基于用戶交互的精準農業氣象服務方法研究

李玉華 褚希 張紅

(1山東省氣象防災減災重點實驗室山東濟南 250031;2山東省氣象服務中心山東濟南 250031)

農業生產受氣象條件的影響較大，農作物的生長過程與氣象條件的變化有著緊密的聯系，氣象條件的好壞決定農業生產能否穩定進行，作物的產量、品質也與天氣條件密切相關。隨著中國農業的產業化、規模化發展，農業生產的全過程離不開氣象服務的保障；農作物種植、生長、收獲的每個階段，農業生產者都要依照天氣情況進行相應的農事活動，只有開展精準化的氣象服務，才能讓氣象工作在農業生產中更好地發揮作用［1-3］。隨著智能手機的廣泛普及，面向用戶端的氣象服務APP大量興起，2018年，熊文兵等［4］研發了智能化的手機氣象服務APP，能夠給出不同氣象條件下的氣象影響評價和生產建議。同年，姜珊等［5］設計了“沈陽農氣通”APP，實現農業氣象產品的移動客戶端發布。2019年，梁正文等［6］開發了長順興農氣象手機客戶端，開展氣象信息、生產管理等“直通式”氣象為農服務。2020年，郭昌松等［7］開發了設施農業氣象服務APP，為福建省設施農業基地用戶提供氣象服務。但不同氣象服務APP只是服務方式的改變，提供的還是普適性的天氣服務產品，仍欠缺針對用戶種植作物個性化、精準化的氣象服務功能。隨著現代農業的快速發展，一方面，現代農業生產者較傳統農戶，多為知識性農民，擁有一定的農業生產知識儲備，熟悉作物生長習性，有一定的作物管理經驗，善于觀察和總結；許多農業用戶已收集了一些農業生產經驗型數據指標，并希望該類實踐經驗和數據指標能在農業生產中發揮作用。另一方面，氣象部門對用戶需求的了解不夠，用戶農業生產知識和經驗不足，因此，迫切需要用戶參與到氣象服務的過程中來。如何讓用戶真正參與到氣象服務中來，是氣象部門迫切需要研究和解決的問題。因此，本研究提出了在移動互聯網下與用戶進行交互的精準農業氣象服務方法，依托氣象服務手機APP，融合用戶的氣象服務需求，結合用戶的農業生產經驗，匹配氣象服務產品，從而實現精準農業氣象服務。

1 基于用戶交互的精準農業氣象服務方法

隨著移動互聯網的發展，移動支付、移動游戲、掌上音樂、掌上購物等開啟了“云端”生活。用戶交互體驗在圖形圖像技術研究、新媒體網站、物聯網、電力設備檢修、供水、醫療等領域的應用越來越受重視，用戶交互體驗也成為了用戶服務產品研發與設計的必備環節［8-13］。交互就是交流互動、有問有答，如常見的具有交互功能的網站，能讓用戶與用戶、用戶與平臺之間進行交流互動。交互式服務，是指為用戶提供向社會公眾發布文字、圖片、音視頻等信息的服務，包括但不限于論壇、社區、貼吧、文字或者音視頻聊天室、微博、即時通信、分享存儲、第三方支付、移動應用商店等互聯網信息服務。2020年李倩［14］進行了智能化農業信息管理的交互設計，構建了人機交互模塊的輸出轉換接口，實現了智能化的農業信息管理和應用開發。同年，陳璨等［15］依托“知音真實故事”平臺，通過問卷調研粉絲群，發現知識型信息交互行為可以正向影響粉絲滿意度。

開展用戶交互的基礎是移動互聯網，在移動互聯網下開展交互式服務，即基于互聯網和移動互聯網，通過搭建數據共享平臺進行交互信息的收集，利用交互信息更好地開展服務。氣象服務要精準服務農業生產，需要將用戶的農業生產經驗融入到氣象服務中，在移動互聯網下開展交互式精準農業氣象服務，實現氣象服務和農業生產相融合。氣象服務手機APP開啟了針對移動平臺的氣象服務應用新篇章，架起了用戶和氣象服務部門溝通的橋梁，可將氣象服務手機APP作為用戶交互的有效渠道，面向用戶增加互動功能模塊，實現用戶服務需求信息的獲取。用戶的經驗型氣象服務指標，能夠精確地總結和反映氣溫、降水、大風等氣象要素對作物生長關鍵期的影響情況，有效地指導氣象部門開展氣象服務，從而利用實況和未來的天氣預報資料，為農業生產提供農事建議和作物生長適宜度分析等。因此，可通過氣象服務手機APP加入用戶交互式服務場景應用，開展用戶參與的農業氣象服務，如針對用戶關心的天氣要素指標信息、重要農時節點氣象條件、主要農作物生長情況等，建立用戶與氣象部門的交互專區，在后端開發用戶交互信息的數據和產品的匹配功能，通過開展用戶交互式氣象服務體驗，實現用戶參與的融入式的農業精準氣象服務。因此，在移動互聯網下，基于用戶交互的精準農業氣象服務方法的具體步驟如下。

（1）依托一定的為農氣象服務APP，搭建用戶和氣象服務端的橋梁；

（2）開發用戶交互模塊，允許用戶進行信息反饋；

（3）交互模塊收集用戶反饋信息，傳送后端支撐系統，提取有效信息進行數據質量控制，建立用戶個人氣象服務指標庫；

（4）后端支撐系統運用精準匹配算法，生成精準化氣象服務產品；

（5）通過APP進行用戶“一對一”的精準靶向推送。

該方法主要涉及五方面的內容：（1）有一定交互式服務的應用場景，依托特定的網站或APP，搭建用戶應用環境；（2）進行交互式模塊的設計，通過特定的交互模塊，獲取用戶需求、用戶行為、用戶基礎信息、用戶經驗和習慣等關鍵信息的反饋；（3）建立用戶個人指標數據庫，整理交互模塊的反饋信息，進行“一人一庫”管理；（4）應用精準匹配方法，基于基礎氣象服務產品，結合用戶個人指標數據，重新進行自適應算法調整，匹配用戶需求信息，生成精準氣象服務產品；（5）進行用戶服務產品的靶向發布，將精準農業氣象服務產品及時、靶向發送到用戶端。基于用戶交互的精準農業氣象服務方法框架，見圖1。

圖1 基于用戶交互的精準農業氣象服務方法框架

2 方法應用實例

為更好地滿足現代農業對氣象服務的需求，加快移動互聯網、云計算、大數據等現代信息技術在農業氣象服務領域的集成應用，山東省氣象局依托省政府“十三五”《山東現代農業氣象服務保障工程》項目，推進為農氣象服務供給側改革，定位于農業氣象服務，開發了移動終端系統——“鋤禾問天”為農氣象服務APP［16-17］。以“鋤禾問天”APP為載體（其在移動互聯網下作為用戶交互的通道），開展基于用戶交互的精準農業氣象服務方法研究，可實現交互式精準農業氣象服務。

2.1 用戶交互模塊設計

首先設計用戶的種植信息，通過“種植區域”模塊，設定用戶種植作物的區域和地址，為匹配氣象服務信息提供基礎。其次，按照系統內作物生育期的設置，提供作物當前所處的生育期，推送當前生育期氣象條件下的農事活動建議等；同時允許用戶根據實際情況調整作物生育期，即通過“生育期調整”模塊進行重新設置，根據當前作物生長情況確定生育期。再次，設計“指標配置”模塊，允許用戶根據作物生長適宜度、農事活動、氣象災害等信息進行個人指標的調整和設定。針對作物生長適宜度，用戶可對溫度、風速、最高溫度、最低溫度、最大風速、降水、空氣相對濕度、日照等氣象指標進行精確設置；針對農事活動、氣象災害、病蟲害等，允許添加個人指標信息。系統在原有指標的基礎上，結合個人指標，重新修訂相關指標，從而匹配作物所需的氣象服務信息。相關的用戶交互模塊設計見圖2。

2.2 氣象服務指標庫

氣象服務指標庫，包括生育期、生長適宜度、病蟲害發生發展氣象條件等級、關鍵農時農事活動適宜度、農事建議五大方面。氣象服務指標庫分系統指標庫和個人指標庫。系統指標庫為系統設定的基礎指標信息，是按照氣象條件對作物的不同影響，利用基礎氣象觀測數據、氣象預報服務產品以及農業氣象服務數據和產品等構建，如圖3。個人指標庫是用戶針對個人種植的作物類型、當地天氣及氣候特點，結合種植經驗形成的作物氣象指標；用戶可在“鋤禾問天”APP端，通過交互模塊，通過參與指標訂正、氣象要素因子選擇、氣象要素閾值選擇等開展作物指標自我管理，添加精細化的個人作物指標等；系統在后端管理平臺進行數據質量控制后，按照“一人一庫”的模式，形成用戶個人指標庫。氣象服務指標庫為每一種作物、每一個用戶建立了專屬檔案，是開展作物全生育期精細化服務的重要基礎。

圖2 用戶交互模塊設計

圖3 氣象服務系統指標庫

2.3 精準氣象服務產品生成和推送

根據作物指標庫信息，針對用戶關注的作物種類，逐一細化分析每一種農作物生產過程中對氣象服務的需求，系統將按照作物配置信息并結合系統指標進行氣象信息服務；進行了個人指標庫定義的，系統將按照個人指標庫并結合氣象資料進行重新分析，匹配對應的氣象服務產品，結合作物屬性、當前氣象條件和氣候狀況，分析確定作物所處的生育期，開展作物全生育期精細化服務。

2.3.1 計算和劃分作物生長適宜度

在作物不同生育期通過分析氣象要素指標，結合當天天氣要素信息，按照用戶設定的閾值指標，判斷作物在當前階段是否處于指標區間內，從而確定當前氣象條件是否適宜作物生長，作物生長適宜度信息自動推送給用戶，提醒用戶及時采取防范措施。

2.3.2 預估并提示相應的農業氣象災害

針對作物不同生育期內的災害，比如對小麥的干旱、干熱風、連陰天等災害性天氣進行監測分析，生成農業氣象災害服務信息和產品，并依據氣象條件對農業病蟲害的影響，劃分農業病蟲害發生發展氣象條件等級，相關氣象信息及服務產品通過“鋤禾問天”APP自動推送給受影響用戶，給出關鍵農時農事活動建議。結合作物生育期和用戶個人指標庫，融合未來的天氣預報信息，將噴藥、灌溉、施肥、晾曬、播種、收獲等農事適宜活動，通過APP發送至用戶，提示用戶及時進行有益的農事活動，如圖4。

圖4 作物生長適宜度預報及農事活動適宜度模塊

3 方法應用分析

移動互聯網下基于用戶交互的精準農業氣象服務方法，能夠提高氣象為農服務的精準度。通過在用戶手機APP端進行交互模塊的合理設計，允許用戶進行更加精準的數據選擇、信息編輯，將用戶的上傳信息作為農業氣象服務需求的有效反饋，建立精準氣象服務指標庫，針對農業災害性天氣、重要農時節點、農作物發育情況等氣象產品將更加精準。該方法還可提高氣象防災減災的時效性和針對性。基于用戶交互反饋信息，提供基于用戶位置的用戶種植信息、作物生育期差異等精準氣象服務，可增加氣象為農服務信息的準確度和預報預警服務的及時性，有效降低氣象災害對農業的影響，在農業生產防災減災中更好的發揮眾籌的優勢。此外，該方法可有效推進融入式、交互性為農氣象服務場景的應用；通過“鋤禾問天”手機客戶端，提供便捷的用戶交互，可對用戶需求、用戶行為、用戶習慣等信息進行提取，增加用戶粘性，也更加有效地促進氣象服務與用戶需求的深度融合。

移動互聯網下基于用戶交互的精準農業氣象服務方法，滿足了農業氣象精細化服務需求，提升了氣象部門為農服務的專業化、信息化、精細化水平，為現代農業氣象服務的轉型發展提供了有力支撐。目前，依托“鋤禾問天”APP，該方法已在山東省現代農業種植大戶、家庭農場、農業專業合作社等新型農業經營主體1.1萬多名用戶中開展應用，取得了較好的社會效益。

4 結論

在移動互聯網下開展基于用戶交互的精準農業氣象服務方法研究，依托“鋤禾問天”為農氣象服務APP，搭建用戶和氣象服務端的橋梁，開發了豐富的用戶交互模塊，有效收集用戶農業反饋信息，建立用戶個人氣象服務指標庫；通過運用精準匹配算法，生成精準化氣象服務產品“一對一”，并精準靶向推送給用戶。該方法有效推進了融入式、交互性為農氣象服務場景的應用，滿足了山東省農業氣象精細化服務需求，有效提升了農業氣象服務的精細化水平；隨著該方法在“鋤禾問天”APP用戶端的不斷深入應用，更多的用戶參與信息的交互反饋。通過對農業氣象數據指標的采集，進行用戶反饋數據的分析和加工，將用戶在實際應用中的個人指標形成龐大的數據資源庫，從而建立農業氣象服務用戶大數據系統，為進一步做好農業氣象災害預報服務、農事活動服務、農業生產關鍵環節應對服務等提供了有力支撐，未來的為農氣象服務將會更加精準。