基于遥控飞艇的近地层气象要素廓线剖面数据获取方法技术

本项发明专利技术涉及基于遥控飞艇的近地层气象要素廓线剖面数据获取方法。它通过遥控飞艇与气象要素记录仪的集成，并结合差分ＧＰＳ空间定位技术，遥控飞艇水平航线垂直于两种土地类型斑块边界线，垂直方向上设定的多条水平航线经纬度坐标保持一致，通过飞行记录和测量数据共有时间项，将气象要素数据与空间位置数据进行链接。根据气象要素记录仪测量滞后时间，结合飞行速度数据，对气象要素测量空间位置进行订正。对气象要素垂直与水平廓线数据依次进行数学曲线拟合，通过垂向与水平位置变量等间隔取值，对气象要素垂直与水平廓线拟合曲线依次进行离散化。本发明专利技术可以准确、细致地获取近地层气象要素垂直与水平方向二维廓线剖面数据。

【技术实现步骤摘要】

本项专利技术涉及，一种遥控飞艇与气象要素记录仪相结合的近地层气象要素廓线剖面数据的获取方法。
技术介绍
地球陆地表层是由森林、草地、农田、水体、湿地、城镇等具有不同类型、大小与形 状斑块空间镶嵌而成的复杂系统，地表下垫面性质的空间差异必然作用于近地层大气系 统，因此，能否获取准确、细致的近地层气象要素垂直与水平方向二维廓线剖面数据将直接 影响区域尺度气象要素空间变化规律研究，从而关系到局部地区天气预报的准确性。 诸如空气温度、湿度、气压等气象要素在垂直方向上的连续变化现象通常称之为 气象要素垂直廓线，据此气象要素在水平方向上的连续变化现象定义为气象要素水平廓 线，在垂直与水平两个方向构成的二维平面上的气象要素连续变化现象定义为气象要素廓 线剖面，它们可统一称为气象要素廓线，通过气象仪器测量或者通过气象模型计算可以得 到上述气象要素廓线的离散数据。 气象要素测量平台与气象要素记录仪的不同组合构成了具有各自特点的气象要 素廓线数据获取方法，主要包括以下方式①气象观测塔通过不同高度记录仪测量气象要 素垂直廓线数据，但它测量的高度有限；如果要测量气象要素廓线剖面数据，就需要在不同 地点安装气象观测塔，这样观测成本很高，难以空间移动，且观测的垂直廓线数据密度也受 到限制。②系留气球升空高度可达一公里，但要在诸如水体、湿地等区域进行气象要素观 测，系留气球放飞难度很大，放飞数量也有限，且难以保证测量的多条垂直廓线在同一剖面 上。③探空气球与探空火箭主要用于探测地面到几十公里平流层高度的大尺度气象要素垂 直廓线数据，一方面这些数据难以探测近地层垂直方向气象要素的细微变化，另一方面也 无法生成廓线剖面数据。④定高气球可以观测水平方向气象要素廓线数据，但它通常位于 平流层高度，只能测量气象要素水平廓线数据，且滞空高度与水平移动方向难以控制，无法 用于近地层气象要素廓线剖面数据的精细测量。⑤通过沿着预先设计的航线飞行，搭载气 象要素记录仪的无人机可以获取某一高度气象要素水平廓线数据。由于无人机飞行速度较 快，形成的气象要素水平廓线数据较为粗糙；且无人机多在同一水平高度飞行，难以生成气 象要素垂直廓线数据。 综上所述，现有气象要素廓线数据测量通常适用于大中尺度大气运动的观测，一 般是将垂直与水平两个方向分开进行的，且存在着测量密度低、观测成本高、实施难度大等 缺点，无法满足近地层气象要素廓线剖面数据获取的需要。(参考文献l.陈洪滨、马舒庆、 汪改等，2001 ，基于微型自动驾驶飞机的航拍航摄遥感系统，遥感技术与应用，第16巻第3 期；2.丑纪范、赵柏林等编，2004，中国气象事业发展战略研究一现代气象业务巻，气象出 版社，45-55页；3.马舒庆、李峰、邢毅，2006，从毛里求斯国际探空系统对比看全球探空技 术的发展，气象科技，第34巻第5期。)
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的气象要素廓线数据获取方法中存在的问题，提供基 于遥控飞艇的近地层气象要素廓线剖面数据获取方法。该方法是一种将遥控飞艇与气象要 素记录仪相结合，包括垂直与水平两个方向的近地层气象要素廓线剖面数据的详细与准确 获取方法，用于受地表下垫面影响的近地层小尺度气象要素观测。 基于遥控飞艇的近地层气象要素廓线剖面数据获取的方法，步骤和条件如下 (1)使用遥控飞艇 所述的遥控飞艇加装差分GPS，使遥控飞艇具有小于lm的实时空间定位精度； 遥控飞艇可以在空中悬停，飞行速度控制在5-10m/s的较小范围内；遥控飞艇载荷为 10-15kg;遥控飞艇的飞行记录内容包括经度、纬度、海拔高度、速度与时间，通过无线通信 方式下传到笔记本电脑中存储与处理； (2)使用气象要素记录仪所述的气象要素记录仪为空气温湿度记录仪，其中温度测量精度为±0. 2t:，湿度测量精度为±2. 5%，测量的气象要素数据包括温度与湿度两个参数；气象要素记录仪能够按照预先设定采样速率自动测量；得到的气象要素测量数据信息存储于温湿度记录仪芯片中，通过USB接口输送到笔记本电脑中； (3)遥控飞艇飞行航线与气象要素记录仪配置 所述的遥控飞艇飞行航线包括遥控飞艇水平航线及其在垂直方向上的分布；遥控 飞艇水平航线是根据遥感影像或土地利用图而设定的距地面相对高度一致的一条直线，水 平航线的方向总体上要垂直于两种土地类型斑块的公共边界线，水平航线的始点与终点尽 量落到两种土地类型斑块的几何中心； 所述的遥控飞艇水平航线在垂直方向上的分布，是指在垂直方向上不同海拔高度 的互相平行的两条或多条遥控飞艇水平航线的集合，并且，不同海拔高度的遥控飞艇水平 航线在水平面上的投影应该重合；所述的不同海拔高度的互相平行的相邻两条遥控飞艇水 平航线之间的高度差为悬垂缆绳长度，以保证在不同海拔高度的遥控飞艇水平航线上采集 的气象要素数据能够在垂直方向上进行衔接； 所述的气象要素记录仪配置是指①把放置气象要素记录仪的悬垂缆绳的一端固 定在遥控飞艇下部支架上，所述的放置气象要素记录仪的悬垂缆绳的长度，要根据事先设 定的气象要素垂直廓线的测量高度选定；②把数个气象要素记录仪等间距分别挂在悬垂缆 绳上，以获取同样采样间隔的气象要素垂直廓线数据；在放置气象要素记录仪的悬垂缆绳 的中部与末端分别挂有沙袋，以使所述的悬垂缆绳在飞行过程中尽量保持垂直于地面； (4)气象要素廓线数据的遥控飞艇测量 ①通过USB接口，在笔记本电脑上分别对等间距挂在悬垂缆绳上的多个气象要素 记录仪进行测量参数设定，其中，多个气象要素记录仪的采样速率参数均设定为1次/秒； ②通过手工操纵将遥控飞艇升至第一条水平航线高度，然后切换到自动驾驶状 态，沿着预先设定的遥控飞艇水平航线飞行；飞行一个来回之后，按照垂直方向上相邻两条 遥控飞艇水平航线的高度差，再将遥控飞艇升至第二条遥控飞艇水平航线继续飞行；飞行 一个来回之后，再升至第三条遥控飞艇水平航线继续飞行；如此循环，遥控飞艇可以继续按 照设定的高度差在更高的遥控飞艇水平航线上飞行；5 ③在飞行过程中，通过无线通信设备，将遥控飞艇上加载的广域差分GPS获取的 经度、纬度、海拔高度、速度与时间参数传送到地面笔记本电脑中，参数记录传送的速率为1 次/秒; (5)气象要素廓线空间定位与数据处理 ①遥控飞艇降落到地面后，通过USB接口，将分别挂载于悬垂缆绳上不同部位多 个气象要素记录仪所获取的气象要素测量数据及其相应的时间数据依次输送到笔记本电 脑中； ②挂载于悬垂缆绳上不同部位的气象要素记录仪同步测量的气象要素数据构成 了遥控飞艇水平航线的气象要素垂直廓线数据；通过时间项，将气象要素记录仪测量数据 与遥控飞艇飞行记录中对应的经度、纬度与海拔高度坐标数据进行链接；将气象要素垂直 廓线测量时的经纬度坐标点的垂线到遥控飞艇水平航线的交点定义为气象要素垂直廓线 的水平位置，它的度量值等于该交点到遥控飞艇水平航线始点的距离；遥控飞艇水平航线 距地面的相对高度等于遥控飞艇水平航线与地面之间海拔高度数据的相减值，根据遥控飞 艇水平航线距地面的相对高度和每个气象要素记录仪距悬垂缆绳始端的长度，计算遥控飞 艇悬垂缆绳上每个气象要素记录仪距地面的相对高度，将其作为气象要素垂直廓线中每个 测量数据的垂向位置； ③根据生产本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于遥控飞艇的近地层气象要素廓线剖面数据获取方法，步骤和条件如下：（１）使用遥控飞艇所述的遥控飞艇加装差分ＧＰＳ，使遥控飞艇具有小于１ｍ的实时空间定位精度；遥控飞艇可以在空中悬停，飞行速度控制在５－１０ｍ／ｓ的较小范围内；遥控飞艇载荷为１０－１５ｋｇ；遥控飞艇的飞行记录内容包括经度、纬度、海拔高度、速度与时间，通过无线通信方式下传到笔记本电脑中存储与处理；（２）使用气象要素记录仪所述的气象要素记录仪为空气温湿度记录仪，其中温度测量精度为±０．２℃，湿度测量精度为±２．５％，测空间定位与数据处理①遥控飞艇降落到地面后，通过ＵＳＢ接口，将分别挂载于悬垂缆绳上不同部位多个气象要素记录仪所获取的气象要素测量数据及其相应的时间数据依次输送到笔记本电脑中；②挂载于悬垂缆绳上不同部位的气象要素记录仪同步测量的气象要素数据构成了遥控飞艇水平航线的气象要素垂直廓线数据；通过时间项，将气象要素记录仪测量数据与遥控飞艇飞行记录中对应的经度、纬度与海拔高度坐标数据进行链接；将气象要素垂直廓线测量时的经纬度坐标点的垂线到遥控飞艇水平航线的交点定义为气象要素垂直廓线的水平位置，它的度量值等于该交点到遥控飞艇水平航线始点的距离；遥控飞艇水平航线距地面的相对高度等于遥控飞艇水平航线与地面之间海拔高度数据的相减值，根据遥控飞艇水平航线距地面的相对高度和每个气象要素记录仪距悬垂缆绳始端的长度，计算遥控飞艇悬垂缆绳上每个气象要素记录仪距地面的相对高度，将其作为气象要素垂直廓线中每个测量数据的垂向位置；③根据生产厂商提供的气象要素记录仪测量滞后的平均时间；结合飞行记录中对应的即时速度参数，通过两者相乘，计算出因测量滞后所造成的气象要素记录仪移动的水平距离，然后分别对每个气象要素测量数据的水平位置进行订正，以消除气象要素实际测量与气象要素记录仪输出数据时间不一致而造成的位置误差；④遥控飞艇在在任意一条水平航线上进行飞行测量时，在任意一个时刻，所述的等间距分别挂在悬垂缆绳上的数个气象要素记录仪的水平位置近似认为相等，为把不同高度遥控飞艇水平航线上获取的气象要素垂直廓线数据进行垂直方向上的首尾衔接，需要对各水平航线上水平位置相同或相近的气象要素垂直廓线数据进行纵向排列组合，形成在垂直方向上依次相连的数条完整气象要素垂直廓线数据，由于对每个纵向排列组合的不同高度的气象要素垂直廓线数据实现水平位置的完全配准是非常困难的，因此将形成每个纵向排列组合的条件设定为各...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆礼，王毅勇，刘宝江，董航，
申请(专利权)人：中国科学院东北地理与农业生态研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]