徐州市農田土壤墑情精細化評估業務系統

薛 丹，張仁祖，胡慎慎，李靜怡，賈 紅，張利華，陳 耿，曹夢瑤

（徐州市氣象局，江蘇 徐州 221000）

徐州市地處黃淮平原南部，承南接北，海陸距離適中，屬暖溫帶濕潤半濕潤季風性氣候，光溫水資源比較豐富，四季分明，光照充足，全年雨量適中但雨熱同期，水資源有效利用率不高。干旱和澇漬災害時有發生，是影響徐州市農業生產的主要氣象災害［1］。徐州市十年九旱，四季皆可成旱，農田干旱會影響農作物的正常生長發育，導致農作物產量和品質的降低，增加農業生產成本，同時徐州市夏季降水集中，澇漬也是常見的農業氣象災害，對農業生產影響比較大。徐州市是傳統的農業大市，農田土壤墑情直接影響農作物的生長發育、產量和品質的形成，需要準確、及時、全面地了解全市的農田土壤墑情。

目前，徐州市土壤墑情監測主要依靠人工定點觀測和自動土壤水分監測站觀測。人工觀測的數據較為準確，但是觀測點少、觀測時間間隔較長，不能滿足精細化服務的需求。徐州市現有12個自動土壤水分監測站，分布在各個縣區，站點較為稀疏，空間分辨率較低，無法用于精細化的土壤墑情評估［2-4］。

陸面數據同化技術為利用站點觀測數據和遙感信息提供了有效途徑，中國氣象局陸面數據同化系統CLDAS（CMA Land Data Assimilation System），通過融合與同化技術，對地面觀測數據、衛星遙感資料和數值預報產品等多源數據進行融合同化，綜合利用了CLM3.5、CoLM、Noah-MP 3個陸面模式，結合CLDAS大氣驅動場產品、土壤質地和植被類型數據進行集合分析，制作逐小時、空間分辨率0.062 5°×0.062 5°的格點土壤濕度數據，該數據集研制技術與國際同類產品（GLDAS、NLDAS產品）相當，且時空分辨率更高，可滿足農田土壤墑情大范圍區域化評估和小范圍精細化評估的需求［5-8］。

本研究通過Python編程語言實現CLDAS土壤濕度分析產品的可視化，同時實現不同時間同類產品對比分析和可視化功能，并將其封裝成一套易于操作的業務系統，使其能夠實現日常的業務化運行，為農業氣象精準化決策服務提供技術支撐。Python是一個高層次的結合解釋性、編譯性、互動性和面向對象的腳本語言［9］，提供了非常完善的基礎代碼庫以及大量的第三方庫，既有強大的數據處理和繪圖庫，如Numpy、Pandas、Matplotlib等，又有用于圖像界面開發的專門庫，如PyQT、WxPython、TkInter等，Python語言能夠完美地適用于徐州市農田墑情可視化業務系統的開發和后期維護。

1 數據來源

1.1 CLDAS土壤濕度分析產品

CLDAS土壤濕度分析產品提供了覆蓋亞洲區域（0—65°N，60—160°E），0.062 5°×0.062 5°與1 h分辨率的等經緯度網格融合分析產品，包括土壤濕度產品（垂直分為5層：0～5、0～10、10～40、40～100、100～200 cm）和土壤相對濕度分析產品（垂直分為3層：0～10、0～20、0～50 cm）［6，7］。利用中國區域業務質量控制后的土壤水分自動站觀測資料對CLDAS土壤體積含水量數據產品進行了評估，表明CLDAS土壤濕度分析產品與地面實際觀測吻合度較高。CLDAS土壤體積含水量產品全國區域平均相關系數為0.89，均方根誤差為0.02 m3/m3，偏差為0.01 m3/m3；CLDAS土壤相對濕度產品全國區域平均相關系數0.8，均方根誤差小于10.0%，偏差為10%［6-8］。

該數據產品由國家氣象中心定時通過CMACast向各省市氣象局與國內外行業用戶下發，數據格式為NetCDF。

1.2 徐州市市縣鎮三級地圖邊界文件

該系統使用徐州市市縣鎮三級的地圖邊界信息由91衛圖助手提供，利用ArcGIS軟件處理得到地圖邊界的*.shp格式文件［10］。繪制圖片時根據邊界信息確認圖片大小和繪圖區域，并白化多余區域，實現精細化到鄉鎮的農田土壤墑情區域展示。

2 系統整體思路及體系結構流程

徐州市農田墑情精細化評估業務系統實現CLDAS土壤濕度分析產品在徐州市級和下屬9個縣（區）級區域的可視化以及不同產品的時間對比分析和可視化功能，具體功能包括：

1）交互式的數據輸入和圖片顯示，實現CLDAS土壤濕度分析產品的處理和繪圖；

2）自動識別輸入數據信息，繪制徐州各市縣土壤相對濕度和土壤容積含水率區域分布色斑圖；

3）輸入不同時間的數據，繪制徐州各市縣土壤相對濕度和土壤容積含水率時間對比圖；

4）實現繪圖區域、分辨率、色標范圍、圖片名稱等圖片參數的自由更改和圖片的重新繪制；

5）實現圖片的多格式存儲：*.png、*.jpg、*.bmp等。

該系統的體系結構流程如圖1所示。首先需要輸入繪圖所需要的CLDAS土壤濕度分析產品（土壤體積含水量或土壤相對濕度產品）。隨后選擇是否繪制對比圖，若選擇是，則還需要輸入相對應的對比數據，系統會自動判斷選擇結果，進入相應類型的圖片繪制程序。繪制圖片前，系統首先會根據輸入的數據產品，自動識別出相應的圖片默認參數（繪圖區域、分辨率、色標范圍、圖片名稱等）并在窗口中進行展示。默認圖片參數可根據需要直接在窗口中進行修改。確認參數后，圖片繪制程序會首先根據設置的色標范圍和分辨率等繪制出輸入數據全范圍的色斑圖。在此基礎上，再根據選擇的繪圖區域，調用相應的地圖邊界數據，繪制出相應的地圖并白化多余區域，形成特定區域的土壤濕度分布圖。最后，該系統還可以實現圖片不同格式（*.png、*.jpg、*.bmp）的保存功能。

圖1 徐州市農田土壤墑情精細化評估業務系統的體系結構流程

3 窗體和關鍵代碼設計

3.1 窗體界面設計

Python的圖形界面（GUI）庫包括Tkinter、wxPython、PyQt5和Pyside2。其中PyQt5和Pyside2是基于Qt的Python庫，優點是控件比較豐富、跨平臺體驗好、文檔完善、用戶多，十分適用于小型系統的開發。與PyQt5相比，PySide2是開源的，不受版權的限制，因此本研究選擇PySide2來進行圖形界面的設計。

在PySide2中編寫UI界面可以直接通過代碼來實現，也可以通過QT界面生成器Qt Designer來完成。Qt Designer的設計符合MVC的架構，實現了視圖和邏輯的分離，從而實現了開發的便捷。Qt Designer中的操作方式十分靈活，其通過拖拽的方式放置控件隨時查看控件效果。

徐州市農田土壤墑情可視化業務系統窗體界面包括數據輸入區、圖片參數區和繪圖區3個模塊，如圖2所示。繪圖區域可下拉進行選擇，其他圖片參數均可在界面直接進行修改。

圖2 徐州市農田土壤墑情精細化評估業務系統窗體界面

3.2 關鍵代碼設計

3.2.1 讀取和處理CLDAS產品數據 對CLDAS土壤濕度分析產品原始的NetCDF格式數據進行解析，并根據繪圖類型對不同數據進行相應的處理。

’］）*100#讀取容積含水率

else：

Data=np.asarray（file1.variables［‘RSM’］）#

讀取相對濕度數據

Data［Data＞100］=100#相對濕度大于100的值都等于100

3.2.2 繪制全區色斑圖 運用Python的Matplotlib繪圖庫，進行全區色斑圖的繪制，根據輸入的圖片參數設置圖片的分辨率、色標范圍和圖片名稱等。

3.2.3 繪制地圖并白化多余區域 根據選擇的繪圖區域，調用相應的地圖邊界數據，繪制出相應的地圖并白化多余區域，得到選定地區的CLDAS土壤濕度分析產品區域分布圖。

4 業務應用及運行效果

選擇2021年8月30—31日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產品來進行系統的運行效果檢驗。

4.1 CLDAS土壤濕度分析產品區域分布圖的繪制

點擊“數據”后的“選擇文件”按鈕，選擇8月30日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產品。點擊“確認輸入”后，系統自動識別數據信息，在窗口中顯示出默認的圖片參數和對應圖片名稱。此時圖片參數和圖片名稱均可在窗口中進行修改，確認參數無誤后，點擊“繪圖”按鈕，系統根據參數自動繪制出土壤相對濕度區域分布圖（圖3）。

圖3 生物毒性對活性污泥的抑制效果與活性污泥呼吸速率抑制擬合圖

圖3 CLDAS土壤濕度分析產品在徐州市的區域分布圖

更改繪圖區域為“邳州”，分辨率為140，色標數值間隔為5，重新點擊“繪圖”，即可得到邳州地區土壤相對濕度區域分布圖，圖片的分辨率和色標范圍也得到了相應的修改，如圖4所示。點擊“保存”按鈕，圖片即可以保存到電腦的任意指定位置。

圖4 CLDAS土壤濕度分析產品在邳州的區域分布

4.2 CLDAS土壤濕度分析產品時間對比圖的繪制

在窗口勾選“繪制對比圖”選項，并點擊對比數據后的“選擇文件”按鈕選擇8月31日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產品，點擊“確認輸入”，并點擊“繪圖”重新繪制對比圖，結果如圖5所示，生成的對比圖能夠很好地反映2 d數據之間的對比差異。

圖5 CLDAS土壤濕度分析產品在徐州地區的時間對比圖

該系統可一鍵輸入數據，并一鍵生成徐州市縣兩級的CLDAS土壤濕度分析產品的區域分布圖和時間對比圖。繪圖區域、圖片分辨率、色標范圍、圖片名稱等圖片參數均由系統根據數據自動識別，且各參數可按需求進行更改，可自由保存成多格式的圖片文件，充分滿足徐州市農田土壤墑情監測分析的日常業務需求，提升相關部門對干旱和澇漬災害監測預警服務能力。

5 小結與討論

本研究基于Python編程語言開發了一套徐州市農田墑情精細化評估業務系統。該系統可快速繪制徐州市縣兩級精細化到鄉鎮的CLDAS土壤濕度分析產品（CLDAS土壤相對濕度和CLDAS土壤容積含水率）區域分布圖和變化對比圖，實現了全市農田土壤墑情全面、準確、快速、滾動監測，較大提升了氣象部門對干旱和澇漬災害監測預警服務能力。

CLDAS土壤濕度分析產品與地面實際觀測吻合度較高，且時空分辨率高于國際同類產品，能夠很好地反映農田土壤墑情的區域分布特征，彌補人工觀測和自動土壤水分監測站的不足。該系統能夠根據需求繪制徐州市市縣兩級任意地區的土壤相對濕度和土壤容積含水率區域分布圖，并且能夠繪制其變化對比圖，能夠充分滿足農田干旱和澇漬監測分析的日常業務需求。

該系統可實現交互式的操作，數據輸入、參數修改、繪圖和保存均可在界面操作完成，簡單方便，易于業務應用。需要繪制的圖片名稱、分辨率、色標范圍等默認參數均可由系統自動識別給出，無需手動填寫，并且可根據需要進行修改，可靈活滿足實際應用中的各種需求。

該系統的開發主要針對徐州地區，但該系統具有很強的可拓展性。CLDAS土壤濕度分析產品覆蓋整個亞洲區域，只需要在系統中添加其他地區的地圖邊界文件，便可繪制出相應地區土壤濕度產品的區域分布圖。