山西省農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

李海濤　武永利　相棟　趙永強　劉文平

摘 要：為了實現(xiàn)山西省區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的合理開發(fā)和利用，利用山西省109個縣市1961—2010共50年的氣候資料和DEM高程數(shù)據(jù)，以及搜集到的農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃指標(biāo)、農(nóng)作物種植適宜性氣候區(qū)劃指標(biāo)，基于GIS技術(shù)和小網(wǎng)格推算模型完成高分辨率的農(nóng)業(yè)氣候、優(yōu)勢和特色農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟林果的氣候區(qū)劃，建立了適合山西省的精細化的農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃服務(wù)系統(tǒng)。基于該系統(tǒng)，完成了對山西省氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃和作物氣候區(qū)劃的研究，生成了不同種類作物的區(qū)劃圖。該結(jié)果可以為山西省相關(guān)部門進行決策提供參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃；作物區(qū)劃；服務(wù)系統(tǒng)；B/S架構(gòu)

中圖分類號：S162.3 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.026

在20世紀(jì)70年代末80年代初，山西省曾進行過全省范圍的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作，為山西省農(nóng)業(yè)的合理布局和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的穩(wěn)步增加作出了一定的貢獻。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的變化，原有農(nóng)業(yè)區(qū)劃產(chǎn)品已不適應(yīng)新時代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需求，客觀上需要更科學(xué)、更精細的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃產(chǎn)品。近年來，許多學(xué)者也開展了針對山西省的氣候區(qū)劃研究——謝愛紅、王士猛等（2004）在對山西省62個氣象臺站資料插值的基礎(chǔ)上，利用SPSS進行了山西省氣候區(qū)劃；韓錦濤和李素清（2006）基于山西省109個縣的多年統(tǒng)計資料的平均值，應(yīng)用聚類分析對區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源的綜合開發(fā)進行了區(qū)劃；趙海英、栗錫齡等（2009）在介休市33個觀測點的基礎(chǔ)上，用物候指標(biāo)對該市氣候情況進行了初步研究；趙永強、武永利等（2013）基于DEM高程數(shù)據(jù)建立了山西省農(nóng)業(yè)氣候資源集。但是到目前為止，還沒有一個全面的服務(wù)于山西省氣象業(yè)務(wù)的農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃服務(wù)系統(tǒng)可以涵蓋氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候資源分布和作物區(qū)劃，同時可以實現(xiàn)自助區(qū)劃。

1 數(shù)據(jù)資料和系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.1 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)資料有山西省109個氣象站1961—2010共50年的常規(guī)氣象資料（建站晚于1961年的從建站資料開始），山西省、市、縣的shp矢量文件，分辨率為90 m×90 m的SRTM DEM 數(shù)據(jù)。資料來源于山西省氣候中心。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

所需的最低硬件環(huán)境為：企業(yè)級專用服務(wù)器、雙核處理器，主頻在2.2 GHz以上，1 G內(nèi)存，獨顯（512 M），120 G 硬盤。

所需的基本軟件環(huán)境如下所示。

數(shù)據(jù)存儲部分：sqlserver2005企業(yè)版；

地圖服務(wù)處理發(fā)布部分：aspmap4.7；

Web程序部分：.net4.0類庫+IIS6.0服務(wù)器+Office2003+Silverlight4.0運行時+Silverlight4.0擴展包+Microsoftajaxlibrary+ArcGISAPIforSilverlight2.0；

操作系統(tǒng)：Windows Server 2003 Enterprise Editionserverpack2；

數(shù)據(jù)調(diào)用：IDL交互式程序語言。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)流程

系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)流程為：①通過實地考察調(diào)研、與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)人員座談等方法了解各地的優(yōu)勢農(nóng)業(yè)、特色農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟林果和主要氣象災(zāi)害等，確定區(qū)劃對象、區(qū)劃指標(biāo)；收集數(shù)據(jù)資料并進行整理，然后導(dǎo)入農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃服務(wù)系統(tǒng)。②基于數(shù)字高程模型（DEM），采用多元回歸法和小網(wǎng)格推算法構(gòu)建面域上的山西省氣候要素（分辨率90 m×90 m），結(jié)合各區(qū)劃指標(biāo)開展山西省氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候資源分布和作物區(qū)劃，并對區(qū)劃結(jié)果進行檢驗。③將區(qū)劃結(jié)果存放于區(qū)劃結(jié)果數(shù)據(jù)集中。系統(tǒng)建立之后，工作人員可基于Web平臺對農(nóng)業(yè)氣候資源及區(qū)劃結(jié)果進行發(fā)布、制圖、輸出，也可以根據(jù)需要進行自助式農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，以方便開展專題服務(wù)或其他咨詢服務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)流程如圖1所示。

2 區(qū)劃系統(tǒng)架構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

采用一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的AJAX網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)，并采用C#語言來編程，使用Asp.Net作為開發(fā)控件，結(jié)合 SQL2005數(shù)據(jù)庫技術(shù)和IDL交互式語言軟件來構(gòu)建系統(tǒng)平臺。

整個系統(tǒng)采用三層B/S結(jié)構(gòu)模式，包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和客戶層。其中，數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，是獲取系統(tǒng)所需原始數(shù)據(jù)的操作層，是操作數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)邏輯層或表示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)；服務(wù)層是核心部分，主要是針對數(shù)據(jù)訪問層具體問題的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的邏輯處理；客戶層主要是對用戶請求的接受以及數(shù)據(jù)的返回，為客戶端提供應(yīng)用程序的訪問。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)分設(shè)一般用戶和管理員用戶兩種登錄方式。其中，一般用戶登錄后僅顯示“區(qū)劃成果”和“退出系統(tǒng)”兩個功能模塊，只有瀏覽和下載本地區(qū)區(qū)劃結(jié)果的權(quán)限；管理員用戶登錄后，系統(tǒng)界面右上方顯示6個功能模塊，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖件資源、自助區(qū)劃、區(qū)劃成果、系統(tǒng)維護、退出系統(tǒng)，以便進行修改和完善。

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該部分包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)、行政區(qū)域數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括所有的基本數(shù)據(jù)，比如溫度、降水、日照、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等；行政區(qū)域數(shù)據(jù)包括社會總產(chǎn)值GDP、人口、農(nóng)田受災(zāi)面積、受災(zāi)人口等；觀測數(shù)據(jù)包括31個農(nóng)氣站實時觀測的農(nóng)作物生長發(fā)育日期、長勢等。

2.2.2 圖件資源

該部分包括柵格化后的所有基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣候資源基本信息數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象觀測資料數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)區(qū)劃等圖件數(shù)據(jù)。

2.2.3 自助區(qū)劃

自助區(qū)劃模塊可對新作物進行區(qū)劃，只需在“區(qū)劃DIY”對話框中編輯執(zhí)行該作物的區(qū)劃指標(biāo)即可。例如，有一種新的作物——紅薯，它與“1月平均氣溫”和“7月下旬降水”關(guān)系密切，在變量列表中選擇這兩個變量，然后在公式編輯框編輯區(qū)劃指標(biāo)，最后點擊“執(zhí)行”區(qū)劃。除此之外，也可以對已有作物重新區(qū)劃。

2.2.4 區(qū)劃成果

區(qū)劃成果包括農(nóng)業(yè)區(qū)劃、降水資源、熱量資源、光能資源等，用戶可在該模塊下制圖和下載區(qū)劃結(jié)果圖。除上述功能外，系統(tǒng)還可對矢量圖、柵格圖、數(shù)據(jù)高程圖（DEM）、注記和屬性數(shù)據(jù)進行以地理表達式為條件的邏輯查詢，以及涉及不同圖件和屬性數(shù)據(jù)的綜合查詢、統(tǒng)計，且可完成圖像的打印輸出。

3 區(qū)劃結(jié)果與分析

3.1 氣候區(qū)劃

計算了山西省平均氣溫以及穩(wěn)定通過 0 ℃、5 ℃、10 ℃的初終日、持續(xù)日數(shù)和積溫，山西省降水量和日照時數(shù)的年、季分布情況以及年際變化，以期揭示山西省熱量資源、降水資源和光照資源的分布特征和變化規(guī)律。

采用日平均氣溫穩(wěn)定大于或等于10 ℃期間的積溫、極端最低氣溫的多年平均值作為參考指標(biāo)，以年濕潤指數(shù)為干濕區(qū)劃分的主要指標(biāo)，以年降水量為輔助指標(biāo)，引用《中國氣候新方案》中的指標(biāo)，使之更適合山西省的氣候特點。根據(jù)指標(biāo)，將山西省分成了7個氣候區(qū)，具體如圖2所示。表1所示為山西省氣候區(qū)劃指標(biāo)。

3.2 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃

利用山西省109個縣市多年的氣候資料，在干燥度指數(shù)自然分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱量指標(biāo)（即年均氣溫），確定了區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候綜合開發(fā)和區(qū)劃的指標(biāo)，將山西省劃分為6個農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，具體如圖3所示。表2所示為山西省農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)。

3.3 作物氣候區(qū)劃

選取主要糧食作物（冬小麥、春玉米），結(jié)合農(nóng)作物生長發(fā)育的具體指標(biāo)區(qū)劃。以冬小麥為例，首先查閱文獻資料，找出作物生長發(fā)育所需的光、溫度、水等相關(guān)條件；找出影響作物生長發(fā)育的的關(guān)鍵氣象因子，并計算其經(jīng)驗概率，以≥80%、60%～80%、<60%劃分為適宜、較適宜、不適宜等級，結(jié)合山

西省的實際生產(chǎn)作出調(diào)整，得出山西省各作物的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)；運用GIS技術(shù)對山西省各作物進行種植氣候區(qū)劃，并計算得出相應(yīng)的適宜種植概率分布圖。最后根據(jù)作物的實際播種面積所占比例，參考已有研究成果驗證其區(qū)劃結(jié)果是否合理，以不斷地改進和調(diào)整。圖4所示為山西省冬小麥氣候適宜區(qū)域的分布。表3所示為冬小麥區(qū)劃指標(biāo)。

4 結(jié)論與討論

本文所開發(fā)的區(qū)劃系統(tǒng)實現(xiàn)了對氣候區(qū)劃、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃和作物氣候區(qū)劃的研究，研究結(jié)果可為相關(guān)部門提供參考和決策依據(jù)。同時，該系統(tǒng)還具有以下特點：①海量數(shù)據(jù)高效管理。系統(tǒng)實現(xiàn)了對海量數(shù)據(jù)的高效管理和區(qū)劃的動態(tài)化、實時化和精細化，具有可視化強、易操作、開放性和可擴展性強等特點。②可視化強、易操作。綜合運用多元回歸法和克里金插值法建立了山西省氣候要素模型。該結(jié)果可較為真實地反映山西省的實際氣候要素。③區(qū)劃的動態(tài)化和實時化。對逐年的各種作物指標(biāo)的概率分布提供了詳細的數(shù)據(jù)，并對部分區(qū)劃進行了檢驗，區(qū)劃結(jié)果總體上較為合理，可以為政府以及相關(guān)的部門提供客觀、可靠的作物區(qū)劃信息。④圖形精細化。該系統(tǒng)在包括邊界數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度坐標(biāo)的二維地形圖的基礎(chǔ)上，綜合經(jīng)緯度坐標(biāo)的海拔高度數(shù)據(jù)文件，將區(qū)劃結(jié)果細化到縣、鄉(xiāng)、村，并根據(jù)預(yù)先定義的色標(biāo)對區(qū)劃圖著色，使圖形更加精細化。⑤開放性和可擴展性。在系統(tǒng)的設(shè)計上，充分考慮了系統(tǒng)的開放性和可擴展性，支持多種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能；利用先進的技術(shù)和開

發(fā)工具對系統(tǒng)的二次開發(fā)和功能模塊的添加保留預(yù)備接口模塊，遵循系統(tǒng)易于擴展的原則。

另外，該系統(tǒng)也有一些缺點，比如目前基本上考慮的是氣象要素，還沒有考慮社會經(jīng)濟要素。這導(dǎo)致區(qū)劃結(jié)果還不是非常全面，與實際有一定的差距。因此，還應(yīng)該考慮加入特色農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的區(qū)劃等。這些都有待后續(xù)研究。

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〔編輯：劉曉芳〕