基于移動互聯的智慧氣象為農服務系統研究

熊文兵，葉海寧，吳鳳瑩，胡祖權，劉武，劉春峰

（來賓市氣象局，廣西 來賓546100）

0 引言

隨著信息技術迅速發展，“現代農業”有了新的屬性——智能化，互聯網和物聯網技術讓管理者通過大數據對農田進行全程智能管控成為了可能，人工智能為現代農業發展注入新動力和新活力，人工智能技術與農業深度融合發展演進出了一個新業態——智能農業[1-3]。現代農業生產仍然離不開氣象服務，反而對農業氣象服務提出了更高的要求，催生了智慧氣象為農服務[4]。智慧氣象應用了新興的大數據、云計算、移動互聯、物聯網、智能分析等技術，在天氣監測預警、城市氣象災害防御、智能網格預報、新型農業生產等各方面都有了快速的發展，氣象為農服務走向智慧化是服務需求的必然趨勢，也是智慧氣象的一個重要任務。智慧氣象有效提高了氣象為農服務的能力和技術水平，為滿足現代農業生產的氣象服務新需求提供技術支撐[5-7]。

近年來，各地氣象工作者在智慧氣象為農服務的需求、理念和技術方面進行了諸多探索和研究，部分學者也嘗試研發了相應的應用系統[5][8-12]。然而，當前的應用研究多為針對某一種作物或者單個設施農業開展的專門服務，尚缺乏一個綜合應用區域小氣候數據，同時針對多用戶、多個關注作物，基于移動互聯、提供實時天氣信息及其影響評價、種植管理措施的應用。隨著農田小氣候觀測設備的普及，廣西來賓市的田間自動氣象監測也逐步推廣，進一步發展智慧氣象為農服務顯得尤為迫切，也使其成為了可能。本文針對來賓市的主要大宗農作物，研發了基于區域自動氣象站數據、農田小氣候站及土壤水分站等數據的氣象為農服務移動客戶端（APP）。本應用最大的特點是針對用戶關注的作物，以及作物當前的生育期，給出天氣實況影響評價和未來天氣的影響評估，并針對性的給出生產管理建議。

1 系統框架

系統總體框架包括智慧氣象為農業務工作平臺、智慧氣象為農綜合數據庫兩大內容（圖1），其中智慧氣象為農業務工作平臺分為web客戶端與移動用戶端。

圖1 系統總體框架

1.1 數據庫

系統要建立智慧氣象為農綜合數據庫，采集多種數據類型、多種數據來源的農作物預警相關數據，并能夠滿足數據更新、類型擴展的業務需要。

智慧氣象為農綜合數據庫從邏輯上包含基礎地理數據、氣象數據、預報預警數據和業務支撐數據，如圖2所示。

所需氣象數據均從區氣象信息中心CIMISS 以及有關數據庫同步載入，與本地化業務數據一起存儲于本地服務器。

圖2 智慧氣象為農綜合數據庫

其中基礎地理信息數據主要包括來賓區域的行政區劃矢量數據，精細到村一級，用作系統有關地圖展示模塊的背景地圖；氣象數據包括來賓區域內的5個國家氣象站、124個區域自動氣象站、4個土壤水分觀測站、8個農田小氣候觀測站數據；預報預警數據、氣象站和土壤水分站的數據可以從CIMISS 獲取，農田小氣候站數據暫時采用遠程推送的方式獲取，待將來CIMISS完成入庫后再統一從CIMISS獲取。

1.2 Web客戶端

Web 客戶端設計考慮實現兩部分功能，一方面可以為種植大戶、新型農業經營主體、涉農企業等農業用戶提供B/S 的桌面應用，包括在地圖界面上調閱氣象觀測信息、預報預警信息、關注農田的情況，以及查閱農業氣象服務產品。

更重要的，Web 客戶端還要作為業務管理平臺在內網運行，由值班業務人員實現所有智慧氣象為農服務系統的管理工作。包括用戶管理、作物管理、站點管理、產品制作和產品發布。部分管理功能還要實現對不同作物發育期的錄入、農氣指標庫的修改、生產建議庫的修改等，以完善各種智慧氣象產品的技術支撐。

1.3 移動客戶端

移動客戶端（APP）為系統用于產品展示和服務的終端部分，配合完成Web客戶端分配的服務任務、實現服務功能。目前已經完成Android 版本，包含登錄頁面和主頁面、產品頁面三層界面。登錄也包含登錄和注冊功能，登錄后即進入主頁面，用戶設置、系統更新、系統分享等系統功能隱藏在側滑區內，主頁面看到的全部都是服務模塊：上半部分是主要功能——天氣影響評價模塊，下半部分需要上拉顯示，包括功能應用、服務產品、專家服務三個模塊（圖3）。頁面頂端（頁眉）提供下拉框選擇不同關注點功能。

天氣影響評價模塊包括逐日評價、周評價、旬評價和月評價；“農田氣象”模塊包括“我的作物”“我的農田”“實時天氣”“氣象站點”“小氣候站”等五個功能，“服務產品”模塊包括“農氣情報”“專題產品”“特色產品”三個功能，“專家服務”包括“專家問答”“科學種植”兩個功能。各模塊里的功能都可以擴展。

圖3 移動客戶端（APP）功能框架

2 功能設計

2.1 天氣影響評價模塊

天氣影響評價模塊（圖4，見彩頁）包括逐日評價、周評價、旬評價和月評價，逐日評價是評價過去一天或者未來一天天氣對用戶關注作物的影響。周（旬、月）評價是對過去或未來一段時間天氣對作物的影響。

系統用模型分別對實況影響和預報影響做出分析，針對用戶關注的作物不同的生育期，給出光溫水風等主要影響要素對作物生長的影響等級。影響等級分為“很有利、有利、無影響、有影響、影響大”五級。

逐日評價由系統根據預設的分級指標對應天氣要素自動計算得出，并聯動生產建議庫給出建議。周（旬、月）的天氣影響具有復雜性，需要專家干預，因此在系統計算的基礎上，還要讓業務人員通過Web端的業務平臺審核修訂。

2.2 功能應用模塊

功能應用模塊（圖5，見彩頁）是用戶分類瀏覽功能的集成，主要提供給用戶瀏覽氣象觀測數據的界面、查看天氣預報預警信息的界面，以及管理關注作物、查看作物生長信息的界面。功能界面以二級或三級頁面的形式提供查詢、瀏覽或設置接口，其中各子頁面因為功能不同根據需要有不同的設計，如氣象站點數據瀏覽、關注點設置、預警信號等功能以地圖加數據的方式實現，天氣預報以曲線圖方式實現，小氣候站數據瀏覽以圖標排列加數據表方式實現。

2.3 拓展應用

拓展應用包括兩個部分，一個是服務產品模塊，一個是專家服務模塊。服務產品包括常規的農氣情報、專題產品和特色產品等，主要以圖文形式展示產品文檔。農氣情報是常規的定期發布的農氣旬月報、周報、春播春種夏收夏種專題等文檔類產品。專題產品主要是共享區局下發的如旱情監測、災害評估、區劃等專題產品，專題產品有文檔類，也有圖片類。特色產品主要是針對用戶的個性化需求，制作發布的特色服務產品，如遙感長勢監測、病蟲害監測類產品。

專家服務模塊包括專家問答和科學種植兩個功能，是以后臺建設的專家知識庫、科學種植知識庫為基礎，制定了的智能問答機制，以及針對各種作物，提供科學種植知識給用戶查閱。專家服務模塊可以不斷豐富后臺知識庫，具備很好的拓展能力。

拓展應用的產品均能根據產品來源及發布頻次和時間實時更新，也能根據產品種類和用戶需求進行拓展，APP 能夠以即時消息的方式提醒新產品到達，為產品的發布和查閱提供了便捷實用的平臺。

3 討論

（1）為農服務是智慧氣象發展的一項重要內容，本文研究的智慧氣象為農服務系統是依托本地的區域氣象站及農田小氣候觀測體系來完成的，研究的作物及服務的對象也是本地區域。但是系統框架及思路適合各地氣象部門開展智慧氣象為農服務業務，其它地方的應用只需要將數據庫的站點信息、作物信息、地圖信息更新即可，推廣應用比較容易。

（2）智慧氣象為農服務的平臺只是對數據的整合、分析，形成產品，給農業用戶提供更加人性化、有針對性的智能服務。系統生命力的根本來自數據分析能力和模型的研究能力，因此，一方面加快觀測體系的數據應用是業務建設的迫切任務；另一方面，氣象對作物影響的定量分析評估是服務系統的核心產品，要做好智慧化的服務，還要繼續開展大量的研究工作。