山西省農業氣候資源區劃服務系統開發與應用

李海濤　武永利　相棟　趙永強　劉文平

摘 要：為了實現山西省區域農業氣候資源的合理開發和利用，利用山西省109個縣市1961—2010共50年的氣候資料和DEM高程數據，以及搜集到的農業氣候資源區劃指標、農作物種植適宜性氣候區劃指標，基于GIS技術和小網格推算模型完成高分辨率的農業氣候、優勢和特色農業及經濟林果的氣候區劃，建立了適合山西省的精細化的農業氣候資源區劃服務系統。基于該系統，完成了對山西省氣候區劃、農業氣候區劃和作物氣候區劃的研究，生成了不同種類作物的區劃圖。該結果可以為山西省相關部門進行決策提供參考和依據。

關鍵詞：農業氣候區劃；作物區劃；服務系統；B/S架構

中圖分類號：S162.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.026

在20世紀70年代末80年代初，山西省曾進行過全省范圍的農業氣候區劃工作，為山西省農業的合理布局和農業產量的穩步增加作出了一定的貢獻。隨著農業生產環境的變化，原有農業區劃產品已不適應新時代農業生產發展的需求，客觀上需要更科學、更精細的農業氣候區劃產品。近年來，許多學者也開展了針對山西省的氣候區劃研究——謝愛紅、王士猛等（2004）在對山西省62個氣象臺站資料插值的基礎上，利用SPSS進行了山西省氣候區劃；韓錦濤和李素清（2006）基于山西省109個縣的多年統計資料的平均值，應用聚類分析對區域的農業氣候資源的綜合開發進行了區劃；趙海英、栗錫齡等（2009）在介休市33個觀測點的基礎上，用物候指標對該市氣候情況進行了初步研究；趙永強、武永利等（2013）基于DEM高程數據建立了山西省農業氣候資源集。但是到目前為止，還沒有一個全面的服務于山西省氣象業務的農業氣候資源區劃服務系統可以涵蓋氣候區劃、農業氣候區劃、農業氣候資源分布和作物區劃，同時可以實現自助區劃。

1 數據資料和系統開發環境

1.1 數據資料

數據資料有山西省109個氣象站1961—2010共50年的常規氣象資料（建站晚于1961年的從建站資料開始），山西省、市、縣的shp矢量文件，分辨率為90 m×90 m的SRTM DEM 數據。資料來源于山西省氣候中心。

1.2 系統開發環境

所需的最低硬件環境為：企業級專用服務器、雙核處理器，主頻在2.2 GHz以上，1 G內存，獨顯（512 M），120 G 硬盤。

所需的基本軟件環境如下所示。

數據存儲部分：sqlserver2005企業版；

地圖服務處理發布部分：aspmap4.7；

Web程序部分：.net4.0類庫+IIS6.0服務器+Office2003+Silverlight4.0運行時+Silverlight4.0擴展包+Microsoftajaxlibrary+ArcGISAPIforSilverlight2.0；

操作系統：Windows Server 2003 Enterprise Editionserverpack2；

數據調用：IDL交互式程序語言。

1.3 系統開發技術流程

系統開發技術流程為：①通過實地考察調研、與當地有關人員座談等方法了解各地的優勢農業、特色農業、經濟林果和主要氣象災害等，確定區劃對象、區劃指標；收集數據資料并進行整理，然后導入農業氣候資源區劃服務系統。②基于數字高程模型（DEM），采用多元回歸法和小網格推算法構建面域上的山西省氣候要素（分辨率90 m×90 m），結合各區劃指標開展山西省氣候區劃、農業氣候區劃、農業氣候資源分布和作物區劃，并對區劃結果進行檢驗。③將區劃結果存放于區劃結果數據集中。系統建立之后，工作人員可基于Web平臺對農業氣候資源及區劃結果進行發布、制圖、輸出，也可以根據需要進行自助式農業氣候區劃，以方便開展專題服務或其他咨詢服務。系統開發技術流程如圖1所示。

2 區劃系統架構與功能

2.1 系統框架設計

采用一種創建交互式網頁應用的AJAX網頁開發技術，并采用C#語言來編程，使用Asp.Net作為開發控件，結合 SQL2005數據庫技術和IDL交互式語言軟件來構建系統平臺。

整個系統采用三層B/S結構模式，包括數據層、服務層和客戶層。其中，數據層負責存儲數據，是獲取系統所需原始數據的操作層，是操作數據，為業務邏輯層或表示層提供數據服務的基礎；服務層是核心部分，主要是針對數據訪問層具體問題的操作，對數據業務的邏輯處理；客戶層主要是對用戶請求的接受以及數據的返回，為客戶端提供應用程序的訪問。

2.2 系統功能設計

系統分設一般用戶和管理員用戶兩種登錄方式。其中，一般用戶登錄后僅顯示“區劃成果”和“退出系統”兩個功能模塊，只有瀏覽和下載本地區區劃結果的權限；管理員用戶登錄后，系統界面右上方顯示6個功能模塊，即基礎數據、圖件資源、自助區劃、區劃成果、系統維護、退出系統，以便進行修改和完善。

2.2.1 基礎數據

該部分包括統計數據、行政區域數據和觀測數據。統計數據包括所有的基本數據，比如溫度、降水、日照、農業氣象災害等；行政區域數據包括社會總產值GDP、人口、農田受災面積、受災人口等；觀測數據包括31個農氣站實時觀測的農作物生長發育日期、長勢等。

2.2.2 圖件資源

該部分包括柵格化后的所有基礎信息數據、農業氣候資源基本信息數據、農業氣象觀測資料數據、土壤類型數據、衛星遙感影像數據、農業區劃等圖件數據。

2.2.3 自助區劃

自助區劃模塊可對新作物進行區劃，只需在“區劃DIY”對話框中編輯執行該作物的區劃指標即可。例如，有一種新的作物——紅薯，它與“1月平均氣溫”和“7月下旬降水”關系密切，在變量列表中選擇這兩個變量，然后在公式編輯框編輯區劃指標，最后點擊“執行”區劃。除此之外，也可以對已有作物重新區劃。

2.2.4 區劃成果

區劃成果包括農業區劃、降水資源、熱量資源、光能資源等，用戶可在該模塊下制圖和下載區劃結果圖。除上述功能外，系統還可對矢量圖、柵格圖、數據高程圖（DEM）、注記和屬性數據進行以地理表達式為條件的邏輯查詢，以及涉及不同圖件和屬性數據的綜合查詢、統計，且可完成圖像的打印輸出。

3 區劃結果與分析

3.1 氣候區劃

計算了山西省平均氣溫以及穩定通過 0 ℃、5 ℃、10 ℃的初終日、持續日數和積溫，山西省降水量和日照時數的年、季分布情況以及年際變化，以期揭示山西省熱量資源、降水資源和光照資源的分布特征和變化規律。

采用日平均氣溫穩定大于或等于10 ℃期間的積溫、極端最低氣溫的多年平均值作為參考指標，以年濕潤指數為干濕區劃分的主要指標，以年降水量為輔助指標，引用《中國氣候新方案》中的指標，使之更適合山西省的氣候特點。根據指標，將山西省分成了7個氣候區，具體如圖2所示。表1所示為山西省氣候區劃指標。

3.2 農業氣候區劃

利用山西省109個縣市多年的氣候資料，在干燥度指數自然分區的基礎上，結合熱量指標（即年均氣溫），確定了區域農業氣候綜合開發和區劃的指標，將山西省劃分為6個農業氣候區，具體如圖3所示。表2所示為山西省農業氣候區劃指標。

3.3 作物氣候區劃

選取主要糧食作物（冬小麥、春玉米），結合農作物生長發育的具體指標區劃。以冬小麥為例，首先查閱文獻資料，找出作物生長發育所需的光、溫度、水等相關條件；找出影響作物生長發育的的關鍵氣象因子，并計算其經驗概率，以≥80%、60%～80%、<60%劃分為適宜、較適宜、不適宜等級，結合山

西省的實際生產作出調整，得出山西省各作物的農業氣候指標；運用GIS技術對山西省各作物進行種植氣候區劃，并計算得出相應的適宜種植概率分布圖。最后根據作物的實際播種面積所占比例，參考已有研究成果驗證其區劃結果是否合理，以不斷地改進和調整。圖4所示為山西省冬小麥氣候適宜區域的分布。表3所示為冬小麥區劃指標。

4 結論與討論

本文所開發的區劃系統實現了對氣候區劃、農業氣候區劃和作物氣候區劃的研究，研究結果可為相關部門提供參考和決策依據。同時，該系統還具有以下特點：①海量數據高效管理。系統實現了對海量數據的高效管理和區劃的動態化、實時化和精細化，具有可視化強、易操作、開放性和可擴展性強等特點。②可視化強、易操作。綜合運用多元回歸法和克里金插值法建立了山西省氣候要素模型。該結果可較為真實地反映山西省的實際氣候要素。③區劃的動態化和實時化。對逐年的各種作物指標的概率分布提供了詳細的數據，并對部分區劃進行了檢驗，區劃結果總體上較為合理，可以為政府以及相關的部門提供客觀、可靠的作物區劃信息。④圖形精細化。該系統在包括邊界數據和經緯度坐標的二維地形圖的基礎上，綜合經緯度坐標的海拔高度數據文件，將區劃結果細化到縣、鄉、村，并根據預先定義的色標對區劃圖著色，使圖形更加精細化。⑤開放性和可擴展性。在系統的設計上，充分考慮了系統的開放性和可擴展性，支持多種數據的導入、導出功能；利用先進的技術和開

發工具對系統的二次開發和功能模塊的添加保留預備接口模塊，遵循系統易于擴展的原則。

另外，該系統也有一些缺點，比如目前基本上考慮的是氣象要素，還沒有考慮社會經濟要素。這導致區劃結果還不是非常全面，與實際有一定的差距。因此，還應該考慮加入特色農業和設施農業的區劃等。這些都有待后續研究。

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〔編輯：劉曉芳〕