基于移動云計算技術的農用天氣預報服務平臺研發——以寧夏釀酒葡萄農事活動預報為例*

高國弘，劉 垚，馬力文，緱曉輝，劉建宏

基于移動云計算技術的農用天氣預報服務平臺研發——以寧夏釀酒葡萄農事活動預報為例*

高國弘1, 2，劉 垚1, 2**，馬力文1, 2，緱曉輝1, 2，劉建宏1, 2

（1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川 750002）

傳統TCP/IP 協議的FTP 文件傳輸方式和服務產品一次性制作、統一分發的服務方式已無法滿足現有服務針對性、多樣性、高時效性的要求。為減少冗余農用天氣預報服務產品的產生，提高運算效率及服務針對性，本研究以寧夏釀酒葡萄為例，采用移動互聯網與云計算技術，研發了基于用戶地理位置及關注農事活動的寧夏農用天氣預報云服務平臺，實現了在線實時制作并發布服務產品。平臺主要由資料加工軟件、產品云制作軟件、農氣服務APP三部分組成。通過將氣象業務網內的基礎數據及必要的中間數據上傳至云服務器數據庫，利用資料獲取、指標比較、預報制作等子程序，通過已建立云服務網站API接口方式，獲取相關農用天氣預報。其次，還可利用開發的APP獲取具有很強專業性、時效性和針對性的、基于用戶地理位置的農用天氣預報產品。平臺有力提升了寧夏農用天氣預報業務的客觀化、自動化水平及業務產品質量，可為國內農用天氣預報技術向專業化和精細化發展提供參考。

農用天氣預報；云計算；地理位置；寧夏

“以信息化驅動氣象現代化，建設智慧氣象”是氣象行業落實國家信息化發展戰略的重要舉措，氣象領域的信息化新技術應用和研究越來越得到重視[1]。面對海量氣象數據的儲存、管理和服務需求，國家氣象信息中心開發了國省統一的氣象數據環境“全國綜合氣象信息共享系統（China Integrated Mete- orological Information Service System, CIMISS）”[2]，以支持氣象業務與相關科學研究。沈文海等[3?4]提出通過信息化規劃，促使新技術和理念向氣象業務領域滲透，加快智慧化業務體系建設，研發智能化業務平臺及服務產品，促進氣象信息化轉型發展。

農用天氣預報是天氣預報在農業生產上的解釋應用[5]，與作物生長發育進程、關鍵農事活動以及相關技術措施等農業生產實際相結合。在農業氣象業務應用領域中，農業氣象管理系統、測報業務系統的研發與推廣應用[6?10]實現了農業氣象觀測業務的信息化和自動化，為推動農業氣象現代化建設打下了基礎。王建林等[11?12]以天氣預報和農業氣象指標為基礎，經過天氣影響評估、指標判斷、模型模擬和統計分析模式等技術，定量分析或預估未來天氣氣候變化對農業生產的影響，并總結出農用天氣預報的技術流程。在此基礎上，農氣與計算機專家協作研發了農用天氣預報制作系統，實現了農用天氣預報的自動化、智能化制作[13?15]。目前，農業氣象服務內容已由單一的糧食作物增至糧食、蔬菜、果樹、林木畜牧等多方面，對農業氣象服務的精準度和時效性要求越來越高，特色的、個性化服務需求增長越來越快，然而，傳統的人工和人機交互制作的業務服務產品已無法滿足用戶日益增長的需求[16]，以往的農用天氣預報產品均為事先制作，再進行分發，產生了“無需也生產”的額外作業。如何利用現代信息化新技術，將智能化農用天氣系統制作出的成千上萬份服務產品傳遞給真正有需求的用戶，這無疑是農業氣象服務發展亟需解決的問題。

農用天氣預報與用戶所處地理位置以及氣候條件呈現強相關，且具有指標相對穩定、預報更新迅速等特點。現今云計算技術相比原有計算模式具有易管理、靈活、可靠性高、成本低廉以及安全性強的顯著優勢[17?21]，互聯網和云計算技術的推廣應用能夠有效滿足農業氣象服務領域大數據快速處理與傳播的需求。本研究以云計算與移動互聯網技術為基礎，將農用天氣預報的制作過程建立到云服務環境中，研發基于用戶地理位置及所關注農事活動的農用天氣預報云服務平臺，由用戶移動終端（如手機）調閱，云服務器依據用戶地理位置信息及所關注的農業生產活動項目，結合最新的智能網格天氣預報、農業氣象指標數據庫預報模型等，在線實時制作相應的農用天氣預報服務產品交付用戶。

1 農用天氣預報云服務平臺構建

1.1 總體框架

移動互聯網是移動通信和互聯網融合的產物，通過移動互聯網用戶可以隨時、隨地、隨身獲取互聯網服務，而對于服務提供者而言，移動互聯網與之前的互聯網最大的區別是可以獲取到用戶的準確地理位置，進而能夠向用戶提供各種更具針對性的基于位置的服務（LBS）。云計算簡單地說，就是通過遠端網絡（云）提供快速創新、彈性資源和規模經濟的計算服務，其服務可分為以下幾個層次，即基礎設施服務（IaaS）、平臺服務（PaaS）和軟件服務（SaaS）[20]。

在線制作農用天氣預報并通過移動互聯網向用戶直接交付，是一種LBS應用軟件服務，適用SaaS范疇。寧夏農用天氣預報云服務系統申請自治區政府建設的寧夏電子政務云平臺建設（采用阿里云技術建設），其中IaaS與PaaS部分由政務云平臺提供，SaaS部分及其屬于客戶端的手機APP、PC機應用網頁等軟件自行研發，其系統架構見圖1。

1.2 業務流程

作為一個農用天氣預報云服務平臺，其用戶可分為三類：第一類是公眾用戶（如涉農部門、種植大戶及其他農戶），即通過手機客戶端軟件（APP）從云平臺獲取農用天氣預報服務的用戶；第二類是專業用戶（如其他部門的相關應用軟件、網站等新媒體），即通過云平臺提供的接口，直接獲取農用天氣預報結果數據的用戶；第三類是專家用戶（如農業氣象專家、農牧業專家等），即提供農用天氣預報指標成果，利用云平臺提供的通用算法、云+端服務能力提供服務的用戶。

農用天氣預報云服務平臺的技術業務流程包括，（1）研發智能網格天氣預報、實況數據自動入庫軟件，實時更新天氣數據；（2）收集現有《農用天氣預報服務工作方案》即各種農作物、設施農業、經濟作物、牧草農用天氣預報服務細則、農業氣象周年服務方案，研究農事活動規律，將各類氣象指標抽象形成盡可能簡潔的數據結構，建立“農用天氣預報指標庫”；（3）基于智能網格天氣預報、天氣實況及其他統計資料，研究農用天氣預報反演算法；（4）研發農業氣象指標與模型庫管理程序，供農業氣象服務專家錄入或調整指標或模型；（5）研發相應的云計算軟件及公共數據接口，通過互聯網對外公布“農用天氣預報數據接口（API）”；（6）研發“農業氣象服務智能手機客戶端軟件（APP）”，用戶通過手機APP調閱自己所關注的農作物，APP通過氣象服務云Web API接口向農用天氣預報制作程序發出請求，程序先基于用戶關注的農作物向農業氣象指標模型數據庫查詢指標或模型，再基于用戶地理位置信息向智能網格天氣預報和（或）實況數據庫查詢本地氣象資料，然后依據相應的算法計算制作出農用天氣預報產品，最后再通過Web API接口分發給用戶（圖2）。

1.3 關鍵技術

移動APP開發的特點是用戶界面開發類似電腦桌面軟件，業務數據完全來自云端服務器，因此，平臺引入微軟的Web API（網絡應用程序接口）軟件編程技術開發API接口與云計算產品制作軟件，并以Json（一種輕量級數據交換國際標準）格式向APP提供云數據服務，同時采用Json格式也能方便地向其他應用終端或系統提供數據云共享服務。

圖1 寧夏農用天氣預報云服務平臺框架

圖2 農用天氣預報云服務平臺業務流程

將農用天氣預報產品制作過程搬到云上實時完成，面臨的最大挑戰是用戶響應速度。即用戶從發出請求到獲得預報結果的時間不能過長，以免影響用戶體驗。通過整體分析與實際編程測試，發現影響整體響應速度的關鍵點有兩處，一是智能網格天氣數據查詢，二是依據指標或模型運算出產品的過程。

氣象部門分發的智能網格預報、實況業務產品是一種壓縮二進制編碼格式GRIB2文件，從一個龐大的GRIB2文件中檢索讀取一個點的全要素數據所需時間接近秒級，無法滿足產品實時制作的要求。為提高實時服務時并發訪問的響應速度，選用PostgreSQL數據庫，利用元數據表+三維數組建立時空格點氣象數據存儲方案。PostgreSQL是開源的對象?關系型數據庫系統，通過支持并行性，可伸縮性，冗余/地理冗余和高效的容錯機制、大數據集、文本數據的靈活索引等，具有高可用性、高效率和更好的海量數據處理能力。同時，PostgreSQL具有GIS擴展PostGIS，可以實現空間對象、空間索引、空間操作函數和空間操作符等空間信息服務功能。因而，非常適合具有海量與時空屬性的格點化氣象數據的存儲與快捷訪問，實測檢索速度可提高到毫秒級。

為提高運算環節速度，在將《農用天氣預報服務工作方案》文稿翻譯入農氣指標庫時，應盡可能應用一些簡潔的符號表示各參數之間的邏輯關系，為之后能編寫出盡可能簡潔、高效的軟件提供便利。與指標類農用天氣預報服務方案一般只有一張表不同的是，模式類農用天氣預報服務方案一般會有多張表，如參照國標GB/T 36743?2018《森林火險氣象等級》制定的牧草火險等級預報模式就多達5張表。將這些并不復雜的數據表存放在SQL Server數據庫中進行聯合查詢并不高效，為此將這5張表都保存在一個XML[16]（可擴展標記語言）文件中，使運算速度得到了提升。

載有農用天氣預報的農業氣象服務APP，選擇MUI[22]網站前端框架技術開發，它是一種國內優秀的Hybrid App（混合模式移動應用）開發技術，可實現一套代碼覆蓋Android（安卓）、iOS（蘋果），以及微網站、小程序等多平臺應用。網站開發人員沿用已掌握的Web編程技術就可開發APP，自建APP研發團隊更具備依據農戶反饋不斷迭代升級APP軟件的能力。

2 農用天氣預報云服務平臺實現

2.1 功能研發

農用天氣預報云服務平臺主要分為“資料加工軟件”、“產品云制作軟件”、“農氣服務APP”三大塊（圖3）。

在氣象業務網內設立資料加工服務器，研發定時運行的網格資料入庫軟件，分解GRIB2格式數據上載到位于云服務器的PostgreSQL數據庫；研發積溫、極值、均值、降水或無降水日數等統計數據上載云數據庫軟件，為提高產品云制作效率提供必要的數據基礎。資料加工軟件以C#編程語言的控制臺模式開發，各項功能編寫獨立軟件以Windows計劃任務定時啟動運行。

圖3 農用天氣預報云服務平臺功能模塊

在云服務器提供的Windows Server 2019系統平臺上自行建立PostgreSQL及SQL Server數據庫，通過IIS 10（互聯網信息服務器）建立云服務網站，研發“農氣指標庫管理軟件”網頁，通過網頁建立指標庫并向農氣專家提供指標調整渠道。應用C#編程語言研發“資料獲取”、“指標比較”兩個公共類（子程序），以及各種農作物農用天氣預報制作類，并研發“Web API控制器”軟件，對外以API接口方式提供網址導航，以獲取不同作物的農用天氣預報。

研發的APP軟件從用戶手機GPS模塊讀取經緯度信息，以及用戶點擊選擇的農作物信息，通過云API接口提供給產品制作軟件，制作軟件依據用戶所在位置的天氣數據，以及所選農作物的指標或模型計算出農用天氣預報產品，回傳給用戶手機APP向用戶展示。

2.2 實現技術

依據中國氣象局農用天氣預報業務服務暫行規定，農用天氣預報主要開展農作物重要發育期、關鍵期農事活動的氣象適宜性等級預報，預報結果劃分為Ⅰ級（氣象條件適宜）、Ⅱ級（氣象條件較適宜）、Ⅲ級（氣象條件不適宜）指導農戶開展該農事活動。以釀酒葡萄農事活動氣象適宜性等級預報為例，展示農用天氣預報云計算軟件開發的細節。

首先，將《釀酒葡萄農用天氣預報業務服務工作細則》中的主要指標文字描述（表1中的“服務細則預報指標”項），翻譯成如表2“指標庫數據表”項簡潔、精巧的符號算法。將眾多作物指標加上預報時段匯集在一個數據表保存在云數據庫中，就形成了農業氣象指標庫，簡潔、精巧的指標庫數據結構設計，將會極大地提高云計算速度。

抽取表2中邏輯判斷部分編寫一個公共類（子程序）即可為所有作物專有處理類調用。如圖4所示，Web API接收到用戶手機發來的包括經緯度+作物種類（釀酒葡萄）信息的Url（網址）訪問請求后，首先提取用戶地理位置及所關注作物信息，判斷該種作物是否處在服務時段，不在服務時段時向用戶發送相關提示（如小麥“冬歇期”無農事活動不提供預報服務）。若處在服務時段，則基于用戶地理位置信息從“氣象基礎數據庫”提取天氣預報、實況資料、積溫等氣象信息；根據用戶所關注作物農事活動，從“農氣指標數據庫”提取該農事活動的氣象指標數據，數據準備工作完成后，即對氣象數據與相應指標數據進行比較判斷。若滿足“適宜”條件，向用戶反饋指數1及提示語“適宜開展農事活動”；不滿足“適宜”條件時，繼續判斷是否滿足“不適宜”條件，若滿足“不適宜”條件，向用戶反饋指數3及提示語“不適宜開展農事活動”；若“不適宜”和“適宜”條件都不滿足，則向用戶反饋指數2及提示語“較適宜開展農事活動”。將指數、提示語及其他輔助信息組合成一個Json數據字符串傳發送給用戶，調閱該服務的手機APP獲得該數據后以圖文形式向用戶展示農用天氣預報結果。以模型數據結構計算農用天氣預報，除在判斷部分更加復雜外，其程序流程與基于指標數據結構的農用天氣預報制作流程大致相同。

表1 釀酒葡萄農用天氣預報服務細則

在所有作物云計算軟件研發完成后，即可對外公布各種作物的Web API接口Url，供APP及其他應用軟件調用。圖5是手機APP頁面選擇“釀酒葡萄”調用相應接口，獲得數據并展示“釀酒葡萄農事活動預報”與農氣服務周年服務方案結合頁面的實例。

3 農用天氣預報云服務平臺應用

3.1 軟硬件條件

寧夏農用天氣預報云服務平臺申請寧夏回族自治區政府建設的“電子政府云”服務器建設，讀者也可以租用阿里、亞馬遜等商業云服務器。服務器配置為Intel Xeon（英特至強）2.4GHz雙核CPU、32GB內存、400GB硬盤，獨享20M互聯網帶寬；服務器操作系統為云平臺提供的Windows Server 2019加Internet Information Services 10，數據庫為自行建設的MS SQL Server 2014加PostgreSQL 4.24。云服務平臺軟件采用C#語言，基于ASP.NET框架下的 Web API應用軟件編程接口開發模式研發，API接口輸出數據格式為Json。智能手機APP軟件，基于可跨Android與iOS平臺的MUI前端框架APP編程技術研發。

表2 釀酒葡萄農用天氣預報指標庫數據表

注：1. &、|、（）、＞、｝、＜、｛分別代表與、或、數值區間、大于、大于等于、小于、小于等于；Ｘ代表無此項。

2. 天氣字段中的數值代表天氣符號代碼，如0代表晴、2代表陰、3代表小雨等；風速、氣溫均為實際值。

Note: 1. &, |, (), >, }, <, { represents and, or, a numerical interval, more than, greater than or equal to, less than, less than or equal to, respectively. X represents none.

2. The number in the weather field represents the weather symbol code, such as 0 represents fine, 2 represents cloudy, 3 represents light rain, etc. Wind and temperature are in actual values.

圖4 農用天氣預報指標算法云計算程序框圖

圖5 手機APP農用天氣預報頁面實例

3.2 注意事項

以云計算方式在線制作氣象服務產品所采用的編程技術，都要圍繞著提高計算效率這一核心目的選擇，因為縮短產品反饋時間是提升用戶體驗的關鍵。為此，將云計算軟件集成在Web API接口軟件中開發，將能極大提高計算效率；其次，將更新頻率一天以上的氣象統計資料在后臺提前準備好，也可為提高計算效率做出貢獻。

農用天氣預報產品有一定的適用范圍，寧夏農用天氣預報云服務平臺制作的產品，自然只在寧夏范圍內適用，寧夏的釀酒葡萄服務產品只在賀蘭山東麓葡萄產區適用，小麥、蔬菜等還分南北不同的茬口。因此，在農用天氣預報制作軟件中還應引進不同的地理參數，對提供給不同區域用戶的服務產品加以區分。

3.3 服務效果

農用天氣預報服務作為一項氣象專業服務，以天氣預報、農業氣象指標判斷、模型數據判別為基礎，多基于Windows或B/S結構實現農用天氣預報的自動化和智能化[13?15]，服務對象以黨政決策層和農業部門為主，對農業生產具有很強的指導性。但對農業企業、種植大戶和農民等個體用戶來說，服務的針對性、及時性較弱。本研究研發的平臺通過移動互聯網與云計算技術相結合，基于用戶地理位置與需求（即通過提取用戶地理位置及所關注作物信息），在線制作服務產品并實時分發反饋給用戶，做到“有需才有應”。該平臺解決了農業氣象服務產品海量生產難以分發的痛點，可使計算資源合理化布局、集約管理、按需分配、充分利用，很大程度上節約了人力成本和計算資源，使農業氣象服務業務的布局變得更加高效和專業，是一種氣象服務產品制作方式的創新。

目前，寧夏氣象部門已應用移動互聯網和云計算技術，在寧夏電子政務云上布設了寧夏氣象科技興農網（xnw.nx121.net），以Web API方式對外提供釀酒葡萄、水稻、小麥、玉米、大棚番茄、黃芪、畜草等以及森林草原火險等農用天氣預報云計算數據產品服務。通過網站提供特定點與格點化農用天氣預報服務，并自行研發了農業氣象服務APP“致富寶”，向農業種植大戶提供基于地理位置及所關注作物的農用天氣預報調閱服務，服務惠及寧夏全區農村兩千多家種養殖大戶及一百多家農業生產企業，取得了良好的效益。此項技術有望推廣到更多的公共氣象服務領域，提升氣象服務的精確性與有效性。

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Development of Farming Weather Forecast Service Platform Based on Mobile Cloud Computing Technology—A Case Study on Forecasting of Wine-Grape Farming Activities

GAO Guo-hong1, 2, LIU Yao1, 2, MA Li-wen1, 2, GOU Xiao-hui1, 2, LIU Jian-hong1, 2

(1.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions, CMA, Yinchuan 750002, China; 2.Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction, Yinchuan 750002)

The FTP file transfer method based on traditional TCP/IP protocol and the service mode with one-time production and unified distribution of service products no longer meet the pertinence, diversity, high efficiency requirements of the existing services. In order to reduce redundant farming weather forecast service products, improve the operational efficiency and services pertinence, by adopting internet and cloud computing technology, authors took wine grapes in Ningxia hui autonomous region as an example and developed Ningxia farming weather forecast cloud services platform based on user location and farming activities. Online real time production and distribution of service products were realized in this research. This platform was mainly composed of three parts: data processing software, farming product cloud producing software and agriculture meteorological service APP. The workflow of this platform was as follows: basic data and necessary intermediate data in the Meteorological Service Network were uploaded to the cloud server database, then subroutines such as data acquisition, index comparison and forecast making were used, and finally related farming weather forecast were obtained through the API interface of the established cloud service website. In addition, farming weather forecast products with strong professionalism, time-validity and pertinence based on the user's geographical location were acquired through the developed APP. This platform can greatly improve the objectification, automation level and service product quality of farming weather forecast in Ningxia, as well as can provide references for specialization and fine development in farming weather forecast technology in China.

Farming weather forecast; Cloud computing; Geographical location; Ningxia

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.01.006

高國弘,劉垚,馬力文,等.基于移動云計算技術的農用天氣預報服務平臺研發:以寧夏釀酒葡萄農事活動預報為例[J].中國農業氣象,2022,43(1):61-71

收稿日期：2021?04?29

寧夏回族自治區重點研發計劃項目（2018BEG03068）

通訊作者：劉垚，高級工程師，從事應用氣象服務，E-mail: liuyao314@163.com

高國弘，E-mail: wybggh@163.com