包頭市現代農業氣象服務系統的創研

李秀華 高振江 尚春明

摘要為提高現代設施農業的生產能力及農用氣象預報預警的服務水平，創建了包頭市現代農業氣象服務系統并投入應用。WEB站點采用SQL Server 2008數據庫平臺，使用Thinkphp框架和JQuery技術;手機APP應用基于Java 7平臺開發，應用JSON語言與服務器進行數據交互。結果表明，建成了設施小氣候觀測站網數據庫和監測數據顯示平臺、設施小氣候預報系統、設施農作物氣象指標庫和設施小氣候實況對各類作物生長發育影響評估系統、設施小氣候預報結論對各類作物生長發育影響評估系統、設施農業氣象服務每日提示系統和設施農業氣象預警信息系統;及時發布設施農業天氣預報并提出生產建議。應用反饋表明，該系統切實提升了當地設施農業的生產能力，包頭市農業氣象服務實現了專業化與自動化。

關鍵詞農業氣象服務系統;設施農業;預報預警

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]。設施作物生產對氣候條件的依賴程度較高，受災害性天氣影響較大。北方地區低溫、大風、寡照、大雪等氣象災害發生頻率高，給日光溫室生產帶來較大影響[3-4]。為此，前人針對設施生產的小氣候進行了分析與監測，魏瑞江等[5]

總結出連陰天條件下日光溫室內的氣溫、地溫變化規律，崔建云等[6]

揭示了外部環境氣象條件對日光溫室氣象條件的影響，關福來等[7]建立了日光溫室低溫寡照災害的監測預警系統。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。設施農業的快速發展迫切需要專業的、有針對性的氣象信息服務和指導[8-9]。鑒于此，筆者創建了現代農業氣象服務系統，旨在為包頭市設施農業提供氣象預報預警服務，盡可能規避不利天氣情況給設施農業帶來的損失。

1系統總體框架

針對內蒙古中西部地區日光溫室建設和使用過程中的溫室結構不科學、加溫費用大和果類蔬菜無法安全越冬等問題，包頭市農業科學研究所從2014年陸續建設了7種不同結構、具有不同典型代表性的日光溫室，包括機建墻體單膜內保溫型、37墻體單膜雙保溫型、厚墻體雙膜內保溫型、厚墻體雙膜內保溫型、厚墻體單膜雙保溫型、Britech環保輕型儲熱式太陽能四季溫室、單膜內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田小氣候數據采集儀。

包頭市現代農業氣象服務系統具有不同結構溫室內農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據，同時具備已建設多年的室外自動氣象采集站。一方面以LED屏為平臺，經通用型數據采集器直接進行氣象數據推送，把實時氣象數據現場展示出來;另一方面，還可以采用GPRS通信模塊通過移動互聯網將不同結構溫室的小氣候數據及室外氣象數據傳輸到數據中心，得出常規預報結論，結合溫室小氣候預報模式發布設施農業專業氣象預報服務，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專業技術人員和種植戶（圖1）。

2系統設計

現代農業氣象服務系統整體采用目前流行的WASP架構，以大數據模型為基礎，經分析和預測得出結論。開發框架為Thinkphp框架。

2.1數據庫

數據存儲采用目前主流的數據庫平臺SQL Server 2008，保證數據可信任、高效、智能存儲，并保證數據的高效吞吐。

2.2WEB訪問

網站建設采用目前國際主流的扁平化設計模式，保證用戶體驗，并大量使用Thinkphp框架和JQuery技術，實現了常見任務的自動化和復雜任務的簡單化，使得在網絡負載很小的情況下用戶交互反饋迅速。

2.3預報模型

2.3.1溫室外預報。

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

2.3.2溫室內預報。

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

2.4手機APP應用

利用Java 7平臺開發，采用JSON與服務器進行數據交互，保證服務器數據的安全性及數據訪問的高效性，目前只實現安卓平臺的App。

2.5LED顯示屏

通過實時監測程序定向推送設施內、外的各氣象數據及各類預警信息到LED大屏幕，指導農業生產有序進行。

3系統主要功能及應用

3.1建成設施小氣候觀測站網數據庫和監測數據顯示平臺

通過編制數據處理軟件，實現設施小氣候監測數據自動追加入庫，能夠隨時檢索、調用，設施類型為包頭市農牧業科學研究院內的7種結構的溫室和舊式溫室，同時以戶外氣象數據為對照。數據內容包括氣溫（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。監測數據顯示平臺可表格全要素實時顯示監測數據，也可以曲線形式分別顯示6要素過去24 h的變化情況。同時兼有歷史數據的查詢和EXCEL格式下載功能，便于專業技術人員分析（圖3）。

3.2建成設施小氣候預報系統

根據設施內外氣溫變化一般規律和設施內小氣候要素變化規律，結合數值預報產品，建立了相應的數學模型，預報設施內未來24 h氣溫，設施外未來24 h降水量、最大風速，未來72 h白天云量（圖4）。

3.3建成設施農作物氣象指標庫和設施小氣候實況對各類作物生長發育影響評估系統

調查、總結、歸納并建立包頭地區農作物生長發育氣象指標庫，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，作為對農作物關鍵生長發育期氣象條件評估的客觀依據。作物種類涵蓋了內蒙古中西部地區常見設施農作物。

針對設施內不同作物各個發育期（苗期、花期、熟期等），根據設施小氣候要素實時數據，對作物生長發育的影響進行評估。用戶通過登陸點擊相關內容均可獲得所需信息（圖5）。

3.4建成設施小氣候預報結論對作物生長發育影響評估系統

設施小氣候氣象要素預報結論對不同作物各個發育期做出影響評估，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建成設施農業氣象服務每日提示系統

于每日20：00將過去24? h內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育的不利影響發布提示信息。

3.6建成設施農業氣象預警信息系統

建成了凍害、熱害、干旱、濕害、寡照等設施作物生產主要災害的實況預警信息發布和預報預警信息發布系統，切實指導了農業生產，規避了災害天氣給設施農業造成的經濟損失。

3.7及時發布設施農業天氣預報并提出生產建議

該系統的重要應用功能之一是及時發布設施農業天氣預報并提出相應生產建議，其中2016年共發布30期預報產品，2017年發布22期預報產品，有效地規避了設施作物生產中低溫凍害、雪害等氣象災害帶來的損失，受到了種植戶的一致好評。

3.8建成手機APP端訪問系統和LED顯示平臺

手機APP端比WEB站點更簡潔，主要包括監測、預報、問答和用戶信息4部分。用戶可實現隨時隨地掌握不同結構溫室小氣候狀況和接受預報預警信息。

以LED屏為平臺，通過網絡進行氣象數據推送，把實時氣象或預報數據現場展示出來，指導現代農業生產活動（圖6）。

4結論與討論

（1）包頭市現代農業氣象服務系統WEB站點采用SQL Server 2008數據庫平臺，使用Thinkphp框架和JQuery技術;手機APP應用基于Java 7平臺開發，應用JSON語言與服務器進行數據交互。

（2）該系統創建了集數據采集、模型創建、數據展示、數據分析、氣象災害監測預報預警、服務產品制作發布的綜合性氣象服務平臺，實現了電子顯示屏播送和手機、網站瀏覽

等多種信息服務功能。應用反饋表明，該系統切實提升了當地設施農業的生產能力，包頭市農業氣象服務實現了專業化與自動化。

（3）針對包頭市現代農業的特征，該系統的3.0版“智慧農業”正在研發中，內容涵蓋了常見設施作物、大田作物（玉米、馬鈴薯、小麥等）和特色果類全生育期內的氣象預報預警、生長發育影響評估、結合天氣預報提出的生產建議等內容，具有很強的專業針對性及實用性，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中，實現南北大跨度數據采集及分析。

參考文獻

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