xiàn)象視頻智能儀未能識別的漏測率 單位：%

漏測率=天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀未記錄次數(shù)/全年識別次數(shù)×100%。

（2）由于下墊面為草，到冬天枯草表面狀態(tài)不好識別，尤其是晴天時(shí)枯草表面在陽光照射下發(fā)亮，天氣視頻智能儀經(jīng)常誤判為霜的存在（經(jīng)常中午和下午霜早已消失卻還誤判顯示霜）。經(jīng)過檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)際未下雪，雪尺等參照物也正常，但出現(xiàn)雪深數(shù)據(jù)。天氣現(xiàn)象視頻智能儀識別的錯(cuò)誤率、準(zhǔn)確率見表3。

表3 天氣現(xiàn)象視頻智能儀識別的錯(cuò)誤率、準(zhǔn)確率 單位：%

錯(cuò)誤率=天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀錯(cuò)誤識別次數(shù)/全年識別次數(shù)×100%。

通過統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出天氣現(xiàn)象視頻智能儀全年平均漏測率0.62%，錯(cuò)誤率3.43%，準(zhǔn)確率96.60%。

天氣現(xiàn)象智能觀測儀觀測數(shù)據(jù)完整性較好、儀器運(yùn)行較穩(wěn)定，可靠性較高。

4 結(jié)語

綜上所述，天氣現(xiàn)象自動化觀測是業(yè)務(wù)發(fā)展的必然趨勢和迫切要求，天氣現(xiàn)象智能觀測儀采用了當(dāng)前各領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，在設(shè)計(jì)理念和采用技術(shù)上都是一個(gè)跨越，對人工觀測有了質(zhì)的改變，進(jìn)一步減輕了基層業(yè)務(wù)人員工作量。在一年多的運(yùn)行和使用過程中發(fā)現(xiàn)還存在一些問題，建議天氣視頻智能儀設(shè)備廠家持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)算法和智能判別，AI 識別部分還需調(diào)整，提高儀器觀測準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，降低誤報(bào)或漏報(bào)的現(xiàn)象。從儀器設(shè)備日常維護(hù)方面建議進(jìn)一步優(yōu)化儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)，魚眼攝像機(jī)支架較高不便于日常清潔和維護(hù)[5]。

市縣業(yè)務(wù)人員要經(jīng)常對設(shè)備軟硬件運(yùn)行、設(shè)備目標(biāo)物布設(shè)、設(shè)備防水（注意魚眼及短焦設(shè)備及線纜防水）保護(hù)等情況進(jìn)行全面檢查，對攝像機(jī)角度、焦距設(shè)置、目標(biāo)物（電線積冰架、小型蒸發(fā)皿、專用雪深標(biāo)尺）安裝等進(jìn)行確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整維護(hù)；嚴(yán)格按照《地面氣象自動觀測規(guī)范（第一版）》和《天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀建設(shè)技術(shù)方案》要求，加強(qiáng)對攝像鏡頭以及配套設(shè)備的定期維護(hù)，以提高儀器辨識度。