生態與農業氣象自動觀測系統設計

吳蘇 吳冬麗 闕艷紅 康義 李文雅 李炎朋 劉立業

摘要：為了解決當前面臨的生態與農業自動觀測應用問題，亟須設計開發一套生態與農業氣象自動觀測系統，實現植被生態自動觀測儀、遙測式自動土壤水分觀測儀、農業氣象觀測站、自動土壤水分觀測儀等監測設備的數據采集、傳輸、質控、存儲、分發、查詢、統計、分析加工、展示等。通過對生態與農業氣象觀測數據收集、數據解析與處理分析、數據應用等子系統的設計開發，實現了目前部分省份生態與農業氣象自動化觀測與分析應用。結果表明，該系統的應用，提升了我國生態與農業氣象自動化觀測能力與水平，為全面推廣應用提供基礎。

關鍵詞：生態與農業氣象；土壤水分；農業氣象觀測

中圖分類號： TP311 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0105-04

近年來隨著全球氣候變暖加劇，城市規模快速發展，氣候連續多年干旱及水資源形勢嚴峻等因素的影響，我們面臨著水資源匱乏、蒸發量加大、生態環境功能和植被退化等諸多氣候生態環境問題[1]。從保護生態系統功能及其穩定性方面考慮，迫切需要在一些關鍵區域建立生態氣象觀測站，建設生態與農業氣象自動觀測系統，構建生態與農業自動觀測站網[2]，實現觀測植被、作物、土壤等方面的數據觀測，開發農田、濕地、森林、草原、湖泊等不同生態系統功能區的植被指數、土壤水分等服務產品[3-4]，支持天氣氣候、氣候變化對生態影響的評估預警工作[5]。同時，生態與農業氣象自動觀測系統作為山洪地質災害防治氣象保障工程中的配套軟件[6-8]。目的在于提升我國生態與農業氣象植被長勢自動觀測水平及中尺度土壤水分觀測水平，為生態與農業環境氣象監測評價體系提供決策支持[9]。

因此，設計開發一套面向國家、省、市多級用戶的生態與農業氣象自動觀測系統軟件，實現植被生態自動觀測儀、遙測式自動土壤水分觀測儀、農業氣象觀測站、自動土壤水分觀測站等監測設備的數據采集、收集、傳輸、質控、存儲、分發、查詢、統計、加工分析等，制定統一的數據交換標準化體系，建設生態與農業氣象觀測數據庫，實現多項業務數據的融合兼容[10]。

1 總體設計

依托公有云平臺，實現所收集的生態與農業氣象數據包括植被生態、土壤水分、農業氣象等數據及加工分析產品的存儲。開展B/S架構的應用系統開發，挖掘生態與農業氣象數據價值，實現對生態與農業氣象數據的綜合應用。采用文件、API函數接口等多種方式實現生態與農業氣象數據資料的共享，初步建立生態與農業氣象數據和產品為中心的生態與農業環境氣象監測平臺圈[11-12]。

1.1 總體架構

系統總體架構由數據采集層、網絡設施層、數據層、基礎支撐層、應用層和用戶群組成。數據采集層負責數據的采集和收集，應用服務系統架構采用B/S體系，利用中間件將其分為應用層、基礎支撐層和數據層三個不同的處理層次。中間件作為構造三層結構應用系統的基礎平臺，提供以下主要功能：負責設備端與服務器、服務器與服務器間的連接和通信；實現應用與數據庫之間的高效連接；提供一個三層結構應用的開發、運行、部署和管理的平臺。這種三層結構在層與層之間相互獨立，任何一層的改變不會影響其他層的功能。在B/S體系結構系統中，用戶通過瀏覽器向應用服務器發出請求，服務器對瀏覽器的請求進行處理，將用戶所需信息返回到瀏覽器。而其余如數據請求、加工、結果返回以及動態網頁生成、對數據庫的訪問和應用程序的執行等工作全部由Web Server完成[13]。

1.2 業務架構

項目各子系統之間相互支撐，共同構成生態與農業氣象自動觀測系統的穩定運行。通過數據收集子系統和數據解析與處理分析子系統完成各個觀測站的數據收集、整理、質量檢查、存儲入庫和報文上傳。通過數據應用子系統和信息管理子系統完成所有信息資源的展示、運行監控、數據檢索、統計分析、基本信息管理、配置管理和系統管理等。同時該項目支持接入氣象內網，支持資源集約化和數據共享。

1.3 部署架構

各省份安裝部署的植被生態自動觀測站、遙測式自動土壤觀測站按照標準協議格式通過4G網絡傳輸的方式直接推送至公有云服務器，農業氣象觀測資料、生態環境觀測資料等可利用共享報文通過FTP推送至公有云服務器，之后所有數據資料推送至互聯網DMZ區，部署在內網的數據收集軟件抓取至內網資源池，之后推送至氣象大數據云平臺的共享存儲服務器中。同時，部署在內網的數據收集服務器通過氣象大數據云平臺提供的接口獲取衛星輔助觀測資料、地面輔助觀測資料、探空輔助觀測資料，產品加工流水線上部署的數據接收處理軟件在收到數據資料后，進行質量檢查、解析處理后，存儲入數據庫，為應用服務系統提供原始數據基礎。業務應用系統根據用戶需求從數據庫中獲取信息制作服務產品，同時將應用服務產品反饋到前端頁面提供給用戶。

1.4 數據流圖

試點省份部署的植被生態觀測數據和區域水分觀測數據按照標準文本協議格式直接通過4G網絡傳輸至公有云數據接收端，農業氣象觀測資料、生態環境觀測資料通過報文推送的方式傳輸到公有云數據接收端，推送至互聯網DMZ區，經由數據接收端抓取至氣象內網中，之后推送至內網的共享存儲單元。同時，氣象大數據云平臺內的衛星輔助觀測資料、地面輔助觀測資料和探空輔助觀測資料通過接口由氣象內網部署的數據接收模塊獲取后，由產品加工數據處理單元分別對不同的資料類型進行處理解析，之后存儲入數據庫。產品制作模塊根據需要的資源類型，分別制作相關產品，同時業務應用處理模塊根據不同的應用服務，分別從數據庫和產品庫中獲取資源，提供給終端用戶展示相應的產品信息。

2 設計方案

2.1 生態與農業氣象數據收集子系統

該子系統主要完成觀測數據的采集和收集，主要包括生態與農業氣象自動觀測數據采集，遙測式自動土壤水分觀測數據采集，農業氣象數據資料收集，生態環境數據收集，通信及遠程交互，氣象大數據云平臺內輔助觀測資料收集。該數據收集子系統可分為兩套數據收集軟件，分別部署至公有云服務器和氣象內網服務器上。公有云數據收集軟件主要完成觀測數據采集和外部數據收集功能。氣象內網數據收集軟件主要完成氣象大數據云平臺內的觀測資料獲取。

（1） 生態與農業氣象自動觀測數據采集模塊

主要完成植被生態自動觀測儀、農業氣象觀測站傳輸的實時數據和圖片的接收。主要包括設備端識別數據、高度、葉面積指數、植被指數等數據[14]。

（2） 遙測式自動土壤水分觀測數據采集模塊

主要完成遙測式自動土壤水分傳輸的區域土壤水分實時數據的接收。主要包括中子數、區域體積含水量、各層次體積含水量、氣壓等數據。

（3） 自動土壤水分數據收集模塊

完成自動土壤水分觀測資料的收集整理。主要包括各層次土壤溫度、土壤濕度、土壤體積含水量等資料。

（4） 生態環境數據收集模塊

完成生態環境觀測數據的收集整理。主要包括水體環境、氣象環境、土壤環境、植被群落等觀測資料。

（5） 農業氣象觀測數據收集模塊

實現農業氣象觀測數據的收集整理。主要包括作物長勢圖片和作物長勢識別資料。

（6） 通信及遠程交互模塊

完成設備端與上位機軟件之間的通信傳輸及遠程交互功能。

（7） 氣象大數據云平臺輔助觀測資料收集模塊

完成衛星輔助觀測資料、地面輔助觀測資料和探空輔助觀測資料的數據獲取，通過提供的氣象大數據云平臺數據資料接口可獲取資料信息，之后經過數據處理后，存儲入數據庫中。

2.2 數據解析與處理分析子系統

（1） 數據解析模塊

能夠根據數據通信協議進行解析，如果是加密數據，則進行解密處理。能夠完成對規定格式的共享文件進行解析處理。

（2） 質量控制模塊

參照中國氣象局發布的氣象行業標準進行數據質量控制，輸出規定格式的數據和質量控制信息。系統質量控制內容包括格式檢查、缺測檢查、界限值檢查、主要變化范圍檢查、內部一致性檢查、時間一致性檢查、質量控制綜合分析以及數據質量標識[15]。

能夠針對收集到的圖片進行質量檢查，主要包括格式檢查、缺測檢查和完整性檢查。

（3） 圖像識別模塊

完成對收集到的圖片進行識別分析，完成對植被群落結構、物候期、長勢、密度、蓋度、冠層高度、生長狀況評定、葉面積指數等生長特征要素的自動計算及存儲。

（4） 數據處理入庫模塊

該模塊主要針對經過質量檢查后的數據按照傳輸協議要求的數據傳輸格式進行解析處理，并存儲入庫。并且將原始數據及進行數據質量控制后的數據，按協議解析后進行入庫存儲，作為業務應用系統的數據源。

（5） 報文生成及上傳模塊

該模塊主要按規定格式生成報文文件并進行匯總打包，通過FTP方式定時自動上傳報文文件到指定的FTP服務器，上傳間隔按報文時效性要求可進行設置。

（6） 數據共享模塊

實現數據資料的共享和信息交換。通過FTP和API等多種方式提供數據和服務產品資料共享，并提供二次開發接口。

（7） 產品制作加工模塊

主要實現植被指數NDVI、葉面積指數LAI、葉綠素含量、土壤水分等算法計算及制作加工，以及葉面積指數、土壤水分、植被指數等星地融合產品的制作加工。

2.3 數據應用子系統

數據應用子系統主要包括運行監控模塊、信息檢索模塊和產品生成模塊。

（1） 運行監控模塊

運行監控主要包括站點地圖監控、站點到報監控、設備狀態監控、數據質量監控、視頻圖像監控、實時數據監控等信息的展示。

（2） 信息檢索模塊

信息檢索模塊主要分為數據檢索和圖像檢索。數據檢索主要針對植被生態觀測、區域土壤墑情、農業氣象觀測、自動土壤水分觀測等數據資料以不同條件范圍的檢索，并以圖表形式展示。圖像檢索主要對作物長勢、植被群落結構等圖像等以不同條件范圍的檢索，并以視圖形式展示。

（3） 產品生成模塊

產品生成模塊主要針對加工后的產品展示，主要包括植被長勢分析、農作物長勢分析、區域水分統計分析、站點到報分析、數據融合分析等。

1） 植被長勢分析

植被長勢分析指分析某段時間內植被高度、密度、蓋度、植被指數、葉面積指數、物候識別結果等的變化趨勢。以圖表方式展示，且能夠以色斑圖形式展示植被指數、葉面積指數、物候期等的分布情況。

2） 農作物長勢分析

農作物長勢分析指分析某段時間內的作物蓋度、植株密度、冠層高度、葉面積指數、觀測作物、發育期等的變化趨勢情況。以色斑圖形式展示。

3） 區域水分統計分析

根據某時間段內區域土壤水分變化趨勢，統計分析土壤墑情分布、降水分布、干旱指數、澇漬指數變化情況。以色斑圖形式展示。

4） 站點到報分析

統計條件范圍內站點數據的到報率和完整率情況。可以省、市和時間段為條件查詢。以圖表形式展示。

5） 數據融合分析

根據衛星輔助觀測資料、地面輔助觀測資料和探空輔助觀測資料，與各試點的葉面積指數、土壤水分、植被指數等觀測結果及農氣觀測資料、土壤水分觀測資料分別進行信息融合，得到葉面積指數、土壤水分、植被指數等融合產品，以色斑圖形式展示。

3 結論

目前已完成生態與農業氣象自動觀測系統的設計及開發應用，并已在內蒙古、安徽、陜西、福建、四川5個省份進行試運行。結果表明，該系統的應用提高了當地生態與農業自動化觀測服務水平，提升了觀測數據分析與應用能力，對生態與農業環境監測評價提供數據支持，對實現全國生態與農業環境監測自動化推廣應用提供基礎。

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【通聯編輯：梁書】