夏玉米干旱實時評估監測系統設計與實現

摘? 要：文章提出一種通過爬蟲程序采集實時氣象數據與夏玉米土壤墑情數據結合的模型評估方法，通過開發建立一套具有強時效性干旱評估監測系統。系統采用“氣象數據采集—干旱模型分析構建—專題圖可視化建模—地圖服務調用—客戶端展示”的設計路線，通過集成數據采集分析平臺與業務應用平臺實現夏玉米干旱評估監測。最后以河南省為案例做出應用評價，證明系統具有良好的實用性，對農業氣象災害防治工作具有指導意義。

關鍵詞：氣象數據;實時采集;夏玉米;干旱評估;監測系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0028-04

Abstract： This paper proposes a model evaluation method that combines real-time meteorological data collected by crawler program and summer corn soil moisture data， and a set of drought evaluation and monitoring system with strong timeliness is established through development. The system adopts the design route of “meteorological data collection—drought model analysis construction—thematic map visualization modeling—map service call—client display”， and realizes summer corn drought assessment and monitoring through the integrated data collection and analysis platform and business application platform. Finally， an application evaluation is made with Henan Province as a case， which proves that the system has good practicability and has guiding significance for the prevention and control of agro-meteorological disasters.

Keywords： meteorological data; real-time collection; summer corn; drought assessment; monitoring system

0? 引? 言

隨著近年來全球溫室效應加劇、氣候變暖的影響，世界多地頻繁出現極端天氣現象，導致各種農業氣象災害頻發，使得農作物產量受到嚴重損失。我國是世界第二大玉米種植生產國，尤其是夏玉米在國內種植分布十分廣泛。夏玉米的種植極易受到農業干旱氣象的影響，因此通過采集實時氣象數據為研究基礎，利用干旱模型建立一套合理的夏玉米干旱評估監測系統具有重要意義。

早在十九世紀中葉，國外農業學者已經對農業干旱展開了研究。Palmer W C提出的基于土壤水分指數和作物水分指數方法，對農業干旱進行定量研究[1]。Ashok K、Alfieri、Ferguson等人將氣象數據與農作物地表數據、農作物內蒸騰數據等相結合，對農業干旱災害的發生頻率及強度展開研究。除此之外，俄羅斯、澳大利亞等國家還建立相應的干旱監測應用系統，加強了對干旱災害的評估預警。隨著近幾年的信息化的發展，國內夏玉米干旱研究、干旱監測系統建立取得了飛躍性的進步。2013年，許玲燕、王慧敏等人開展了“基于SPEI的云南省夏玉米生長季干旱時空特征分析”的研究[2]。2015年，楊平、張麗娟等人對黃淮海地區夏玉米干旱風險進行了評估與區劃[3]。在農業干旱監測系統建設方面，李玉愛等人在氣象學、統計學及人工智能理論的基礎上創建了一套“短期農業氣候干旱預測系統”[4]。由目前研究現狀可知，國內對農業干旱研究主要集中在干旱指標建立和干旱時空特征分析方面，以模型分析結合實時氣象數據的干旱評估系統研究目前較少。

本研究提出通過采集研究區域內降水量、溫度、相對濕度、風速等實時氣象數據，結合研究區內氣象部門發布的每周土壤墑情（20 cm）資料數據建立夏玉米干旱評估模型，最終利用C#開發語言、數據庫技術、Web GIS技術建立一套夏玉米干旱評估監測系統，最后以黃淮平原廣泛種植夏玉米的河南省為例，進行系統測試應用。

1? 干旱評估監測模型建立

1.1? 干旱指標構建

夏玉米生長階段主要包括播種期、出苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期6個不同時期，其在各個生長時期的水分需求量是不同的。由于玉米根系分布大多在土壤深度20 cm左右，因此選取20 cm深的土壤層相對濕度值（20 cm土壤墑情）作為干旱評價指標。參照中華人民共和國水利部發布的《土壤墑情評價指標》，制定了夏玉米生長期土壤墑情的W五個干旱等級指標，以此作為評價干旱等級標準，如表1所示。

1.2? 干旱評估模型建立

通過收集研究區內農業氣象站點降水量、溫度、蒸發量、日照時長等數據以及相應的土壤墑情資料，用SPSS軟件對15a的數據進行回歸分析，剔除回歸分析中不顯著變量因子，得出河南省土壤墑情變化與氣象因子之間的關系方程。

經過研究分析發現，在夏玉米土壤墑情預測中：本周降水總量（R）和上周土壤墑情（W0）對本周墑情影響顯著，起著決定性作用;日照時長（S）對本周土壤墑情影響較小;積溫（T）、蒸發總量（E）對本周墑情影響不顯著，可以忽略。最終得到夏玉米土壤墑情的最優回歸方程為[5]：

W=49.824+0.502W0+0.02R-0.02S

回歸方程中W代表本周周末的土壤墑情（%）;W0代表上周周末的土壤墑情（%）;R代表上周末到本周末之間的降雨量，單位mm;S為上周末到本周末之間的總日照量，單位h。降雨總量R、總日照量S從數據庫中調用對應時間段數據采集獲取實時氣象數據。上周周末的土壤墑情W0取值為玉米各個生長期土壤最適宜濕度，依據中華人民共和國水利部發布《土壤墑情評價指標》中玉米各生長期土壤適宜濕度取值，如表2所示。

2? 系統設計

2.1? 系統總體架構設計

2.1.1? 系統架構設計

基于實時氣象數據的夏玉米干旱評估監測系統設計采用B/S架構，即瀏覽器和服務器（Browser/Server）結構。B/S模式采用經典的瀏覽器—服務器—數據庫三層架構。干旱評估監測系統的業務數據在服務器端分析處理完成，通過Web服務器和GIS服務器將分析結果插值生成專題圖的形式反饋給用戶，用戶通過瀏覽器或者移動終端能夠更好地實現人機交互。

2.1.2? 系統業務邏輯框架

系統整體邏輯設計路線為：實時氣象數據采集—夏玉米干旱模型分析構建—干旱評估監測結果可視化建模—專題地圖生成—客戶端展示，系統整個框架由數據采集分析平臺與業務應用平臺組合而成。數據采集分析平臺采集實時的氣象數據，并存儲夏玉米旱情結果分析數據，最終將結果傳輸至業務應用平臺。業務應用平臺主要包括對數據進行模型分析、干旱評估專題圖的形成、響應客戶端請求等功能，系統業務邏輯框架如圖1所示。

2.2? 系統功能模塊設計

系統主要通過完成對研究區中干旱監測相關的氣象數據采集、存儲，通過系統建立的干旱監測模型分析得出農作物干旱指數，最終依據干旱評價標準判定農作物干旱程度。本系統功能整體分為實時氣象數據采集存儲功能模塊、實時氣象數據查詢功能模塊和農作物干旱監測評估模塊，如圖2所示。

2.3? 系統數據庫設計

以干旱評估監測系統功能需求為目標導向，進行數據庫設計，實現數據庫系統對屬性數據、空間數據的保存儲和維護。在遵循行業規范前提下，優化系統的數據結構，盡量達到數據精煉、存儲效率高、性能好等目標，為系統運行提供良好的數據信息環境[6]。

2.3.1? 基礎地理數據庫設計

基礎地理數據包括研究區河南省范圍內各市轄區、縣級行政區的面狀行政區劃圖層以及各縣級氣象站站點所在地的點狀圖層。基礎地理數據庫采用WGS_1984大地坐標系作為地理數據坐標，通過ArcSDE將矢量基礎地理信息數據以表的形式存儲在SQL Server數據庫中，分別將行政區劃數據為表gis_city，將縣級氣象站站點數據存儲為表gis_pt_city。

2.3.2? 實時氣象數據庫設計

在SQL Server數據庫系統中新建實時氣象數據庫DB_Weather。通過開發爬蟲程序，采集中央氣象臺網站上河南省各縣的溫度、降水量、日照時長、風速、空氣濕度、數據抓取時間等數據。在數據庫中建立表tb_city和表tb_data分別存放縣域信息和對應的氣象數據。由于干旱評估監測系統部分模塊需要不斷刷新提取最新的氣象數據，為提高數據處理速率需建立一個存儲最新氣象數據的視圖v_tb_data。整個數據庫系統中氣象數據和基礎地理數據通過城市編號（city_code）做連接處理。

2.3.3? 夏玉米干旱評價模型數據庫設計

在SQL Server數據庫系統中新建實時氣象數據庫DB_Model。在數據庫中建立表tb_ymzb主要存儲夏玉米干旱評估指標參數數據，包括夏玉米干旱評價指標數據、玉米生長期劃分數據、不同時間玉米最適宜濕度數據。建立夏玉米旱情表tb_ymhq主要存儲干旱評估模型中參數因子數據、干旱評估模型分析處理得出夏玉米的土壤墑情指數數據，以及通過夏玉米干旱指標得出干旱等級結果數據。

3? 干旱評估監測系統展示

系統以河南省為案例研究區，采集研究區范圍內各個縣氣象數據，并對對河南省119個行政區內氣象站點數據依據位置進行插值渲染形成專題圖，通過ArcGIS Server發布成地理處理服務供Web端調用。以2020年7月份為時間節點，對系統進行測試分析，得出河南省氣象實況分布圖和夏玉米旱情評估圖，如圖3所示。

4? 結? 論

基于實時氣象數據的夏玉米干旱評估監測系統，利用研究區的實時氣象數據信息，通過GIS技術、數據庫技術以及C#語言編程完成了網絡氣象數據的采集與存儲、GIS技術與干旱評價模型技術的集成、空間數據與屬性數據的有機結合，實現對農作物干旱情況分析提供干旱實時評估，為農民作物種植、補水灌溉提供參考服務，也為有關部門實施農作物防旱提供決策性依據。該系統也存在一定的不足之處，在干旱評估模型中沒有融合人工灌溉數據的分析，忽略了人為因素帶來的影響，干旱評估模型精度有待進一步提高，這也是進一步研究的方向。

參考文獻：

[1] PALMER W C. Meteorological drought：Research Paper No.45 [R].Washington DC：U.S. Department of Commerce Weather Bureau，1965.

[2] 許玲燕，王慧敏，段琪彩，等.基于SPEI的云南省夏玉米生長季干旱時空特征分析[J].資源科學，2013，35（5）：1024-1034.

[3] 楊平，張麗娟，趙艷霞，等.黃淮海地區夏玉米干旱風險評估與區劃 [J].中國生態農業學報，2015，23（1）：110-118.

[4] 李玉愛，郭志梅，栗永忠，等.大同市短期農業氣候干旱預測系統 [J].山西氣象，2001（1）：38-42.

[5] 楊康.河南省農田干旱評價系統設計與實現 [D].開封：河南大學，2015.

[6] 孔云峰，林琿.GIS分析、設計與項目管理：第2版 [M].北京：科學出版社，2008：216-223.

作者簡介：楊康（1989.10—），男，漢族，河南新鄉人，助教，碩士研究生，研究方向：數據挖掘與分析。