自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)功能與設計

袁喆　張妍　王雪萌

現代化農業(yè)事業(yè)的發(fā)展對農業(yè)氣象業(yè)務開展提出更高要求，促使傳統(tǒng)農業(yè)氣象觀測體系應用無法滿足現代化農業(yè)發(fā)展的實際需求，需依托于自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的設計來實現自動化、實時化、遠程化的氣象觀測。本文立足于人工觀測原理，提出自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的具體設計，并闡明自動觀測系統(tǒng)具備的功能。

作為農業(yè)事業(yè)發(fā)展中必不可少的一環(huán)，農業(yè)氣象服務工作的開展有助于推動農業(yè)事業(yè)的現代化發(fā)展。正因此，農業(yè)氣象工作開展愈發(fā)受到國家與民眾的重視，并歷經多年發(fā)展初步構建農業(yè)氣象服務體系，實現為農業(yè)事業(yè)發(fā)展提供精準、全面的氣候變化數據資料。而在現代化農業(yè)事業(yè)持續(xù)推進的背景下，農業(yè)氣象觀測面臨更為嚴苛的標準，所以設計并應用具備實時化、自動化以及可視化的自動農業(yè)氣象觀測系統(tǒng)，已然成為現代農業(yè)發(fā)展的主要趨向。

一、農業(yè)自動氣象觀測系統(tǒng)總體設計

為保證自動觀測系統(tǒng)設計符合標準要求，需重視對以下原則的遵循：

1、需求導向原則。系統(tǒng)設計需以農業(yè)氣象業(yè)務需求為導向，主要目的在于解決現階段存在的人工觀測難度大、任務量大的問題，然后按照優(yōu)先級順序進行其它觀測需求與問題的解決。所以系統(tǒng)的監(jiān)測對象主要包括水稻、小麥、棉花、玉米等糧食作物，監(jiān)測項目囊括農田小氣候、作物發(fā)育期、農業(yè)氣象災害等。

2、可靠性原則。保證系統(tǒng)的設計符合預期穩(wěn)定性要求，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3、成熟性原則。即在系統(tǒng)設計期間需重視對先進、成熟技術的引進和應用。

4、模塊化原則。需以觀測傳感器設置為基礎，進行傳感器其它功能的拓展與創(chuàng)設。

5、通用性原則。系統(tǒng)設計所使用的相關設備需具備可代替性，即在設計過程中選用通用性的傳感器、接插件等構件，以便于系統(tǒng)的維護與升級。

分析該自動觀測系統(tǒng)的軟硬件組成，其中硬件組成包括小氣候觀測傳感器、作物生長CDD采集器、土壤水分傳感器、電源、數據采集器、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等;而系統(tǒng)軟件組成則包括信息處理軟件、控制軟件、信息應用軟件等。

二、農業(yè)自動氣象觀測系統(tǒng)功能與設計

1、作物生長自動觀測系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設計的主要目的在于作物生長周期的自動化觀測與數據采集，具體組成囊括圖像自動識別處理、作業(yè)信息采集。運行期間對作物生長信息借助CDD傳感器進行自動化采集。其中作物生長的識別判斷是否精準，受到CDD傳感器設置高度、分辨率等方面的直接影響。所以為提升作物是識別的精準性，該子系統(tǒng)在設計前依托于外場試驗、三維模擬活動的開展進行CDD傳感器設置指標的科學確定。運行過程中，借助CDD傳感器進行作物生長圖像資料的獲取，并在此基礎上進行圖片資料的自動識別，依據對圖像信息的分析以及作物生長特點的掌握，進行作物生長周期的定量分析，做到對作物發(fā)育期的精準判斷。傳感器與圖像處理技術的融合應用，實現子系統(tǒng)具備植株高度自動測量的功能;通過傳感器與數理統(tǒng)計方法的融合應用，拓展子系統(tǒng)的植株密度自動觀測功能。

需注意，針對不同作物的自動觀測，需合理設置傳感器技術指標，如高度為1m左右的矮稈植物，需控制CDD傳感器的安裝焦距、高度分別保持在≮16mm、≮3m;若作物稈高為2.5m左右，需控制CDD傳感器安裝焦距、高度分別保持在≮21mm、≮5m。

而針對作物發(fā)育期圖像的獲取與識別，主要以發(fā)育期色度、形態(tài)特征為依據，結合對發(fā)育期不同作業(yè)的氣象指標與特點分析，實現對作業(yè)發(fā)育期的精準識別。為避免收集與識別過程中受到光照、背景差異的影響，需進行圖像各個像素的顏色空間轉化，并做到對顏色特征的精準提取，確保作業(yè)生長觀測系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮。

2、農田小氣候觀測系統(tǒng)設計

該子系統(tǒng)設計的主要目的在于作物上方、農田內氣候的觀測，以此為氣象災害評估的開展提供精準數據支撐。在具體設計中，依據對作業(yè)生長特性、氣象觀測需求的分析，進行氣候觀測不同要素的合理控制，包括不同高度的溫濕度、降水量等要素。

出于對不同作物的考慮，系統(tǒng)傳感器需在作物不同位置設置。為實現對不同層氣象要素的充分觀測，選擇在作物底部、中部及其頂部進行傳感器設置。據相關研究表明，作物最易受晚霜凍影響的高度為底部5cm位置;高稈、低稈作物果實灌漿部位分別為中部60cm、1.5m;而將傳感器分別安設于低稈、高稈作物頂部高度1.5m、3m位置，可實現對作物光合條件、氣象條件、干旱情況等情況的觀測與測量。正因此，該子系統(tǒng)傳感器安設位置確定為低稈作物底部5cm、中部60cm、頂部1.5m位置，若該監(jiān)測地段為低、高稈作物輪作，可增設一層傳感器的設置。

3、土壤水分觀測系統(tǒng)設計

該子系統(tǒng)設計的主要目的在于進行土壤水分的檢測與測量，具體設計過程中，選用FDR傳感器來進一步提升系統(tǒng)觀測效果。規(guī)定水分觀測系統(tǒng)的設計指標為觀測誤差控制在±2.5%范圍內。依據對人工土壤水分觀測業(yè)務開展現狀的分析，以10cm為間隔進行傳感器的設置，控制傳感器的設計層次保持在8層，分別為土壤深層85cm與100cm，土壤中層位置40、50、60cm，土壤耕作層20、30cm位置，土壤表層10cm左右位置進行傳感器設置，確保其土壤水分觀測符合預期精準性要求。

綜上所述，在保證系統(tǒng)符合成熟性、適用性、穩(wěn)定性等原則的前提下，進行自動氣象觀測系統(tǒng)的設計，實現對作業(yè)發(fā)育周期的自動化觀測與識別，并做到對農田氣候的實時觀測，對可能發(fā)生的氣象災害進行準確預估判斷，結合對土壤水分的監(jiān)測測量，為農業(yè)事業(yè)的現代化發(fā)展提供保障與支撐。

（作者單位：1.136500吉林省四平市梨樹縣氣象局;2.136500吉林省四平市梨樹縣氣象局;3.110000遼寧省沈陽市沈北新區(qū)氣象局）