包頭市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)的創(chuàng)研

李秀華 高振江 尚春明

摘要為提高現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)能力及農(nóng)用氣象預(yù)報預(yù)警的服務(wù)水平，創(chuàng)建了包頭市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)并投入應(yīng)用。WEB站點采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫平臺，使用Thinkphp框架和JQuery技術(shù);手機APP應(yīng)用基于Java 7平臺開發(fā)，應(yīng)用JSON語言與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。結(jié)果表明，建成了設(shè)施小氣候觀測站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示平臺、設(shè)施小氣候預(yù)報系統(tǒng)、設(shè)施農(nóng)作物氣象指標庫和設(shè)施小氣候?qū)崨r對各類作物生長發(fā)育影響評估系統(tǒng)、設(shè)施小氣候預(yù)報結(jié)論對各類作物生長發(fā)育影響評估系統(tǒng)、設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)每日提示系統(tǒng)和設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)警信息系統(tǒng);及時發(fā)布設(shè)施農(nóng)業(yè)天氣預(yù)報并提出生產(chǎn)建議。應(yīng)用反饋表明，該系統(tǒng)切實提升了當?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)能力，包頭市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)實現(xiàn)了專業(yè)化與自動化。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng);設(shè)施農(nóng)業(yè);預(yù)報預(yù)警

中圖分類號S165文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）02-0233-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.02.069

自20世紀90年代以來，我國日光溫室面積增長迅速[1-2]。設(shè)施作物生產(chǎn)對氣候條件的依賴程度較高，受災(zāi)害性天氣影響較大。北方地區(qū)低溫、大風、寡照、大雪等氣象災(zāi)害發(fā)生頻率高，給日光溫室生產(chǎn)帶來較大影響[3-4]。為此，前人針對設(shè)施生產(chǎn)的小氣候進行了分析與監(jiān)測，魏瑞江等[5]

總結(jié)出連陰天條件下日光溫室內(nèi)的氣溫、地溫變化規(guī)律，崔建云等[6]

揭示了外部環(huán)境氣象條件對日光溫室氣象條件的影響，關(guān)福來等[7]建立了日光溫室低溫寡照災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。包頭市保護地蔬菜的種植面積已達0.8萬hm2，并且仍在逐年擴大。設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展迫切需要專業(yè)的、有針對性的氣象信息服務(wù)和指導(dǎo)[8-9]。鑒于此，筆者創(chuàng)建了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)，旨在為包頭市設(shè)施農(nóng)業(yè)提供氣象預(yù)報預(yù)警服務(wù)，盡可能規(guī)避不利天氣情況給設(shè)施農(nóng)業(yè)帶來的損失。

1系統(tǒng)總體框架

針對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)日光溫室建設(shè)和使用過程中的溫室結(jié)構(gòu)不科學(xué)、加溫費用大和果類蔬菜無法安全越冬等問題，包頭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所從2014年陸續(xù)建設(shè)了7種不同結(jié)構(gòu)、具有不同典型代表性的日光溫室，包括機建墻體單膜內(nèi)保溫型、37墻體單膜雙保溫型、厚墻體雙膜內(nèi)保溫型、厚墻體雙膜內(nèi)保溫型、厚墻體單膜雙保溫型、Britech環(huán)保輕型儲熱式太陽能四季溫室、單膜內(nèi)保溫日光溫室即智能化育苗溫室。這些日光溫室全部配備可采集6大氣象要素的全自動農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)采集儀。

包頭市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)具有不同結(jié)構(gòu)溫室內(nèi)農(nóng)田小氣候儀采集的氣溫、空氣濕度、地溫、土壤濕度、太陽輻射和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，同時具備已建設(shè)多年的室外自動氣象采集站。一方面以LED屏為平臺，經(jīng)通用型數(shù)據(jù)采集器直接進行氣象數(shù)據(jù)推送，把實時氣象數(shù)據(jù)現(xiàn)場展示出來;另一方面，還可以采用GPRS通信模塊通過移動互聯(lián)網(wǎng)將不同結(jié)構(gòu)溫室的小氣候數(shù)據(jù)及室外氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，得出常規(guī)預(yù)報結(jié)論，結(jié)合溫室小氣候預(yù)報模式發(fā)布設(shè)施農(nóng)業(yè)專業(yè)氣象預(yù)報服務(wù)，通過WEB站點、手機APP端、終端用戶、LED顯示屏、手機短信等多種渠道服務(wù)專業(yè)技術(shù)人員和種植戶（圖1）。

2系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)整體采用目前流行的WASP架構(gòu)，以大數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，經(jīng)分析和預(yù)測得出結(jié)論。開發(fā)框架為Thinkphp框架。

2.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)存儲采用目前主流的數(shù)據(jù)庫平臺SQL Server 2008，保證數(shù)據(jù)可信任、高效、智能存儲，并保證數(shù)據(jù)的高效吞吐。

2.2WEB訪問

網(wǎng)站建設(shè)采用目前國際主流的扁平化設(shè)計模式，保證用戶體驗，并大量使用Thinkphp框架和JQuery技術(shù)，實現(xiàn)了常見任務(wù)的自動化和復(fù)雜任務(wù)的簡單化，使得在網(wǎng)絡(luò)負載很小的情況下用戶交互反饋迅速。

2.3預(yù)報模型

2.3.1溫室外預(yù)報。

利用歷年自動站6要素資料結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，通過多元回歸，得出溫度、風速的預(yù)報模式。風向預(yù)報采用歐洲10 m的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，利用最短距離法進行差值，得出風向預(yù)報。室外降水是降水預(yù)報采用各數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的集合預(yù)報（圖2）。

2.3.2溫室內(nèi)預(yù)報。

依托數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品、包頭市大城市精細化預(yù)報產(chǎn)品以及近年積累的溫室內(nèi)各種氣象要素資料，利用逐步回歸方法建立設(shè)施所在地7種類型棚室的最高、最低氣溫預(yù)報模式。

2.4手機APP應(yīng)用

利用Java 7平臺開發(fā)，采用JSON與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，保證服務(wù)器數(shù)據(jù)的安全性及數(shù)據(jù)訪問的高效性，目前只實現(xiàn)安卓平臺的App。

2.5LED顯示屏

通過實時監(jiān)測程序定向推送設(shè)施內(nèi)、外的各氣象數(shù)據(jù)及各類預(yù)警信息到LED大屏幕，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有序進行。

3系統(tǒng)主要功能及應(yīng)用

3.1建成設(shè)施小氣候觀測站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示平臺

通過編制數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)設(shè)施小氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)自動追加入庫，能夠隨時檢索、調(diào)用，設(shè)施類型為包頭市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)的7種結(jié)構(gòu)的溫室和舊式溫室，同時以戶外氣象數(shù)據(jù)為對照。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括氣溫（100、50 cm），空氣濕度（100、50 cm），地溫（0、10、20 cm），土壤濕度（10、20、30 cm）、太陽總輻射、光合有效輻射、二氧化碳濃度等。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示平臺可表格全要素實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以曲線形式分別顯示6要素過去24 h的變化情況。同時兼有歷史數(shù)據(jù)的查詢和EXCEL格式下載功能，便于專業(yè)技術(shù)人員分析（圖3）。

3.2建成設(shè)施小氣候預(yù)報系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)施內(nèi)外氣溫變化一般規(guī)律和設(shè)施內(nèi)小氣候要素變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)報設(shè)施內(nèi)未來24 h氣溫，設(shè)施外未來24 h降水量、最大風速，未來72 h白天云量（圖4）。

3.3建成設(shè)施農(nóng)作物氣象指標庫和設(shè)施小氣候?qū)崨r對各類作物生長發(fā)育影響評估系統(tǒng)

調(diào)查、總結(jié)、歸納并建立包頭地區(qū)農(nóng)作物生長發(fā)育氣象指標庫，氣象指標為空氣溫度、空氣濕度、地溫、土壤濕度、光照強度和CO2濃度，作為對農(nóng)作物關(guān)鍵生長發(fā)育期氣象條件評估的客觀依據(jù)。作物種類涵蓋了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)常見設(shè)施農(nóng)作物。

針對設(shè)施內(nèi)不同作物各個發(fā)育期（苗期、花期、熟期等），根據(jù)設(shè)施小氣候要素實時數(shù)據(jù)，對作物生長發(fā)育的影響進行評估。用戶通過登陸點擊相關(guān)內(nèi)容均可獲得所需信息（圖5）。

3.4建成設(shè)施小氣候預(yù)報結(jié)論對作物生長發(fā)育影響評估系統(tǒng)

設(shè)施小氣候氣象要素預(yù)報結(jié)論對不同作物各個發(fā)育期做出影響評估，要素包括未來24 h夜間最低氣溫、白天最高氣溫、總云量和未來24～48 h白天總云量及未來48～72 h白天總云量。

3.5建成設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)每日提示系統(tǒng)

于每日20：00將過去24? h內(nèi)50 cm高度空氣最低溫度、空氣最高溫度、平均空氣濕度和10 cm深度平均土壤溫度、平均土壤濕度及最大輻射強度對作物生長發(fā)育的不利影響發(fā)布提示信息。

3.6建成設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象預(yù)警信息系統(tǒng)

建成了凍害、熱害、干旱、濕害、寡照等設(shè)施作物生產(chǎn)主要災(zāi)害的實況預(yù)警信息發(fā)布和預(yù)報預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，切實指導(dǎo)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，規(guī)避了災(zāi)害天氣給設(shè)施農(nóng)業(yè)造成的經(jīng)濟損失。

3.7及時發(fā)布設(shè)施農(nóng)業(yè)天氣預(yù)報并提出生產(chǎn)建議

該系統(tǒng)的重要應(yīng)用功能之一是及時發(fā)布設(shè)施農(nóng)業(yè)天氣預(yù)報并提出相應(yīng)生產(chǎn)建議，其中2016年共發(fā)布30期預(yù)報產(chǎn)品，2017年發(fā)布22期預(yù)報產(chǎn)品，有效地規(guī)避了設(shè)施作物生產(chǎn)中低溫凍害、雪害等氣象災(zāi)害帶來的損失，受到了種植戶的一致好評。

3.8建成手機APP端訪問系統(tǒng)和LED顯示平臺

手機APP端比WEB站點更簡潔，主要包括監(jiān)測、預(yù)報、問答和用戶信息4部分。用戶可實現(xiàn)隨時隨地掌握不同結(jié)構(gòu)溫室小氣候狀況和接受預(yù)報預(yù)警信息。

以LED屏為平臺，通過網(wǎng)絡(luò)進行氣象數(shù)據(jù)推送，把實時氣象或預(yù)報數(shù)據(jù)現(xiàn)場展示出來，指導(dǎo)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動（圖6）。

4結(jié)論與討論

（1）包頭市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)系統(tǒng)WEB站點采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫平臺，使用Thinkphp框架和JQuery技術(shù);手機APP應(yīng)用基于Java 7平臺開發(fā)，應(yīng)用JSON語言與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。

（2）該系統(tǒng)創(chuàng)建了集數(shù)據(jù)采集、模型創(chuàng)建、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、服務(wù)產(chǎn)品制作發(fā)布的綜合性氣象服務(wù)平臺，實現(xiàn)了電子顯示屏播送和手機、網(wǎng)站瀏覽

等多種信息服務(wù)功能。應(yīng)用反饋表明，該系統(tǒng)切實提升了當?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)能力，包頭市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)實現(xiàn)了專業(yè)化與自動化。

（3）針對包頭市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特征，該系統(tǒng)的3.0版“智慧農(nóng)業(yè)”正在研發(fā)中，內(nèi)容涵蓋了常見設(shè)施作物、大田作物（玉米、馬鈴薯、小麥等）和特色果類全生育期內(nèi)的氣象預(yù)報預(yù)警、生長發(fā)育影響評估、結(jié)合天氣預(yù)報提出的生產(chǎn)建議等內(nèi)容，具有很強的專業(yè)針對性及實用性，另外將在海南基地建立自動氣象站，把加代作物納入到該系統(tǒng)中，實現(xiàn)南北大跨度數(shù)據(jù)采集及分析。

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