基于B/S架構的土壤墑情自動監測系統

周偉　葉杰　沈偉　張瑩　葉劍　周紫陽

摘要：為連續監測土壤墑情變化，提高農業氣象災害應急觀測能力，宿遷市氣象局從2009年開始進行土壤水分觀測儀的建設試點工作，在硬件建設的同時，開發了基于B/S架構的土壤墑情自動監測系統。該系統可提供實時瀏覽、圖表、色斑圖等多種查詢方式，查詢各站點各時段土壤水分變化、分布情況，更好地發揮了土壤水分觀測資料的應用價值，可為各級政府及農業部門提供科學的決策依據。

關鍵詞：B/S架構：土壤墑情：自動監測系統

土壤水分是氣候、生態和農業系統的關鍵要素，隨著近年來全球變暖氣候異常的加劇，各種極端天氣現象不斷增多，特別是干旱、洪澇對農業生產帶來很大的影響。傳統的土壤墑情觀測往往以人工為主，準確率較低，時效性也不好，為滿足新時期抗旱工作的需要，連續觀測土壤墑情變化，宿遷市共建成7個DZN1型土壤水分觀測儀，在土壤墑情監測中發揮著越來越重要的作用。如何使用土壤水分觀測儀所采集的數據為農業生產服務，開發基于WEB頁面的土壤墑情自動監測系統，已成為當務之急。

1.DNZ1型自動土壤水分觀測儀

上海長望氣象科技有限公司生產的DXN1自動土壤水分觀測儀，應用頻域反射法（FDR）原理來測定體積含水量，它由傳感器發出100 MHz高頻信號，傳感器電容（壓）量與實測層次土壤的介電常數呈函數關系。由于水的介電常數比一般的介電常數要大得多，所以當土壤中的水分變化時，其介電常數也相應變化，測量時傳感器給出的電容（壓）值也隨之變化，這種變化量被CPU實時控制的數據采集器所采集，經過線性化和定量化處理，得出土壤水分觀測值，并按一定的格式存儲在采集器中。

自動土壤水分觀測儀能實時自動采集8個土層深度的土壤水分數據，分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，每隔1min讀取測量結果，每10個測量數據作質量控制后的算術平均即為該10min的觀測值，1 h內6個10min觀測值的算術平均即為該小時觀測值。自動土壤水分觀測儀可以方便、快速地在同一地點進行不同層次的土壤水分觀測，獲取具有代表性、準確性和可比較性的土壤水分連續觀測資料。

2.土壤墑情自動監測系統的技術結構

宿遷市土壤墑情自動監測系統采用分層和模塊化的設計方法，依托DzNl自動土壤水分觀測儀的采樣數據，按照B/S（瀏覽器/服務器）架構設計，服務端是系統數據庫，采用SQL Server 2008 R2開發，數據庫中存放各種土壤信息資料，包括體積含水率、相對濕度、重量含水率和水分貯藏量等數據，服務端維護升級方便，適合多用戶同時在線訪問。系統數據從架構上分為源數據層、基礎質控層、基礎數據層和產品數據層（圖1）。

3.系統主要功能

用戶輸入具有權限的用戶名和密碼，進入宿遷市土壤監測系統，主界面左邊為導航欄，點擊可以切換不同的界面功能，分別有實時數據查詢、歷史數據查詢、土壤圖表對比分析、色斑圖等6部分功能模塊。

3.1實時和歷史數據查詢功能

根據業務工作需要，選擇所需查詢的站點、土壤信息和時間區間，系統將顯示所需時段的土壤體積含水量、相對濕度、重量含水量和水分貯藏量等數據。并按氣候極值檢查、內部一致性檢查、空間一致性檢查對原始數據作質量控制，剔除錯誤數據，使輸出的數據更加貼近真值（圖2）。

3.2土壤數據對比分析功能

根據業務工作需要，可以選擇多時次、多站點的土壤觀測數據，系統將自動形成各個站點變化曲線圖，直觀地輸出每個站點的變化趨勢以及站點間的土壤信息對比，并可輸出到Excel表格，便于對觀測數據的后續使用和分析。

3.3土壤墑情色斑圖功能

為了更直觀地反映宿遷市土壤墑情分布狀況，系統采用了色斑圖方式來標注土壤墑情特性（圖3）。干旱指標依據中國氣象局農業氣象觀測規范的標準，即以20 cm土層的土壤相對濕度分別降至60%、50%、40%以下作為輕、中、重旱的標準。系統利用編程調用Golden software surfer 8.0函數來實現色斑圖的繪制，具有很強的移植性。

氣象服務人員可以根據全市土壤相對濕度色斑圖和土壤相對濕度表，結合當前農作物所處發育期進行作物生長影響評價，并根據未來天氣形勢，提出針對農業生產的分析建議，以文字、圖形、表格形式定期發布全市土壤墑情監測信息。

3.4干旱預警功能

系統根據全市各土壤水分站點進入不同干旱等級的時間為截點，以短信、界面提示等方式提醒相關業務人員，業務人員依據預警信息和系統監測資料，及時向相關部門和領導發布干旱預警信息，確保氣象部門能夠在第一時間發現旱情，提高氣象部門在旱情發生時的預警時效性。

4.土壤墑情自動監測系統的應用

土壤墑情自動監測系統的建成可以快速準確地收集土壤墑情信息，提高了觀測時效，消除了人工讀數誤差，減輕了基層氣象臺站工作人員勞動強度，符合氣象觀測現代化的發展方向，對提高觀測資料匯集的自動化、規范化、業務化程度，起到極大的推動作用。近一年來，土壤墑情自動監測系統已應用于農業氣象周報、干旱服務材料、凍土深度、降雨滲透深度服務等方面，在實際應用中，得到了當地政府和農業部門的高度肯定，進一步提升了宿遷市氣象為農服務水平，有效發揮了觀測資料的應用價值。