豫東平原農業智能化氣象災害預警與防御系統研究

李辰

摘要豫東平原農業智能化氣象災害預警與防御系統在實現了農業智能化的同時，根據豫東地區地理、氣候和農業生產現狀，在農業自動化灌排系統的基礎上整合了農業氣象監測服務系統、天氣預報預警災害防御系統，該系統可以根據氣象預報預警信息自動、及時做出農事生產建議，能夠自動根據土壤墑情、農作物生長狀況進行灌溉、排水等。在不同地區，可以根據需要選用不同類型和功能的氣象自動站，因地制宜，方便地進行農業、林業、園藝及灌溉等氣象要素的監測，實現耕地園田化、灌排系統化、管理科學化、運行良性化、信息網絡化、服務社會化，達到經濟、社會、生態三大效益的統一。

關鍵詞農業智能化氣象災害預警與防御系統；農業氣象監測；氣象預報預警服務；豫東平原

中圖分類號S431.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0224-04

Study on Early Warning and Defense System of Agricultural Intelligent Meteorological Disasters in the Eastern Henan Plain

LI Chen

（Shangqiu City Meteorological Bureau， Shangqiu，Henan 476000）

AbstractIn the realization of intelligent agriculture， according to the geographical， climate and agricultural production status of eastern Henan， based on the agricultural automated irrigation and drainage system， the early warning and defense system of agricultural intelligence meteorological disasters in eastern Henan plain had finished the integration of agricultural weather monitoring service system and weather forecasting early warning disaster prevention system.Based on weather forecasting and early warning information， the system could automatically make agricultural production recommendations in time；and according to soil moisture and crop growth condition， this system could make an automatic irrigation， grainage and so on.Meteorological automatic stations of different types and functions were available to varied needs in different areas. According to local conditions， the monitoring over agriculture， forestry， horticulture and irrigation and other meteorological elements could be done in a very convenient way， together with the realization of pastoral farmland， systematic irrigation， scientific management， wellworking operation，networking information，and socialized services， thus achieving an integration of economic， social and ecological benefits.

Key wordsAgriculture intelligent meteorological disaster early warning and defense system；Agricultural meteorological monitoring；Weather forecasting and early warning service；Eastern Henan Plain

近年來，在全球氣候變暖為主要特征的氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增加，氣象災害發生的頻率和強度呈現明顯的上升趨勢，氣象條件對農業生產的影響也越來越被人們所重視[1-3]。豫東平原包括開封、商丘、周口3個地區，作為河南糧食作物的主產區，農業氣象災害對該地區影響極大。因此，在互聯網+、云計算、大數據等新技術迅猛發展的背景下，結合豫東平原本身的區位、地理、氣候資源，利用新科技手段、融合實時氣象預警信息開發一套智能化水平高、符合當地需求的農業智能化氣象災害預警與防御系統，成為了提高豫東地區農業氣象現代化水平的關鍵。

豫東地區農業智能化氣象災害預警與防御系統的實現基礎是依托相應的設施和工程技術手段、調節和控制環境因子，因此其實施的農業基礎屬于設施農業。對于設施農業的研究，楊培林等[4]研究表明，發達國家的設施農業已具有完善的監測設備、一定的生產規范和可靠的質量保證體系。汪懋華[5]、滕光輝[6]分析指出，由于自動化和智能化高科技的運用，栽培環境不受自然條件影響而得到有效控制，使農業產品工廠化生產成為現實，這是設施農業發展到高級階段的工廠化農業。在豫東地區，對于設施農業調控技術的研究多集中在農業技術的研究方面，較少結合新科技手段及融合實時氣象預警信息。因此，作為現代化農業的一部分，建設高標準、高起點的豫東平原農業智能化氣象災害預警與防御系統，對豫東平原農業防災減災和保證糧食安全、全面建設小康社會具有重要的現實意義和廣闊的發展前景。

1基本情況

1.1地理位置

研究區域地處河南省中東部（113°87′～116°64′ E、33°07′～34°86′ N），西起京廣鐵路、東接豫皖省界、北靠黃河、南濱淮海，總面積約5萬km2，是我國主要的農產區之一，屬于半濕潤灌溉集約農作區，該區以平原為主，有部分丘陵，大部分地區海拔在100 m以下，土地平坦，土層深厚，主要是潮土褐土，土質砂黏中等，適宜耕作，河流故道多砂土，鹽漬土面積較少。

1.2氣候條件

研究區內四季分明，雨熱同期，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，氣候溫和，屬半濕潤暖溫帶。年總輻射量為4 390～5 180 MJ/m2。年平均氣溫8～15 ℃，最冷月平均氣溫-7～-4 ℃，最熱月平均氣溫22～28 ℃，大于0 ℃積溫4 200～5 500 ℃·d，大于10 ℃積溫3 600～4 900 ℃·d，無霜期170～200 d，熱量資源可滿足喜涼、喜溫作物一年兩熟的要求，該區主要栽種方式是冬小麥-夏玉米。年降水量為500～950 mm，剛好滿足雨養農業的要求；降水由北向南增多，降水量的年際變化較大，年降水量的變異系數為0.30；因受季風影響，降水在年內分配不均，全年降水量80%集中在6—9月，7—8月降水量占全年的45%～65%，且多以暴雨形式出現。秋、冬、春三季均為水分虧缺的干旱期，水是制約豫東平原農業發展的主要限制因子。

1.3農業生產現狀

豫東地區位于河南東部黃淮平原，自然條件得天獨厚，物產豐富。農、林、牧、副、漁各業興旺發達，是國家著名的農副產品生產基地。糧、棉、油、煙葉和水果，林木、畜牧產空中水資源利用率高，旱澇保收田面積大，近年來糧食產量穩中有升，增產潛力大。河南省已全面建設自動氣象站，可實現對溫、壓、濕、降水、風等氣象要素的動態監測；已全面建成土壤水分自動監測站，完善了農業氣象監測服務系統和氣象災害預報預警系統，可以隨時監測農業和天氣變化，實現農業氣象的動態監測和服務。

1.4支持該系統的自動化水平

自動化灌溉和施肥技術在國內日趨成熟，部分省市已進入示范推廣階段，廣泛用于蔬菜、園林、城市綠化，并向農作物方向延伸，軟硬件研究得到同步發展。

2實現農業智能化管理的必要性和必然性

由于豫東平原地處南北氣候過渡帶，氣象災害種類多、強度大、頻率高，是我國氣象災害頻繁發生的地區之一。暴雨（雪）、干旱、大風、雷電、冰雹、沙塵暴、霜凍等自然災害時有發生，每年因氣象災害造成的經濟損失占全區生產總值的1%～3%[1]。由此可見，氣象災害已經成為制約豫東地區農業發展、危及人民群眾生命財產安全的主要因素。

在設計農業智能化管理系統時，整合農業自動化灌排系統、農業氣象監測服務系統、天氣預報警報災害防御系統，做好農業防災減災和服務工作，達到農業穩產、高產、優質、高效的目的[7-8]。實現農業管理智能化、產業化、耕地田園化、灌排系統化、運行良性化、信息網絡化、服務社會化，達到經濟、社會、生態三大效益的統一，對于農業增產增收、減少氣象災害造成的損失、促進農業發展將產生重大的推動作用。

3農業智能化氣象災害預警與防御系統設計

該系統由農業氣象自動站、農業氣象服務系統、氣象預報預警災害防御系統、農田供水施肥系統四部分組成，系統將傳感器采集到的觀測數據傳至中央計算機，系統運行管理的決策者參考氣象預報預警信息，通過農業氣象服務系統制定管理方案和灌溉計劃，通過臺式或筆記本電腦從遠程位置控制農田供水施肥系統（田間控制器），實現智能化灌溉和管理（圖1）。

3.1中央計算機控制系統的主要特點

中央計算機控制系統集中控制，采取“集中管理、分散控制”的設計方案，系統中設置的流量、壓力及自動氣象站中的氣溫、雨量、濕度等傳感器以及土壤墑情傳感器和作物生長動態監測信息，作為系統的信號反饋設備，將采集到的信號傳到中央計算機，供系統運行管理的決策者參考，制定管理方案和灌溉計劃（圖2）。

控制系統的主要功能包括墑情預報、雨量預報、灌溉用水量和灌溉時間統計管理、施肥管理、病蟲害防治、災害預報預警和防御。

計算機和田間控制器之間可通過有線寬帶、光纜、電話線、無線電（UHF）、GPRS和GSM進行通訊傳輸，能手動開、關電磁閥或對田間控制器進行操作，啟動某套程序等。程序可進行干運行，校核編制程序的合理性；還可對園區內其他的一些設備進行控制，如路燈、自動門、噴泉、水泵等。所有通訊都為“雙路”成對進行，下達一個信號，如果任務被執行，立刻會有一信號被反饋，包括使用遙控器開啟某一電磁閥時，若電磁閥被打開，遙控器會接受到一電磁閥被開的信號，關閉時也一樣。中央計算機控制系統還具有MAP TO功能，即在田間控制器下連接子控制器系統，這能夠保證即使在系統開發完成后還可以根據需要添加具備其他功能的田間控制器，使系統具有較好的擴展性，利于二次開發和后續升級。

3.2農業氣象自動站

根據需要選用不同類型和功能的氣象自動站，可以方便地進行農業、林業、園藝及灌溉等氣象要素的監測，用戶利用軟件即可輕松讀取各種監測數據，進行程序數據統計分析。

農業氣象自動站以監測田間小氣候為主，可測量風向、風速、空氣溫度、相對濕度、大氣壓力、降雨量、太陽輻射、光和有效輻射、土壤溫度和土壤水分等氣象要素（圖3）。可以根據不同作物增設探頭，動態監測作物長勢、發育期、自然災害和病蟲害。

把監測數據和影像資料接入中央計算機系統，根據指標，進行分析，提供快速、準確、針對性強的管理措施。

3.3氣象預報預警災害防御系統和農業氣象服務系統

氣象預報預警災害防御系統是基于天氣預報、預警信息與農業氣象專家系統的集合，作為一個獨立的模塊植入中央計算機控制系統中，可以實時獲得氣象局發布的天氣預報和預警信息，結合農業氣象自動站獲得的觀測數據，通過農業氣象專家系統的處理，自動做出農業氣象災害及供水施肥建議，供系統運行管理的決策者參考，制定管理方案和灌溉計劃（圖4）。

3.4農田供水施肥系統

農田供水施肥系統即自動化灌排系統，由田間控制器和土壤水分監測系統組成，通過中央計算機控制系統（中控系統）控制水泵啟閉、管網壓力調節、過濾器自動反沖洗、電磁閥控制、遠程監控等。為保證系統安全可靠運行，還具有各種報警功能，如管道過壓、欠壓等故障報警。

田間控制器帶微電腦處理器，本身即為一臺微型電腦，可以將氣象站就近接入任何一臺田間控制器。這臺控制器處理后，可自動傳給其他田間控制器。

4小結

在氣候變化背景下，極端天氣氣候事件增加，農業氣象災害發生規律出現了新的規律，現有的農業氣象災害監測預

警與調控技術在適用地域、對象和針對性等方面難以滿足實

際生產的需求，而農業智能化管理氣象預報預警災害防御系統在實現了農業智能化的同時，可以根據氣象預報預警信息，自動、及時地做出農事生產建議，能夠自動根據土壤墑情、農作物生長狀況進行灌溉、排水等。在不同地區，可以根據需要選用不同類型和功能的氣象自動站，因地制宜，方便地進行農業、林業、園藝及灌溉等氣象要素的監測，實現耕地園田化、灌排系統化、管理科學化、運行良性化、信息網絡化、服務社會化，達到經濟、社會、生態三大效益的統一。

參考文獻

[1] 唐蓉.我國主要農業氣象災害及災害研究進展[J].安徽農業科學，2007，35（29）：9354，9362.

[2] SMAKHTIN V U，HUGHES D A.Automated estimation and analyses of meteorological drought characteristics from monthly rainfall data[J].Environmental modelling & software，2007，22（6）：880-890.

[3] ALLEN C D，MACALADY A K，CHENCHOUNI H，et al.A global overview of drought and heatinduced tree mortality reveals emerging climate change risks for forests[J].Forest ecology and management，2010，259（4）：660-684.

[4] 楊培林，郭晶，馬振明.國內外設施農業的現狀及發展態勢[J].農機化研究，2003（1）：30-31.

[5] 汪懋華.實現現代集約持續農業的工程科學技術：以色列、荷蘭科技考察觀感[J].農業工程學報，1998，14（3）：1-9.

[6] 滕光輝.實現設施農業環境調控自動化的一種新方案[M]//申茂向.發展中的中國工廠化農業.北京：北京出版社，2000：286-291.

[7] 莊立偉，何延波，侯英雨，等.農業重大氣象災害綜合服務系統開發技術研究[M].北京：氣象出版社，2008.

[8] 王春乙，王石立，霍治國，等.近10年來中國主要農業氣象災害監測預警與評估技術研究進展[J].氣象學報，2005，63（5）：659-671.