專利名稱：：基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本項發(fā)明涉及基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法，一種遙控飛艇與氣象要素記錄儀相結(jié)合的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)的獲取方法。
背景技術(shù)：
：地球陸地表層是由森林、草地、農(nóng)田、水體、濕地、城鎮(zhèn)等具有不同類型、大小與形狀斑塊空間鑲嵌而成的復(fù)雜系統(tǒng)，地表下墊面性質(zhì)的空間差異必然作用于近地層大氣系統(tǒng)，因此，能否獲取準(zhǔn)確、細(xì)致的近地層氣象要素垂直與水平方向二維廓線剖面數(shù)據(jù)將直接影響區(qū)域尺度氣象要素空間變化規(guī)律研究，從而關(guān)系到局部地區(qū)天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。諸如空氣溫度、濕度、氣壓等氣象要素在垂直方向上的連續(xù)變化現(xiàn)象通常稱之為氣象要素垂直廓線，據(jù)此氣象要素在水平方向上的連續(xù)變化現(xiàn)象定義為氣象要素水平廓線，在垂直與水平兩個方向構(gòu)成的二維平面上的氣象要素連續(xù)變化現(xiàn)象定義為氣象要素廓線剖面，它們可統(tǒng)一稱為氣象要素廓線，通過氣象儀器測量或者通過氣象模型計算可以得到上述氣象要素廓線的離散數(shù)據(jù)。氣象要素測量平臺與氣象要素記錄儀的不同組合構(gòu)成了具有各自特點的氣象要素廓線數(shù)據(jù)獲取方法，主要包括以下方式①氣象觀測塔通過不同高度記錄儀測量氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)，但它測量的高度有限；如果要測量氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)，就需要在不同地點安裝氣象觀測塔，這樣觀測成本很高，難以空間移動，且觀測的垂直廓線數(shù)據(jù)密度也受到限制。②系留氣球升空高度可達(dá)一公里，但要在諸如水體、濕地等區(qū)域進(jìn)行氣象要素觀測，系留氣球放飛難度很大，放飛數(shù)量也有限，且難以保證測量的多條垂直廓線在同一剖面上。③探空氣球與探空火箭主要用于探測地面到幾十公里平流層高度的大尺度氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)，一方面這些數(shù)據(jù)難以探測近地層垂直方向氣象要素的細(xì)微變化，另一方面也無法生成廓線剖面數(shù)據(jù)。④定高氣球可以觀測水平方向氣象要素廓線數(shù)據(jù)，但它通常位于平流層高度，只能測量氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)，且滯空高度與水平移動方向難以控制，無法用于近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)的精細(xì)測量。⑤通過沿著預(yù)先設(shè)計的航線飛行，搭載氣象要素記錄儀的無人機(jī)可以獲取某一高度氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)。由于無人機(jī)飛行速度較快，形成的氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)較為粗糙；且無人機(jī)多在同一水平高度飛行，難以生成氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)。綜上所述，現(xiàn)有氣象要素廓線數(shù)據(jù)測量通常適用于大中尺度大氣運動的觀測，一般是將垂直與水平兩個方向分開進(jìn)行的，且存在著測量密度低、觀測成本高、實施難度大等缺點，無法滿足近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取的需要。(參考文獻(xiàn)l.陳洪濱、馬舒慶、汪改等，2001，基于微型自動駕駛飛機(jī)的航拍航攝遙感系統(tǒng)，遙感技術(shù)與應(yīng)用，第16巻第3期；2.丑紀(jì)范、趙柏林等編，2004，中國氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究一現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)巻，氣象出版社，45-55頁；3.馬舒慶、李峰、邢毅，2006，從毛里求斯國際探空系統(tǒng)對比看全球探空技術(shù)的發(fā)展，氣象科技，第34巻第5期。)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的氣象要素廓線數(shù)據(jù)獲取方法中存在的問題，提供基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法。該方法是一種將遙控飛艇與氣象要素記錄儀相結(jié)合，包括垂直與水平兩個方向的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)的詳細(xì)與準(zhǔn)確獲取方法，用于受地表下墊面影響的近地層小尺度氣象要素觀測。基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取的方法，步驟和條件如下(1)使用遙控飛艇所述的遙控飛艇加裝差分GPS，使遙控飛艇具有小于lm的實時空間定位精度；遙控飛艇可以在空中懸停，飛行速度控制在5-10m/s的較小范圍內(nèi)；遙控飛艇載荷為10-15kg;遙控飛艇的飛行記錄內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間，通過無線通信方式下傳到筆記本電腦中存儲與處理；[OOW](2)使用氣象要素記錄儀所述的氣象要素記錄儀為空氣溫濕度記錄儀，其中溫度測量精度為±0.2t:，濕度測量精度為±2.5%，測量的氣象要素數(shù)據(jù)包括溫度與濕度兩個參數(shù)；氣象要素記錄儀能夠按照預(yù)先設(shè)定采樣速率自動測量；得到的氣象要素測量數(shù)據(jù)信息存儲于溫濕度記錄儀芯片中，通過USB接口輸送到筆記本電腦中；(3)遙控飛艇飛行航線與氣象要素記錄儀配置所述的遙控飛艇飛行航線包括遙控飛艇水平航線及其在垂直方向上的分布；遙控飛艇水平航線是根據(jù)遙感影像或土地利用圖而設(shè)定的距地面相對高度一致的一條直線，水平航線的方向總體上要垂直于兩種土地類型斑塊的公共邊界線，水平航線的始點與終點盡量落到兩種土地類型斑塊的幾何中心；所述的遙控飛艇水平航線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兩條或多條遙控飛艇水平航線的集合，并且，不同海拔高度的遙控飛艇水平航線在水平面上的投影應(yīng)該重合；所述的不同海拔高度的互相平行的相鄰兩條遙控飛艇水平航線之間的高度差為懸垂纜繩長度，以保證在不同海拔高度的遙控飛艇水平航線上采集的氣象要素數(shù)據(jù)能夠在垂直方向上進(jìn)行銜接；所述的氣象要素記錄儀配置是指①把放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的一端固定在遙控飛艇下部支架上，所述的放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的長度，要根據(jù)事先設(shè)定的氣象要素垂直廓線的測量高度選定；②把數(shù)個氣象要素記錄儀等間距分別掛在懸垂纜繩上，以獲取同樣采樣間隔的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)；在放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的中部與末端分別掛有沙袋，以使所述的懸垂纜繩在飛行過程中盡量保持垂直于地面；(4)氣象要素廓線數(shù)據(jù)的遙控飛艇測量①通過USB接口，在筆記本電腦上分別對等間距掛在懸垂纜繩上的多個氣象要素記錄儀進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)定，其中，多個氣象要素記錄儀的采樣速率參數(shù)均設(shè)定為1次/秒；②通過手工操縱將遙控飛艇升至第一條水平航線高度，然后切換到自動駕駛狀態(tài)，沿著預(yù)先設(shè)定的遙控飛艇水平航線飛行；飛行一個來回之后，按照垂直方向上相鄰兩條遙控飛艇水平航線的高度差，再將遙控飛艇升至第二條遙控飛艇水平航線繼續(xù)飛行；飛行一個來回之后，再升至第三條遙控飛艇水平航線繼續(xù)飛行；如此循環(huán)，遙控飛艇可以繼續(xù)按照設(shè)定的高度差在更高的遙控飛艇水平航線上飛行；5③在飛行過程中，通過無線通信設(shè)備，將遙控飛艇上加載的廣域差分GPS獲取的經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間參數(shù)傳送到地面筆記本電腦中，參數(shù)記錄傳送的速率為1次/秒;(5)氣象要素廓線空間定位與數(shù)據(jù)處理①遙控飛艇降落到地面后，通過USB接口，將分別掛載于懸垂纜繩上不同部位多個氣象要素記錄儀所獲取的氣象要素測量數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的時間數(shù)據(jù)依次輸送到筆記本電腦中；②掛載于懸垂纜繩上不同部位的氣象要素記錄儀同步測量的氣象要素數(shù)據(jù)構(gòu)成了遙控飛艇水平航線的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)；通過時間項，將氣象要素記錄儀測量數(shù)據(jù)與遙控飛艇飛行記錄中對應(yīng)的經(jīng)度、緯度與海拔高度坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接；將氣象要素垂直廓線測量時的經(jīng)緯度坐標(biāo)點的垂線到遙控飛艇水平航線的交點定義為氣象要素垂直廓線的水平位置，它的度量值等于該交點到遙控飛艇水平航線始點的距離；遙控飛艇水平航線距地面的相對高度等于遙控飛艇水平航線與地面之間海拔高度數(shù)據(jù)的相減值，根據(jù)遙控飛艇水平航線距地面的相對高度和每個氣象要素記錄儀距懸垂纜繩始端的長度，計算遙控飛艇懸垂纜繩上每個氣象要素記錄儀距地面的相對高度，將其作為氣象要素垂直廓線中每個測量數(shù)據(jù)的垂向位置；③根據(jù)生產(chǎn)廠商提供的氣象要素記錄儀測量滯后的平均時間；結(jié)合飛行記錄中對應(yīng)的即時速度參數(shù)，通過兩者相乘，計算出因測量滯后所造成的氣象要素記錄儀移動的水平距離，然后分別對每個氣象要素測量數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行訂正，以消除氣象要素實際測量與氣象要素記錄儀輸出數(shù)據(jù)時間不一致而造成的位置誤差；④遙控飛艇在在任意一條水平航線上進(jìn)行飛行測量時，在任意一個時刻，所述的等間距分別掛在懸垂纜繩上的數(shù)個氣象要素記錄儀的水平位置近似認(rèn)為相等，為把不同高度遙控飛艇水平航線上獲取的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直方向上的首尾銜接，需要對各水平航線上水平位置相同或相近的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向排列組合，形成在垂直方向上依次相連的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)，由于對每個縱向排列組合的不同高度的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)實現(xiàn)水平位置的完全配準(zhǔn)是非常困難的，因此將形成每個縱向排列組合的條件設(shè)定為各個高度氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置與其中指定的一條氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置的距離等于大于零小于等于5m，并把各個高度氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行平均，作為縱向排列組合的完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置；選擇yv=a。+aih+a2h2+a3h3數(shù)學(xué)函數(shù)對數(shù)條完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，其中yv為垂直廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，h為氣象要素垂直廓線上任意一點距地面的相對高度，即垂向位置變量，a。、ai、a2、a3為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定一距離增量，從地面到最上層遙控飛艇水平航線的高度，對垂向位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線擬合函數(shù)，獲取數(shù)條在垂直方向上間隔相等的完整氣象要素垂直廓線離散化數(shù)據(jù)；⑤按照完整氣象要素垂直廓線的水平位置，將獲取的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線離散化數(shù)據(jù)沿著遙控飛艇水平航線進(jìn)行橫向排列，每個等間隔垂向位置高度的數(shù)條氣象要素垂直廓線的離散化數(shù)據(jù)構(gòu)成的水平數(shù)列即為氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)；選擇％=b。+bJ+b2"數(shù)學(xué)函數(shù)對多條氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，其中Xh為水平廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，1為氣象要素水平廓線上任意一點到遙控飛艇水平航線始點的水平距離，即水平位置變量，b。、^、b2為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定一距離增量，從遙控飛艇水平航線始點到終點的整條航線上，對水平位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的多條氣象要素水平廓線擬合函數(shù)，獲取多條在水平方向上間隔相等的氣象要素水平廓線離散化數(shù)據(jù)，從而得到近地層氣象要素廓線剖面的表格數(shù)據(jù)。有益效果基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法，可以得到包括垂直與水平兩個方向近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)，以利于研究地表下墊面空間差異性對近地層氣象要素空間變化的影響規(guī)律。可以獲取垂直與水平兩個方向上具有較高空間采樣頻率的近地層氣象要素數(shù)據(jù)，有助于提升全面細(xì)致地刻畫近地層氣象要素空間變化規(guī)律的能力?？梢暂^為方便地對近地層氣象要素二維廓線剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，并且觀測成本不高，可形成對近地層氣象要素空間變化觀測的一套有效方法。具體實施例方式實施例1基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法，步驟和條件如下(1)使用遙控飛艇所述的遙控飛艇載荷為15kg，升限為lkm;遙控飛艇加裝差分GPS，使遙控飛艇具有小于lm的實時空間定位精度；遙控飛艇可以在空中懸停，飛行速度控制在5-10m/s:遙控飛艇的飛行記錄內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間，通過無線通信方式下傳到筆記本電腦中存儲與處理。(2)使用氣象要素記錄儀所述的氣象要素記錄儀為H0B0Prov2系列的U23-002型溫濕度記錄儀，其中，溫度測量范圍:-40-70。C，測量精度:±0.2"C，測量分辨率:0.02°C;濕度測量范圍0-100%，測量精度±2.5%;測量分辨率0.03%;溫濕度記錄儀能按照預(yù)先設(shè)定采樣速率自動測量；得到的溫度與濕度測量數(shù)據(jù)信息存儲于記錄儀芯片中，通過USB接口輸送到筆記本電腦中。(3)遙控飛艇飛行航線與氣象要素記錄儀配置①所述的遙控飛艇水平航線產(chǎn)生步驟如下以SP0T5的2.5m分辨率遙感影像數(shù)據(jù)為背景，在GIS環(huán)境下勾畫相鄰的旱地與濕地兩塊圖斑，面積分別為100ki^左右；垂直于旱地斑塊和濕地斑塊的公共邊界線，確定一條直線為遙控飛艇的水平航線，直線兩個端點分別大致位于旱地和濕地圖斑中心，距離公共邊界線各為5km。所述的遙控飛艇水平航線在垂直方向上的配置方案為本實施例確定遙控飛艇的水平航線為3條，距地面高度分別為100m、200m和300m;不同海拔高度的水平航線的經(jīng)緯度坐標(biāo)保持一致，水平航線之間的海拔高度差為懸垂纜繩的長度，以保證不同海拔高度水平航線采集的氣象要素數(shù)據(jù)能夠在垂直方向上進(jìn)行銜接。②所述的氣象要素記錄儀的配置方案如下掛載于遙控飛艇下部支架上的懸垂纜繩的長度為100m，懸垂纜繩的始端固定在遙控飛艇下部支架上；在該懸垂纜繩上，由上至下每隔20m掛載一個U23-002型溫濕度記錄儀，一共掛載5個；同時，在懸垂纜繩末端和中7間部位各固定重量為1kg的沙袋，以使懸垂纜繩在飛行過程中盡量保持垂直于地面。(4)氣溫廓線數(shù)據(jù)的遙控飛艇測量①通過USB接口，在筆記本電腦上分別對在懸垂纜繩上等間距掛載的5個U23-002型溫濕度記錄儀進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)定，溫濕度記錄儀的采樣速率設(shè)定為1次/秒。②通過手工操縱將遙控飛艇升至高度為100m的第一條水平航線，然后切換到自動駕駛狀態(tài)，沿著預(yù)先設(shè)定的航線飛行；飛行一個來回之后，遙控飛艇再升至高度為200m的第二條水平航線繼續(xù)飛行；飛行一個來回之后，再升至高度為300m的第三條水平航線繼續(xù)飛行。③在飛行過程中，通過無線通信設(shè)備，將遙控飛艇上加載的廣域差分GPS所獲取的經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間參數(shù)傳送到地面筆記本電腦中，參數(shù)記錄傳送的速率為l次/秒。(5)氣溫廓線的空間定位與數(shù)據(jù)處理①遙控飛艇降落到地面后，通過USB接口，將5個U23-002型溫濕度記錄儀中的測量數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的獲取時間數(shù)據(jù)依次傳送到筆記本電腦中。②掛載于懸垂纜繩上不同部位的5個U23-002型溫濕度記錄儀同步測量的溫度與濕度數(shù)據(jù)構(gòu)成了遙控飛艇水平航線的空氣溫度與濕度垂直廓線數(shù)據(jù)；通過時間項，將U23-002型溫濕度記錄儀測量數(shù)據(jù)與遙控飛艇飛行記錄中對應(yīng)的經(jīng)度、緯度與海拔高度坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接；將空氣溫度與濕度垂直廓線數(shù)據(jù)測量時的經(jīng)緯度坐標(biāo)點的垂線到遙控飛艇水平航線的交點定義為空氣溫度與濕度垂直廓線的水平位置，它的度量值等于該交點到遙控飛艇水平航線始點的距離；遙控飛艇水平航線距地面的相對高度等于遙控飛艇水平航線與地面之間海拔高度數(shù)據(jù)的相減值；根據(jù)遙控飛艇水平航線距地面的相對高度和每個U23-002型溫濕度記錄儀距懸垂纜繩始端的長度，計算遙控飛艇懸垂纜繩上每個U23-002型溫濕度記錄儀距地面的相對高度，將其作為空氣溫度與濕度垂直廓線中每個測量數(shù)據(jù)的垂向位置；③生產(chǎn)廠商提供的U23-002型溫濕度記錄儀測量的滯后時間平均為2秒，結(jié)合飛行記錄中對應(yīng)的速度參數(shù)，通過兩者相乘，計算出因測量滯后所造成的U23-002型溫濕度記錄儀移動的水平距離，然后分別對每個空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行訂正，以消除空氣溫度與濕度實際測量與U23-002型溫濕度記錄儀數(shù)據(jù)輸出時間不一致而造成的位置誤差。④遙控飛艇在任意一條水平航線上進(jìn)行飛行測量時，在任意一個時刻，所述的20m等間距分別掛在懸垂纜繩上的5個U23-002型溫濕度記錄儀的水平位置近似認(rèn)為相等。為把100m、200m與300m高度遙控飛艇水平航線上獲取的三條空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直方向上的首尾銜接，需要對三個高度水平航線上水平位置相同或相近的三條空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向排列組合，形成從地面到300m高度的垂直方向上依次相連的數(shù)條完整空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)。由于對每個縱向排列組合的三個不同高度的三條空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)水平位置的完全配準(zhǔn)是非常困難的，因此將形成每個縱向排列組合的條件設(shè)定為200m和300m高度的空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)的水平位置分別與100m高度的空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)的水平位置的距離要小于一個固定數(shù)值，即5m，并把三個不同高度的空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行平均，作為縱向排列組合的完整空氣溫度與濕度垂直廓線測量數(shù)據(jù)的水平位置；選擇yv=3。+&111+32112+33113數(shù)學(xué)函數(shù)對完整空氣溫度與濕度垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，其中yv為垂直廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，h為空氣溫度與濕度垂直廓線上任意一點距地面的相對高度，即垂向位置變量，a。、ai、a2、a3為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定距離增量為25m，從地面0m到最上層遙控飛艇水平航線的300m高度，對垂向位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的數(shù)條完整空氣溫度與濕度垂直廓線擬合函數(shù)，獲取數(shù)條在垂直方向上間隔相等的完整空氣溫度與濕度垂直廓線離散化數(shù)據(jù)；⑤按照完整空氣溫度與濕度垂直廓線的水平位置，將獲取的數(shù)條完整空氣溫度與濕度垂直廓線離散化數(shù)據(jù)沿著遙控飛艇水平航線進(jìn)行橫向排列，每個25m間隔垂向位置高度的數(shù)條空氣溫度與濕度垂直廓線的離散化數(shù)據(jù)構(gòu)成的水平數(shù)列即為空氣溫度與濕度水平廓線數(shù)據(jù)；選擇xh=b。+bj+bj2數(shù)學(xué)函數(shù)對多條空氣溫度與濕度水平廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中Xh為水平廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，1為空氣溫度與濕度水平廓線上任意一點到遙控飛艇水平航線始點的水平距離，即水平位置變量，b。、bpb2為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定距離增量為lkm，從遙控飛艇水平航線始點Okm到終點10km的整條航線上，對水平位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的多條空氣溫度與濕度水平廓線擬合函數(shù)，獲取多條在水平方向上間隔相等的空氣溫度與濕度水平廓線離散化數(shù)據(jù)，從而得到近地層空氣溫度與濕度廓線剖面的表格數(shù)據(jù)。分別見表1和表2。表1Okm1km2km3km4km5km6km7km8km9km10km300m30.4230.3930.3730.3430.3130.2930.2630.2330.2130.1830.15275m30.4730.4530.4230.3930.3630.3330.3030.2730.2430.2130.18250m30.5630.5230.4930.4630.4230.3930.3630.3230.2930.2630.22225m30.6730.6330.5930.5530.5130.4830.4430.4030.3630.3230.28200m30.8230.7730.7330.6830.6430.5930.5530.5030.4630.4130.36175m31.0130.9630.9030.8530.8030.7430.6930.6330.5830.5330.47150m31.2531.1831.1231.0630.9930.9330.8630.8030.7430.6730.61125m31.5431.4631.3931.3131.2331.1631.0831.0130.9330.8630.78100m31.8831.7931.7031.6131.5331.4431.3531.2631.1731.0830.9975m32.2832.1832.0831.9731.8731.7731.6631.5631.4531.3531.2550m32.7532.6332.5132.3932.2732.1532.0331.9131.7931.6731.559<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表1為實施例1獲取的近地層空氣溫度維廓線剖面表格數(shù)據(jù)。橫向表頭中的Okm為在旱地斑塊中心處設(shè)定的水平航線始點位置，10km為在濕地斑塊中心處設(shè)定的水平航線終點位置，橫向表頭中的各項表示完整空氣溫度垂直廓線離散化數(shù)據(jù)所在的水平位置；縱向表頭中的0m為空氣溫度垂直廓線的地面始點，300m為空氣溫度垂直廓線向上的截止終點，縱向表頭中的各項表示空氣溫度水平廓線離散化數(shù)據(jù)所在的垂向位置；表中各項數(shù)據(jù)為近地層空氣溫度廓線剖面的離散化數(shù)據(jù)。表2為實施例獲取的近地層空氣濕度二維廓線剖面表格數(shù)據(jù)。橫向表頭中的Okm為在旱地斑塊中心處設(shè)定的水平航線始點位置，10km為在濕地，^:心處設(shè)定的水平航線終點位置，橫向化數(shù)據(jù)所在的水平位置；」廿乂衣不兀正工=;止=1=夷6==氣濕度垂直廓線附,始點，，為空氣濕度垂直廓線向^^sssssss,麵鵬麵位^權(quán)利要求基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法，步驟和條件如下(1)使用遙控飛艇所述的遙控飛艇加裝差分GPS，使遙控飛艇具有小于1m的實時空間定位精度；遙控飛艇可以在空中懸停，飛行速度控制在5-10m/s的較小范圍內(nèi)；遙控飛艇載荷為10-15kg；遙控飛艇的飛行記錄內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間，通過無線通信方式下傳到筆記本電腦中存儲與處理；(2)使用氣象要素記錄儀所述的氣象要素記錄儀為空氣溫濕度記錄儀，其中溫度測量精度為±0.2℃，濕度測量精度為±2.5％，測量的氣象要素數(shù)據(jù)包括溫度與濕度兩個參數(shù)；氣象要素記錄儀能夠按照預(yù)先設(shè)定采樣速率自動測量；得到的氣象要素測量數(shù)據(jù)信息存儲于溫濕度記錄儀芯片中，通過USB接口輸送到筆記本電腦中；(3)遙控飛艇飛行航線與氣象要素記錄儀配置所述的遙控飛艇飛行航線包括遙控飛艇水平航線及其在垂直方向上的分布；遙控飛艇水平航線是根據(jù)遙感影像或土地利用圖而設(shè)定的距地面相對高度一致的一條直線，水平航線的方向總體上要垂直于兩種土地類型斑塊的公共邊界線，水平航線的始點與終點盡量落到兩種土地類型斑塊的幾何中心；所述的遙控飛艇水平航線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兩條或多條遙控飛艇水平航線的集合，并且，不同海拔高度的遙控飛艇水平航線在水平面上的投影應(yīng)該重合；所述的不同海拔高度的互相平行的相鄰兩條遙控飛艇水平航線之間的高度差為懸垂纜繩長度，以保證在不同海拔高度的遙控飛艇水平航線上采集的氣象要素數(shù)據(jù)能夠在垂直方向上進(jìn)行銜接；所述的氣象要素記錄儀配置是指①把放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的一端固定在遙控飛艇下部支架上，所述的放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的長度，要根據(jù)事先設(shè)定的氣象要素垂直廓線的測量高度選定；②把數(shù)個氣象要素記錄儀等間距分別掛在懸垂纜繩上，以獲取同樣采樣間隔的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)；在放置氣象要素記錄儀的懸垂纜繩的中部與末端分別掛有沙袋，以使所述的懸垂纜繩在飛行過程中盡量保持垂直于地面；(4)氣象要素廓線數(shù)據(jù)的遙控飛艇測量①通過USB接口，在筆記本電腦上分別對等間距掛在懸垂纜繩上的多個氣象要素記錄儀進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)定，其中，多個氣象要素記錄儀的采樣速率參數(shù)均設(shè)定為1次/秒；②通過手工操縱將遙控飛艇升至第一條水平航線高度，然后切換到自動駕駛狀態(tài)，沿著預(yù)先設(shè)定的遙控飛艇水平航線飛行；飛行一個來回之后，按照垂直方向上相鄰兩條遙控飛艇水平航線的高度差，再將遙控飛艇升至第二條遙控飛艇水平航線繼續(xù)飛行；飛行一個來回之后，再升至第三條遙控飛艇水平航線繼續(xù)飛行；如此循環(huán)，遙控飛艇可以繼續(xù)按照設(shè)定的高度差在更高的遙控飛艇水平航線上飛行；③在飛行過程中，通過無線通信設(shè)備，將遙控飛艇上加載的廣域差分GPS獲取的經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度與時間參數(shù)傳送到地面筆記本電腦中，參數(shù)記錄傳送的速率為1次/秒；(5)氣象要素廓線空間定位與數(shù)據(jù)處理①遙控飛艇降落到地面后，通過USB接口，將分別掛載于懸垂纜繩上不同部位多個氣象要素記錄儀所獲取的氣象要素測量數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的時間數(shù)據(jù)依次輸送到筆記本電腦中；②掛載于懸垂纜繩上不同部位的氣象要素記錄儀同步測量的氣象要素數(shù)據(jù)構(gòu)成了遙控飛艇水平航線的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)；通過時間項，將氣象要素記錄儀測量數(shù)據(jù)與遙控飛艇飛行記錄中對應(yīng)的經(jīng)度、緯度與海拔高度坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接；將氣象要素垂直廓線測量時的經(jīng)緯度坐標(biāo)點的垂線到遙控飛艇水平航線的交點定義為氣象要素垂直廓線的水平位置，它的度量值等于該交點到遙控飛艇水平航線始點的距離；遙控飛艇水平航線距地面的相對高度等于遙控飛艇水平航線與地面之間海拔高度數(shù)據(jù)的相減值，根據(jù)遙控飛艇水平航線距地面的相對高度和每個氣象要素記錄儀距懸垂纜繩始端的長度，計算遙控飛艇懸垂纜繩上每個氣象要素記錄儀距地面的相對高度，將其作為氣象要素垂直廓線中每個測量數(shù)據(jù)的垂向位置；③根據(jù)生產(chǎn)廠商提供的氣象要素記錄儀測量滯后的平均時間；結(jié)合飛行記錄中對應(yīng)的即時速度參數(shù)，通過兩者相乘，計算出因測量滯后所造成的氣象要素記錄儀移動的水平距離，然后分別對每個氣象要素測量數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行訂正，以消除氣象要素實際測量與氣象要素記錄儀輸出數(shù)據(jù)時間不一致而造成的位置誤差；④遙控飛艇在在任意一條水平航線上進(jìn)行飛行測量時，在任意一個時刻，所述的等間距分別掛在懸垂纜繩上的數(shù)個氣象要素記錄儀的水平位置近似認(rèn)為相等，為把不同高度遙控飛艇水平航線上獲取的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直方向上的首尾銜接，需要對各水平航線上水平位置相同或相近的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向排列組合，形成在垂直方向上依次相連的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)，由于對每個縱向排列組合的不同高度的氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)實現(xiàn)水平位置的完全配準(zhǔn)是非常困難的，因此將形成每個縱向排列組合的條件設(shè)定為各個高度氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置與其中指定的一條氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置的距離等于大于零小于等于5m，并把各個高度氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置進(jìn)行平均，作為縱向排列組合的完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)的水平位置；選擇yv＝a0+a1h+a2h2+a3h3數(shù)學(xué)函數(shù)對數(shù)條完整氣象要素垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，其中yv為垂直廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，h為氣象要素垂直廓線上任意一點距地面的相對高度，即垂向位置變量，a0、a1、a2、a3為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定一距離增量，從地面到最上層遙控飛艇水平航線的高度，對垂向位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線擬合函數(shù)，獲取數(shù)條在垂直方向上間隔相等的完整氣象要素垂直廓線離散化數(shù)據(jù)；⑤按照完整氣象要素垂直廓線的水平位置，將獲取的數(shù)條完整氣象要素垂直廓線離散化數(shù)據(jù)沿著遙控飛艇水平航線進(jìn)行橫向排列，每個等間隔垂向位置高度的數(shù)條氣象要素垂直廓線的離散化數(shù)據(jù)構(gòu)成的水平數(shù)列即為氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)；選擇xh＝b0+b1l+b2l2數(shù)學(xué)函數(shù)對多條氣象要素水平廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，其中xh為水平廓線上的氣象要素變量，即空氣溫度或濕度，l為氣象要素水平廓線上任意一點到遙控飛艇水平航線始點的水平距離，即水平位置變量，b0、b1、b2為擬合函數(shù)系數(shù)；設(shè)定一距離增量，從遙控飛艇水平航線始點到終點的整條航線上，對水平位置變量進(jìn)行等間隔取值，分別代入前面建立的多條氣象要素水平廓線擬合函數(shù)，獲取多條在水平方向上間隔相等的氣象要素水平廓線離散化數(shù)據(jù)，從而得到近地層氣象要素廓線剖面的表格數(shù)據(jù)。全文摘要本項發(fā)明涉及基于遙控飛艇的近地層氣象要素廓線剖面數(shù)據(jù)獲取方法。它通過遙控飛艇與氣象要素記錄儀的集成，并結(jié)合差分GPS空間定位技術(shù)，遙控飛艇水平航線垂直于兩種土地類型斑塊邊界線，垂直方向上設(shè)定的多條水平航線經(jīng)緯度坐標(biāo)保持一致，通過飛行記錄和測量數(shù)據(jù)共有時間項，將氣象要素數(shù)據(jù)與空間位置數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接。根據(jù)氣象要素記錄儀測量滯后時間，結(jié)合飛行速度數(shù)據(jù)，對氣象要素測量空間位置進(jìn)行訂正。對氣象要素垂直與水平廓線數(shù)據(jù)依次進(jìn)行數(shù)學(xué)曲線擬合，通過垂向與水平位置變量等間隔取值，對氣象要素垂直與水平廓線擬合曲線依次進(jìn)行離散化。本發(fā)明可以準(zhǔn)確、細(xì)致地獲取近地層氣象要素垂直與水平方向二維廓線剖面數(shù)據(jù)。文檔編號G01W1/10GK101702037SQ20091021785公開日2010年5月5日申請日期2009年11月13日優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日發(fā)明者劉兆禮,劉寶江,王毅勇,董航申請人:中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所