自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的功能與設計

□ 張友安

農業(yè)是我國國民經濟的基礎，農業(yè)氣象服務工作能夠有效促進現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展。近年來，我國越來越重視農業(yè)氣象工作的發(fā)展，已經初步形成了以全國－省－市－縣為等級的農業(yè)氣象服務體系，加大了對農業(yè)生產和應對氣候變化的管理力度。在高科技迅猛發(fā)展的過程中，農田也逐漸呈現(xiàn)出安全、高效和生態(tài)的發(fā)展趨勢，對農業(yè)區(qū)氣象觀測工作的要求也越來越高，建立針對性和實時性強、服務水平高、內容豐富的農業(yè)氣象系統(tǒng)成為農業(yè)發(fā)展的必然需求，因此，研究自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)功能與設計具有非常重要的意義。

一、自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的總體設計

重點解決急需、成熟性、通用性、可靠性和模塊化組態(tài)設計是自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)在設計過程中遵循的基礎原則，構建該系統(tǒng)的主要目的就是滿足農業(yè)氣象業(yè)務需求，彌補人工觀測在觀測作物及其他觀測項目中的不足［1］。系統(tǒng)傳感器應用了當前較為成熟的技術，可替代性較強，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行，并對觀測傳感器的功能進行進一步的優(yōu)化。本研究將水稻、小麥、棉花和玉米四類主要糧食和經濟作物為主要觀測對象，從農業(yè)氣象災害、農田小氣候、作物生長發(fā)育及土壤水分等觀測項目入手，探究自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的功能與設計。

軟件及硬件系統(tǒng)是構成自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的兩大部分，其中前者由信息處理與應用軟件、數(shù)據(jù)自動采集與控制軟件兩部分構成，土壤水分自動觀測傳感器、作物生長CCD自動采集傳感器、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器等其他系統(tǒng)共同構成了硬件系統(tǒng)。在研究過程中，主要針對水稻、棉花、玉米及小麥四種置于不同生態(tài)區(qū)的作物，對人工觀測、自動觀測方式及自動識別算法、自動觀測方法進行對比，探究在不同氣候區(qū)中設備的適應性。自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的總體設計思路如圖1所示。

二、自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

(一)農田小氣候觀測設計與觀測要素。農田小氣候觀測子系統(tǒng)在設計過程中充分顧及了高稈及矮稈作物的差異，為了全面體現(xiàn)不同氣候區(qū)的氣象要素及其分布，可以采取在作物頂、中及底部設置傳感器的方法。針對高稈作物，其頂部約為3米高，中部為1．5米，而矮稈作物頂部約為1．5米高，中部為0．6 米，但二者底部高度均為 0．05 米［2］。作物干旱、農田蒸發(fā)和光合作用同頂部氣象分布特點有很大的關系，而作物灌溉狀況由中部高度決定，底部拔節(jié)高度對晚霜凍非常敏感。所以在研究過程中，若農田地段采取高稈、矮稈作物輪作的方式，應將傳感器安置的位置劃分為四個層次，若僅為矮稈作物，則可以將傳感器的設置分為三個層次，即頂部(1．5 米)、作物結實部位(0．6 米)、底部(0．05 米)。

作物上方氣象條件、農田內氣象條件是農田小氣候觀測系統(tǒng)的兩個側重點，根據(jù)觀測結果可以將相關的參考數(shù)據(jù)用于農業(yè)氣象災害風險評價、作物生長氣候評價等方面。自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的氣象要素主要包括不同高度層的光合作用、濕度、溫度和風速等。

圖1 自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的總體設計思路

圖2 自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)結構分布狀況

(二)作物生長自動化觀測系統(tǒng)設計。圖像自動識別處理、自動采集作物生長信息是構成作物生長自動化觀測子系統(tǒng)的兩大部分，其中信息采集工作可以借助CCD圖像傳感器的功能來完成，要想保證作物生長率判斷的準確程度，必須要加強對圖像傳感器的分辨率、高度和焦距等因素的控制［3］。本研究中自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)構建的基礎就是三維模擬軟件，同時結合了外場試驗結果，對傳感器技術指標進行明確。作物密度、株高的自動觀測的共同點是都應用了圖像處理技術，不同點是二者分別通過數(shù)理統(tǒng)計、攝影測量學來實現(xiàn)，而作物的發(fā)育圖像自動觀測則是以圖像處理技術為前提，將圖像信息和作物生長特點有機結合起來獲得的結果。

(三)自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)綜合集成技術。開放性是自動農業(yè)氣候觀測系統(tǒng)突出的特點，該系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構成，包括大量觀測傳感器，各個子系統(tǒng)均能夠獨立運行。自動農業(yè)氣候觀測系統(tǒng)的設計與開發(fā)主要依靠的是CAN、CAN-open技術，借助積木化智能硬件組態(tài)方式及控制器局域網絡總線技術，形成針對農業(yè)氣象的標準化、開放化的CANopen協(xié)議，將各種觀測要素進行整合，能夠簡便、靈活地對各個采集器進行調節(jié)。自動農業(yè)氣象觀測站的關鍵就是綜合處理子系統(tǒng)，具備通信、統(tǒng)計、采集和控制等多項功能，可以向數(shù)據(jù)中心站傳輸各類數(shù)據(jù)信息，能夠實時儲存、傳輸龐大的信息量［4］。自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)結構分布詳見圖2。

(四)土壤水分自動化觀測系統(tǒng)設計。當前農業(yè)氣象觀測服務采用的一種關鍵技術就是FDR頻域反射技術，以此技術為基礎形成的傳感器在土壤水分自動化觀測子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，傳感器可以保證體積含水率的標定誤差為正負2．5%。自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)參考人工土壤水分觀測標準，將土壤中的傳感器分布狀況劃分為8個層次，即10厘米處的土壤表層，20與30厘米處的耕作層，40、50與60厘米處的中層土壤，80與100厘米處的深層土壤。在實際觀測過程中，則需要結合不同狀況合理設定傳感器的數(shù)量和分布狀況。

(五)自動農業(yè)氣象觀測信息處理與應用系統(tǒng)設計。對作物生長發(fā)育、生長勢頭等圖像進行實時性的顯示，并對土壤水分觀測資料與農田小氣候觀測資料進行處理是自動農業(yè)氣象觀測信息處理與應用系統(tǒng)的兩大作用，還能夠對系統(tǒng)中的各項觀測設備和儀器進行監(jiān)控，當出現(xiàn)異常情況時啟動報警功能，保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運行。在制定農業(yè)生產決策時，可以在系統(tǒng)中調取以往相關的數(shù)據(jù)信息，對不同要素進行組合對比分析，統(tǒng)計農業(yè)災害信息。自動農業(yè)氣象觀測信息處理與應用系統(tǒng)設計平臺建立在Oracle、SQL數(shù)據(jù)庫技術的基礎上，可以對各項觀測數(shù)據(jù)的結構、存儲格式進行處理，從而顯示田間觀測圖像，完成農業(yè)氣象觀測報表的制作，提供更多的農業(yè)氣象服務。

三、結語

在農業(yè)氣象觀測要素的基礎上，結合農業(yè)氣象業(yè)務需求而設計的自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)，針對田間氣象及作物生長要素進行觀測，可以動態(tài)掌握農作物生長、發(fā)育的整個過程，具有準確、實時、高效的優(yōu)勢。自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)中自動檢測設備在觀測頻率、內容的豐富性等方面明顯優(yōu)于常規(guī)人工觀測法，實現(xiàn)了定性觀測向定量觀測的轉化，在一定程度上還降低了觀測工作人員的工作量，不必進行大量的野外觀測工作，使得成本投入減少，提高了觀測數(shù)據(jù)的準確性，推動現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展。

［1］黎家宜，胡萌琦，林宗桂．農業(yè)氣象自動觀測站的建設及管理［J］．氣象研究與應用，2008，4

［2］張雪芬，薛紅喜，孫涵，曹治國等．自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)功能與設計［J］．應用氣象學報，2012，1

［3］劉志平，孫涵等．農業(yè)氣象自動觀測原理樣機的研制［J］．安徽農業(yè)科學，2010，17

［4］韓雪盈．自動氣象站質量監(jiān)控系統(tǒng)設計應用分析［J］．北京農業(yè)，2014，24