基于GIS的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統研究

李 軒，郭安紅，莊立偉

基于GIS的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統研究

李 軒，郭安紅，莊立偉

(國家氣象中心，北京 100081)

為了將農作物病蟲害氣象等級預報能力擴展到更大空間尺度，根據相鄰和相近農作物種植區域的一致性，進行農作物病蟲害預報模型區域化應用和拓展。建立了氣象等級劃分標準，在Oracle農業氣象數據庫和地理空間數據庫的支持下，采用Visual Basic.NET和GIS組件，設計并實現了基于地理空間信息的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統。該系統可對北方草原蝗蟲、東北玉米螟、江南稻飛虱、黃淮棉鈴蟲、黃淮小麥條銹病、江淮江漢小麥赤霉病和西南地區水稻稻瘟病7大類主要作物病蟲害發生發展氣象等級進行實時預報，取得了較好效果。

地理空間信息;農作物病蟲害;氣象等級預報

0 引言

作為一種重要的空間信息技術，地理信息系統(GIS)在越來越多的信息系統建設中發揮了重要作用。近年來，GIS在氣象領域如農業氣象災害監測、地質災害氣象預報、氣象災害評估、天氣預報以及氣候區劃等方面得到較快的應用和發展［1－4］。由于地理信息系統具有空間信息量大、直觀地可視化表達等特點，提升了氣象監測預報的準確率和針對性。

主要農作物病蟲害的發生發展與氣象條件有著非常密切的關系，氣象因子常常是病蟲害爆發的直接驅動因子。近年來，氣象部門深入開展了主要農作物病蟲害氣象條件等級預報研究［5－11］，分別構建了內蒙古草原蝗蟲發生發展氣象適宜度指數［5］、山東省棉鈴蟲發生趨勢氣象等級預報方法［6］、江蘇省小麥赤霉病氣象條件適宜程度等級預報模型［7］、重慶市稻瘟病發生發展氣象條件等級業務預報技術［8］、吉林省一代玉米螟發生的氣象條件適宜程度等級預報模型［9］、黃河中下游地區小麥條銹病氣象預報模型［10］和江西中南部稻飛虱氣象等級監測預警模型［11］等模型和方法。上述農作物病蟲害氣象條件等級預報模型有明顯的地域局限，無法對相鄰和相近種植區域的農作物病蟲害進行氣象條件等級預報;預報結果氣象等級劃分各不相同，無統一氣象等級劃分標準;無統一的預報系統，不能為病蟲害氣象等級預報科研和業務提供技術支撐。

本文根據相鄰和相近作物種植區域的一致性，把主要農作物病蟲害預報模型進行區域化應用和拓展，將病蟲害氣象條件等級預報形成較大空間尺度上的預報服務能力，建立了氣象等級劃分標準，設計并實現了基于地理空間信息的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統。該系統集成主要農作物病蟲害氣象等級預報方法，在Oracle農業氣象數據庫和地理空間數據庫的支持下，采用Visual Basic.NET和GIS組件開發而成，實現了北方草原蝗蟲、東北玉米螟、江南稻飛虱、黃淮棉鈴蟲、黃淮小麥條銹病、江淮江漢小麥赤霉病和西南地區稻瘟病7大類區域病蟲害氣象等級預報技術的實時運行業務，系統實時運行產品可為區域農業防災減災、農業生產提供決策信息。

1 資料和方法

1.1 資料

病蟲害氣象等級預報是根據病蟲害發生發展所需適宜氣象條件的滿足程度，預報病蟲害發生發展氣象條件等級，是病蟲生存氣象環境條件的預報。主要是依據農作物病蟲害發生發展過程中各生理活動所需的氣象條件指標，定量評判光、溫、水、濕等環境氣象條件對害蟲各生長發育階段和病害發展流行的影響，并進一步利用現代數理統計方法，分析、診斷和預測病蟲害發生發展氣象條件的適宜程度。氣象條件的實時監測預報是農作物病蟲害氣象等級預報的數據支撐，目前氣象資料的實時監測和預報多為基于氣象臺站進行的。“主要農作物病蟲害氣象等級預報系統”涉及到7個區域病蟲害氣象等級預報，為保證系統業務運行的穩定性和可靠性，對每個區域內的氣象站點空間信息進行嚴格選取。

1.2 主要病蟲害氣象等級預報技術方法

通過對每種病蟲害技術［5－11］適用性分析和區域應用，建立并集成了北方草原蝗蟲、東北地區玉米螟、江南地區水稻稻飛虱、黃淮棉鈴蟲、黃淮條銹病、江淮江漢小麥赤霉病和西南地區稻瘟病7類病蟲害的氣象等級預報模型。根據氣象條件對病害發生流行影響的程度建立病害促病指數模型，根據氣象條件適宜病蟲害生長發育的程度建立病蟲害適宜度綜合指數模型，通過病蟲害發生發展氣象等級指標的劃分，預報主要農作物病蟲害發生發展氣象等級。技術路線如圖1所示。

圖1 7類病蟲害的氣象等級預報技術路線Fig.1 Technology way of seven crop disease and pest meteorology levels forecast

1.2.1 預報技術區域化

首先從研究某個地區的蟲害或病害發生發展氣象等級預報出發，研發技術成熟后，根據相鄰地區相同作物的相似性和蟲害或病害生理氣象指標的適用性，把成熟技術推廣到相鄰地區應用。以北方草原蝗蟲為例，首先把內蒙古典型草原區作為主要研發區域，搜集整理內蒙古草原蝗蟲產卵期、越冬期、孵化期等生長發育關鍵期生理氣象指標，建立內蒙古草原蝗蟲發生發展預報因子，研究建立內蒙古草原蝗蟲發生發展氣象等級預報技術;再以內蒙古草原蝗蟲發生發展氣象等級預報技術為核心，通過對相近草原區域草原蝗蟲生理氣象指標適用性分析，建立北方草原蝗蟲(內蒙古—新疆天山北部和東部草原蝗蟲)發生發展氣象等級預報模型。

1.2.2 預報因子的選擇

通過對影響病蟲害關鍵生長發育期、發生程度的氣象因子進行分析，考慮到氣象資料的實時性及氣象因子的有效預報時段，并考慮到業務的可操作性及準確性，得到影響每種病蟲害發生發展的主要預報因子(表1)。各預報因子對病蟲害發生等級的影響程度不一致，因子間存在相互作用，只有在各預報因子均相互獨立時，方能反映其對病蟲害發生等級的影響程度。因此對不同的病蟲害，需要對各自的預報因子進行不同的歸一化處理。

表1 7類病蟲害發生發展的預報因子Tab.1 Predictors of seven crop disease and pest

1.2.3 蟲害適宜度指數/病害促病指數模型

根據預報因子與每種病蟲害發生發展的關系，建立7類病蟲害的蟲害適宜度指數/病害促病指數模型(表2)。

表2 7類病蟲害的蟲害適宜度指數與病害促病指數模型Tab.2 Seven crop disease and pest forecast models

(續表)

以北方草原蝗蟲為例，建立適宜度指數的主要依據有以下幾點［5］:①C4＜1時，代表春季降水較多，地溫較低或降水量過多會限制蝗蟲的生長發育，特別是上年11月至當年4月整體降水量過多會制約蝗蟲的發生發展;②C4≥1時，代表春季降水較少，一般情況下4月降水量小于10 mm，上年11月至當年4月整體降水量較少會促進蝗蟲的發生發展;③根據上述分析，4月降水量和上年11月至當年4月整體降水量在C4值不同時表現不同，取值范圍有所不同，權重系數也不同;④根據歷史發生資料分析，當4月地溫和上年11月至當年4月整體降水量同時適宜時，會極大地促進蝗蟲發生發展，因此，通過數值試驗確定了X1和X3的二次多項式的表達;⑤6月以后進入3齡蝗蝻階段，蝗蟲自主活動能力增強，一定程度上能夠躲避不利條件的影響，對外界適應能力也較強，此時如果不出現較大的氣象災害(如暴雨、霜凍等)蝗蟲發生發展程度變化不大。

1.2.4 病蟲害發生發展氣象等級分級

參照中國氣象局《氣象災害預警信號發布與傳播辦法》有關方法，根據氣象災害可能造成的危害程度、緊急程度和發展態勢確定等級。主要農作物病蟲害氣象等級目前分為3級:一級，氣象條件適宜病蟲害的發生發展;二級，氣象條件基本適宜病蟲害的發生發展;三級，氣象條件不適宜病蟲害的發生發展。

根據上述氣象等級劃分標準，利用蟲害適宜度指數(Z1)或病害促病指數(Z2)對每種病蟲害發生發展的氣象等級進行分級(表3)，分級后即可對病蟲害發生發展氣象等級進行預報。

表3 7類病蟲害發生發展氣象等級分級Tab.3 Seven crop disease and pest meteorology levels scale

1.3 系統設計

1.3.1 系統總體框架

主要農作物病蟲害氣象等級預報系統以7類病蟲害的氣象等級預報模型為核心，以氣象站點為基礎，利用氣象要素實況值和預報值，計算病害促病指數和蟲害適宜度綜合指數，參照各病蟲害發生發展氣象等級分級標準，預報病蟲害發生發展氣象等級，形成病蟲害發生發展氣象等級及其分布范圍。

為了保證系統的可重用性、共享性和擴展性，業務系統采用了層次化的設計思路，系統總體框架由3部分組成:數據層、預報層以及業務服務層。數據層是指現有的數據共享環境，主要涉及農業氣象數據、社會經濟數據以及基礎地理信息數據3類數據;預報層主要提供7類病蟲害氣象等級預報與氣象等級劃分，是系統的核心部分，為業務服務提供了技術支持;業務服務層是面向業務用戶，直接提供服務產品圖形制作。系統框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架圖Fig.2 Framework of system

1.3.2 Oracle 數據庫接口設計

將與主要農作物病蟲害氣象等級預報相關站點氣象數據和地理信息數據都儲存在Oracle農業氣象數據庫和地理空間數據庫中，這就需要解決Oracle數據庫接口問題，在計算機上安裝了Oracle客戶端軟件后需要通過手動方式或客戶端Oracle參數配置工具(net configuration assistant)來配置鏈接數據庫的有關參數，包括提供數據服務的IP地址(HOST)、鏈接的數據庫服務名稱(SERVICE_NAME)等。ADO.net提供平臺互用與可收縮的數據訪問功能，在VB.NET中使用以下字符串來實現連接服務器的Oracle數據庫:

1.3.3 GIS 組件開發設計

1)創建shape數據模型。基于氣象臺站進行病蟲害氣象等級預報的結果以點屬性的地理數據模型輸出，生成shape文檔。編寫 CreateShapefile函數，該函數包括輸入輸出路徑OutPath、shape文檔名稱Shapefile、點坐標位置XY()一維數據類型(Points)、點屬性表Data()二維可變數據類型、字段名稱Title()一維字符類型和點屬性表的行(Cols)、列數(Rows)整型數，返回 IFC(IFeature-Class類)對象。

2)插值算法分析。插值是在離散數據之間補充一些數據，使這組離散數據能夠符合某個連續函數。插值分析是氣象信息處理應用最為廣泛的分析算法之一。

病蟲害氣象等級預報是基于氣象站點的氣象要素進行分析計算的，其預報結果呈離散分布，區域化表達能力較差。病蟲害氣象等級預報結果為3個等級，對其區域化空間插值不具備客觀科學條件，對蟲害適宜度綜合指數或病害促病指數進行空間插值和對實時逐日氣象資料進行空間插值都存在局限性。在本系統中采用關鍵氣象因子空間插值，并對插值后的每個格點進行氣象等級預報，這種方法對結果影響最小而且計算速度快。通過對現有空間插值算法的分析比較，系統選用了插值結果平滑適中、分布趨勢接近實際狀況的IDW插值算法對關鍵氣象因子進行空間插值。

2 結果與分析

2.1 系統功能模塊

系統在Oracle農業氣象綜合數據庫和地理空間數據庫的支持下，基于.NET平臺開發，采用Visual Basic.NET語言，利用GIS組件，實現了數據處理、病害預報、蟲害預報和圖形制作等功能模塊。

1)數據處理模塊。對系統所需的地面氣象要素、氣象臺站信息等數據進行提取、整理，形成標準數據格式。

2)病害和蟲害預報模塊。包括了3種病害和4種蟲害的氣象等級預報，對每種病害或蟲害氣象等級預報，系統都有單獨的菜單進行預報，輸出點數據模型(shp)和柵格數據(grid)，同時對計算結果和中間過程輸出文本文件，以方便數據的對比、查詢和顯示。

3)圖形制作模塊。對病蟲害預報模塊計算出的預報結果點數據模型或柵格數據進行編輯，添加地理信息如省界、行政中心等，制作服務產品專題圖，該模塊具有基本的圖層疊加、放大、縮小、存儲等功能。

2.2 系統應用

“基于GIS的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統”從2008年起就對北方草原蝗蟲、東北玉米螟、黃淮棉鈴蟲、江南稻飛虱、黃淮小麥條銹病、江淮江漢小麥赤霉病和西南地區水稻稻瘟病發生發展氣象等級進行實時預報，在病蟲害發生關鍵時段發布實時業務產品，同時利用系統開展了對政府部門和社會公眾的公益性實時服務。病蟲害氣象等級預報多期產品不僅在“中國氣象局”網站上發布，而且被“新華網”、“問天網”、“興農網”、“中國化肥網”及“中國星火網”等多家網站轉載。圖3給出了應用該系統制作的2010年江淮江漢小麥赤霉病氣象等級預報服務產品專題圖。

圖3 2010年江淮江漢小麥赤霉病氣象等級分布(左)和預報服務產品專題圖(右)Fig.3 Meteorology level forecast distribution(left)and thematic map service products(right)of the wheat scab occurred in Yangzi－Han in 2010

2.3 預報結果分析

2.3.1 結果分析

為了驗證病蟲害氣象等級預報的效果，把2008和2009年的7種病蟲害氣象等級預報結果與實際發生情況進行對比，經過對比分析發現預報結果與發生實況一致，表明系統能夠較準確地預報實時病蟲害發生發展氣象等級，為業務服務提供了技術支持。以2009年北方草原蝗蟲氣象等級預報為例(圖4)，其中實際發生情況是對當年實際發生和防治情況進行搜索整理后繪制而成。

圖4 2009年北方草原蝗蟲氣象等級預報結果(左)與實況(右)對比Fig.4 Meteorology level forecast result(left)and the actual situation(right)comparison of the grassland locusts occurred in northern China in 2009

2.3.2 預報準確率

以2009年北方草原蝗蟲為例，通過收集當年北方草原蝗蟲的實際發生信息來統計各站點的實際發生情況，采用

得到其預報準確率達到75%以上。式中:R為準確率;n為預報與實際相符站的個數;m為實際發生相應級別站個數。詳見表4。

表4 北方草原蝗蟲發生發展氣象等級預報準確率Tab.4 Forecast accuracy of the grassland locusts occurred in northern China

3 結論

1)系統建立了以促病指數和蟲害氣象適宜度綜合指數為預報模型的作物病蟲害氣象等級業務預報技術方法，解決了7大病蟲害發生發展氣象等級預報關鍵技術。

2)系統已于2008年開始業務化運行，在主要農作物病蟲害防治關鍵期和發生發展盛期前提供7大病蟲害發生發展氣象等級預報產品，為國家決策部門和社會公眾提供病蟲害防治重要信息，多期產品被中國氣象局重大信息專報采用，得到了局領導、農業部的認可與好評，取得明顯的服務效益。

3)系統已具備數據管理、人機交互、專題圖制作等功能，但在實際應用中，還存在一些不足之處。由于區域的氣象站點有限，區域插值邊界效果不理想;在產品發布之前，還需要業務人員把預報結果與當地的實況資料進行對比，以確保服務產品的可靠性。因此，在業務服務應用中，還需要對系統功能進行完善和更新。

基于GIS的主要農作物病蟲害氣象等級預報系統實現了病蟲害氣象等級預報業務從零到目前具備7種(草原蝗蟲、玉米螟、稻飛虱、棉鈴蟲、條銹病、赤霉病和稻瘟病)重大病蟲害氣象等級預報的常規業務服務能力，提升了農業氣象業務服務能力，為農業氣象業務開拓了新的服務領域，為農業氣象業務和科研發展做出了積極貢獻。

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The Main Crop Diseases and Pests Meteorology Level Forecast System Based on GIS

LI Xuan，GUO An－hong，ZHUANG Li－wei
(National Meteorological Center，Beijing 100081，China)

In order to improve the forecast capability of the meteorology level forecast system for different crop disease and pest meteorology levels and makes it fit for regional scale，this paper extended several crop disease and pest forecast models and applied them to different regions according to the consistency of crop planting areas，and also established a new division standard of weather rating.The system is developed by using VB.net and GIS component and on the basis of the data platform composed of agriculture meteorology database constructed by Oracle9i and geographic spatial database.This system was used to forecast seven disasters，i.e.，the grassland locusts existent in northern China，the corn borer existent in northeast China，the planthopper existent south of the Yangtze River，the helicoverpa armigera existent in Huang－Huai(Yellow River－Huaihe River)plain，the wheat stripe rust existent in Huang－Huai plain，the wheat scab existent in Jiang－Han plain，and the crop blast fungus existent in southwest China，and achieved relatively satisfactory results.

geospatial information;crop diseases and pests;meteorology level forecast

TP 79:X 833

A

1001－070X(2012)01－0104－06

10.6046/gtzyyg.2012.01.19

2011－04－26;

2011－07－28

李 軒(1976－)，女，工程師，主要從事農業氣象科研與業務、GIS應用與系統開發等方面的工作。

E － mail:xl_xuan@hotmail.com。

(責任編輯:李 瑜)