基于GIS的玉米種植環境氣象特征信息提取系統

米春橋 張曉東 彭小寧 趙嫦花

（1.懷化學院，湖南懷化 418000；2.武陵山片區生態農業智能控制技術湖南省重點實驗室，湖南懷化 418000；3.中國農業大學，北京 100083）お

摘要

借助SuperMap平臺的GIS功能，利用.NET平臺和C#語言，設計并實現了玉米種植環境氣象特征信息提取系統，共包括原始氣象數據預處理、空間氣象信息提取、氣象特征專題圖制作和圖形化顯示4個功能模塊，不僅能實現對大量氣象數據的高效管理，更能方便地進行玉米種植環境氣象特征信息提取，并借助GIS空間分析技術進行專題制圖與相關的決策分析。該系統既可以為玉米種植戶提供精確的玉米種植環境氣象特征信息，又可為玉米種子企業各級管理者提供各種決策分析支持，對有效降低玉米生產風險具有重要的現實意義。實踐應用表明該系統具有較好的實用性。

關鍵詞 玉米種植環境；氣象信息；特征提取；GIS

中圖分類號 SB127文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06465-03

Maize Planting Environment Meteorology Feature Information Extracting System Based on GIS

MI Chun瞦iao et al

(Huaihua University, Huaihua, Hunan 418000)

Abstract A maize planting environment meteorology feature information extracting system based on SuperMaps GIS capabilities, .NET platform, and C# language was designed. The system comprises four functional modules: source data preprocessing, spatial meteorological information extracting, meteorology feature thematic map producing and graphical displaying. It can not only manage massive meteorological data effectively, but also extract valuable maize planting environment meteorology feature information and support some related decision瞞aking with GIS spatial analysis technology. It can provide accurate maize planting environment meteorological information for farmers and various decision supports for relevant managers in seed industry, which is of practical significance in reducing maize planting risk. Our application results have shown good usability of the system.

Key words Maize planting environment; Meteorological information; Feature extraction; GIS

基金項目 國家自然科學基金項目（41301084）；湖南省自然科學基金項目（13JJ6075）。

作者簡介

米春橋（1983-），男，湖南懷化人，講師，博士，從事地理信息系統與農業信息化技術研究。

收稿日期 20140506

玉米是主要的糧食作物之一，其生產狀況直接影響到全世界的糧食安全，在影響玉米生長的諸多因素中，氣象是最主要的環境因素。農業生產現代化關鍵是現代科學技術的運用，尤其是信息技術的運用，因此，研究玉米種植環境氣象特征信息提取系統具有重大的現實意義。當前關于農業氣象信息應用服務系統建設，許多學者進行了有益的探索與實踐。一方面，一些學者對農業氣象信息系統的開發、氣象信息共享平臺建設等技術進行了研究與思考［1-3］，同時，一些學者還結合具體應用區域開發了相關的省級氣象信息應用系統，如趙杰明等設計了陜西省農業氣象信息服務系統［4］，張云海等開發了遼寧省大氣環境信息管理系統［5］；另一方面，由于氣象要素具有明顯的地域性，因此一些學者還將地理信息系統與農業氣象服務進行了結合［6-8］，如劉麗等設計開發了基于GIS組件的農業氣象信息服務系統［9］。這些研究在當時條件下都具有一定的代表性與實用性，但隨著技術進步和時代的發展，有的研究顯示出明顯的時域局限性，不能滿足用戶對全國范圍內、多類別及針對特定作物的氣象特征信息服務要求。為此，筆者設計基于GIS的玉米種植環境氣象特征信息提取系統。該系統專門針對玉米種植而設計，通過對全國近57年的氣象日值數據（共包含12個指標）的統計計算與分析，基于玉米物候期進行玉米生長環境氣象特征信息的挖掘與提取，并結合GIS的空間分析與制圖功能方便、快速地生產各種實用的玉米種植氣象信息專題圖。應用表明，該系統與農業生產實踐密切結合，在玉米種植業領域具有很好的實用性。

1 系統概述

該系統采用C/S模式，開發環境為Visual Studio 2005、SQL Server 2000及SuperMap Objects 5.2，開發語言為C#。系統設計采用面向對象的思想，整體架構分為3層［10］：用戶界面層、業務邏輯層和數據訪問層。系統功能主要包括4大模塊：①原始氣象數據預處理模塊，完成對原始氣象日值數據和玉米物候期數據的校驗、入庫等預處理；②空間氣象信息提取模塊，結合空間地理位置，對經預處理的氣象日值數據進行各種統計計算、空間插值、概率分析及回歸分析等，提取出用戶指定位置處與玉米生長發育相關的氣象特征信息、空間分布規律以及未來趨勢預測等；③玉米種植環境氣象特征信息專題圖制作模塊，根據用戶的需求，對經計算或回歸分析得到的各種與玉米生長發育相關的氣象特征信息結合空間地理數據制作各種形式的專題圖；④圖形化顯示模塊，以圖形化的方式直觀地顯示各種特征信息提取結果及專題地圖顯示等。系統的簡要工作流程如圖1所示。

圖1系統工作流程

2原始氣象數據預處理

系統的輸入數據主要有3類：①全國742個基本氣象站點近57年的氣象日值數據（包括日平均溫度、日降水量等12個氣象指標）；②全國玉米生長發育物候期數據；③全國1∶400萬基礎地理空間數據及全國742個基本氣象站點地理位置空間數據。對原始氣息數據的預處理主要包括數據的篩選和檢驗兩個方面。數據篩選主要是剔除掉其中錯誤的和缺失嚴重的數據；數據檢驗包括極值范圍的檢驗（如溫度的極值范圍為-55~50 ℃）和邏輯關系的檢驗（如日最低溫度、日平均溫度、日最高溫度三者應滿足日最低溫度≤日平均溫度≤日最高溫度）等。所有原始氣息數據經過嚴格的預處理后均存儲到系統后臺數據庫中。

3玉米種植環境氣象特征信息提取

3.1 氣象特征信息提取方法

對玉米種植地區的氣象站點的氣象日值數據進行統計計算，再經GIS插值分析，從而得到玉米種植地區的氣象特征信息。該系統在提取氣象特征信息時主要基于統計分析原理，用到的方法主要有求平均值、最大值、最小值、標準差、累計值、線性回歸分析及時間序列分析等。其中，線性回歸分析主要用于對缺失值和未來值的預測，而時間序列分析主要用于氣象特征信息的潛在趨勢規律的分析。

3.2 氣象特征信息提取類別

該系統能夠提取多種類別的玉米種植環境氣象特征信息，分別適合不同場合的需求。從統計分析的層次不同可分為階段特征（單層次統計）和年際特征（多層次統計），前者指氣象指標在年內某個時間階段內的統計特征值，后者指氣象指標在年內某個時間階段內的統計特征值在多年中的統計值，它是統計值的統計值。

從應用階段的不同可將其分為日歷特征、農事特征和物候特征，其中日歷特征是按日歷時間（如2007-01-01~12-31）直接劃分統計階段，農事特征是結合玉米生產的農事安排（如溫度穩定>0 ℃的無霜期階段）來劃分統計階段，而物候特征是根據玉米生長發育實際物候期來劃分階段（比如播種到出苗）。

從應用目的的不同可以分為常規特征、災害特征和風險概率特征，其中災害特征是指對玉米生長發育構成嚴重威脅的特征（如極端高溫、大風、大雨等）。風險概率特征指某一氣象特征在指定地點和時間出現的風險概率。

從特征的復雜程度可以分為簡單特征和復雜特征，其中復雜特征指在多個條件限制下計算得到的特征。3.3 氣象特征信息提取流程

提取的流程主要分為3步：氣象指標值計算、對計算結果所得的特征信息進行提取及特征信息專題圖制作。在指標值計算時：①選擇待分析地區的氣象站點（如果待分析地區內沒有氣象站點，則選擇其最鄰近的氣象站點）；②選擇要計算的氣象指標（包括自定義指標）；③設置計算的條件，包括年際的起始年和終止年、階段的起始點（月、日）和終止點（月、日）或者玉米的起始物候期和終止物候期、指標的限制條件、階段的特征名、年際的特征名。具體操作方法及界面如圖2所示。氣象指標值計算完成后便開始特征信息提取，這一過程也叫區域化處理，其目的主要是將計算所得的氣象站點的氣象特征信息通過GIS的空間插值方法擴展到目標研究區域中去，從而得到目標區域的玉米種植環境氣象特征信息值，該過程的處理方法與流程如圖3所示。特征信息提取以后即可按用戶指定的參數生產特征信息專題圖。

圖2 氣象特征值計算界面

圖3氣象特征信息提取流程

4 系統實現及應用分析

系統提供兩類用戶模式：普通用戶和高級用戶。普通模式用于實現一鍵式自動信息提取；而高級模式則提供參數調整的交互式特征信息提取。選擇相應的用戶模式后即可進入玉米種植環境氣象特征信息提取模塊，系統實現的主界面如圖4所示。

圖4系統主界面

該系統不但可以為種植人員提供與玉米種植生產相關的各種氣象特征信息，指導其進行精確的玉米生產；同時也可以為各玉米種子企業提供相關的決策分析支持，如不同氣候特征下玉米品種銷售地區的選擇及在玉米制種基地選址中氣象因素的分析等。在實踐應用中，以全國742個基本氣象站點近57年的日值風速（氣象指標）數據為基礎數據，運用概率統計分析方法，采用該系統為北京金色農華種業科技有限公司制作了玉米拔節—抽雄期因風倒伏（折）風險概率分布專題圖，如圖5所示，為其在全國各地選址建立玉米制種基地提供了良好的決策支持。

圖5 玉米拔節—抽雄期因風倒伏（折）風險概率分布專題圖

5 結語

該系統的特點：①不僅具備氣象特征信息提取功能，同時支持空間專題圖制作，在空間計算上以縣域為最小計算單元，計算精度較高；②基于玉米物候期進行玉米生長環境氣象信息的提取，與現實生產密切結合，實用性大；③具有較好

的擴展性，稍微加以改造即可用于其他方面，如加入水稻生

長物候期的數據，即可將該系統用于水稻生長環境氣象特征

信息的提取。對于將來的擴展：①可以增加更多的氣象日值數據及氣象站點數，這樣在特征提取時空間插值計算的效果會更好；②可以將其他的環境因素如土壤等集成到該系統中，則會更有利于玉米生產方案的定制。

參考文獻

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