棗莊市特色農業氣象服務平臺的構建與應用

李全景，陳立峰，王倩，張越，陳連俠，胡園春

(1.山東省氣象防災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.棗莊市氣象局,山東 棗莊 277800；3.棗莊市嶧城區氣象局,山東 嶧城 277300)

石榴是棗莊市的著名地方特產，也是棗莊農業經濟發展的重要支柱。2015年底的寒潮天氣，讓棗莊石榴的生產發展承受巨大災害，種植戶也因此遭受重大經濟損失。為防范災害性天氣，減少經濟損失，積極開發可實現石榴增產、農民增收的方法與途徑[1-3]，建立特色農業(石榴)氣象服務平臺對于棗莊石榴產業的生產與發展有著重要意義。特色農業(石榴)氣象服務平臺的構建，可以精密監測天氣實況、精準預報氣象災害并建立相應預警機制，不僅能提高特色農業氣象的服務效率，方便快捷地實現各項輔助服務的自動化運行，還可以結合石榴生產特點開展個性化服務[4]，直觀展示石榴氣象服務內容，為石榴氣象服務決策[5]和指導田間管理提供科學依據。

1 系統設計

該平臺系統與現代5G技術相融合，在農業氣象服務領域的應用場景方面更能突顯出即時性與適應性，使不同信息數據的交互能力得到較大提升，并以“數據連接數據”的模式，將云計算、大數據及AI技術進行深度融合。該農業氣象服務平臺是基于市氣象部門觀測的專業數據，與本平臺內石榴的各發育期所需氣象指標進行技術融合后，自動輸出服務產品。

1.1 設計模式

借助與人們生活緊密相連的熱點平臺進行開發建設，開發標準采用現階段國內與國外的先進技術標準，再結合本地區的實際狀況進行因地、因時制宜的個性化設計，在運行穩定的前提下確保精準性、個性化及智慧型專業氣象服務信息的推送發布。與傳統的農業氣象服務模式不同，此平臺基于我國5G現代移動互聯網技術，針對特色作物的生長特點設計而成，實現了智慧型農業氣象信息預測及發布[6]，對石榴的日常生產進行科學監控。

1.2 設計思路

平臺系統是基于大數據分析、云計算及不同算法的互聯網基礎進行搭建與升級的，不僅可與農業信息數據進行深度融合，滿足農戶對于各項氣象指標進行自由切換與刪減，還可以同步對石榴的具體生長狀況通過數據連接進行上傳，也可自行下載并存儲，以此滿足不同用戶的實際生產需求。系統設計本著頁面簡潔、使用友好且管理便捷的原則，以用戶的實際需求為出發點，運用網絡互聯、互通有無的發展思維，旨在為棗莊市廣大石榴種植農戶，提供精準型、智慧型和個性化的農業氣象服務窗口。

1.3 設計原則

由于主流網絡體系結構與運行系統是運行成熟且穩定的，是經過實踐檢驗的配置模式，可應用于不同場景的多媒體需求。在此基礎上還加強了安防保密措施，可以及時檢測平臺系統的運行漏洞，為平臺系統的良性運行做好相關措施[7]。平臺系統的設置原則主要遵循以下幾方面：

先進性原則。借助現有的地面寬帶網絡、衛星通信系統和各種數據信息，進行快速、及時、有效的收集與處理，充分整合各類數據公共資源，建設集中、統一、綜合性強的特色農業智慧氣象服務平臺。

實用性原則。平臺開發的根本目的是要實現相關數據的對接入庫、數據處理及數據展示，提供一個方便、快捷與高效的應用環境。平臺以實用性和可操作性為核心內容，以用戶的具體功能需求為主，再輔以個性化定制的特色模塊實現綜合性使用功能。

可靠性原則。為保證系統運行的安全性、可靠性與及時性，建立了相應預警機制、故障發生處理機制及故障解除機制，保持了優質的運行質量與運行效率，具備應對各類復雜應用場景變化的能力。

1.4 技術路線及架構

平臺系統分為前端展示和后端服務兩大部分，前端也稱為用戶端，主要展示經過綜合分析整理出的功能性服務項目內容，如氣象要素等值面圖、歷史軌跡折線圖、表格等不同形式的數據分析輸出，而后端服務則主要實現實時數據的同步性交互作用，經過數據處理定時生成服務產品項目。該系統主要采用ASP.NET技術進行開發，通過Html、CSS/JavaScript以及服務器腳本構建前端網頁，后臺采用C#高級語言，構建特色業務邏輯思維框架，系統數據庫則采用SQlSever2012進行相關數據信息的存儲，前后端都采用ajax技術創建的交互應用，整個系統全面部署于IIS服務器上，而相關服務功能則部署于Windows系統上，整體呈現出安全、實時、高效能的特點，以滿足平臺系統的具體操作應用需求(圖1)。

圖1 平臺技術的架構

1.4.1 實現數據同步抓取功能

在山東氣象內網的環境下，基于Windows操作系統平臺，通過與全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)相交互，以SQL server2012數據庫作為數據存儲中心。主要同步相關數據可按時間周期分為“小時數據”與“日數據”兩種，其中“小時數據”項目中可細分設置關于氣壓、氣溫、最高氣溫、最低氣溫、濕度、最小濕度、風速、風向、最大風速、降水、5 cm地溫、10 cm地溫等短時間周期的氣象要素內容；而“日數據”項目中可細分為日平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日最小濕度、日降水、日照時長等長時間周期的氣象要素內容，其中“小時數據”的更新頻率通常設置每20 min一次，而“日數據”的更新時間最好設置于每日8點與20點[8]。

1.4.2 實現CIMISS數據同步補錄功能

當服務器出現意外關停機等問題或是出于各類故障不能進行正常工作時，如果系統一旦恢復，那么本系統的自動模塊就會恢復正常工作，并將其相關丟失數據及時進行補錄，實現自動存儲及提取缺失數據功能。

1.4.3 實現格點預報數據同步抓取功能

在山東氣象內網的環境下，同樣基于Windows操作系統編寫原理以期實現另一個服務功能，即通過與CIMISS“全國綜合氣象信息共享平臺”的相交互服務及時進行獲取、下載及解析等具體操作步驟，這項服務功能主要體現在可解析逐3 h 10 d氣溫的格點預報、逐3 h 10 d的降水格點預報及逐3 h 10 d濕度格點的預報、逐24 h 10 d最高氣溫的格點預報及逐24 h 10 d最低氣溫的格點預報。這項服務也可設置于每日8點與20點進行整點時的自動獲取，同步實現下載解析功能[9]。

1.4.4 實現實景攝像頭數據對接功能

這項功能的實現主要是在山東氣象內網的應用環境下，以嶧城石榴實景攝像頭數據與山東現代農業氣象智能業務平臺相對接，對嶧城(石榴)實景攝像頭的數據及時更新，自每日的8—16點采用整點更新的方式進行遠景及近景的實景圖片各拍一張。

1.5 系統構成

特色農業(石榴)氣象服務平臺功能模塊中包含數據展示、數據統計、服務產品及其他子項，而數據展示子項中包含CIMISS實況數據信息展示、果業小氣候站數據展示、種植分布展示、格點預報、實景觀測及果實膨大期監測數據等；數據統計中主要包含石榴的相關歷史實況數據統計；服務產品項目中包含石榴春秋季凍害預警服務、石榴裂果預測預警服務、石榴花期預測服務、石榴氣候適宜度服務；其他子項中主要包含系統配置，智能發布與氣象數據同步等內容。

2 平臺功能及應用

2.1 智慧服務項目種類

依托棗莊市氣象局石榴氣象服務團隊構建的初春石榴凍害預測預警模型、秋末石榴凍害預測預警模型、石榴裂果預測預警模型、石榴氣候適宜度模型、花期預測模型等創新性研究成果，可實現在抓取數據后，各項功能模型會自動計算并識別，最終可自動生成氣象服務項目類型的種類輸出。服務項目內容主要涵蓋石榴花期預測、初春凍害預測、秋末凍害預測、石榴裂果預測、氣候適宜度、石榴病蟲害預測、石榴氣候好產品等。

2.2 平臺應用功能

系統平臺主要包括在線制作、在線修改、在線查看、在線導出、在線刪除等功能模塊。這些功能設置可有助于綜合觀測數據查詢基于離線GIS地圖展示，其具體內容主要包括：

棗莊氣象站數據實況氣象數據數值圖(此圖是根據各個氣象觀測站的經緯度信息的具體展示)與等值面圖兩種展示方式。提取氣象要素的重要關注點、相關氣象指標閾值、石榴生育期指標應調整的生長指標信息等內容；同時也及時展現出相關農業生產的氣象及作物的數據信息等，如農作物長勢、病蟲害、災害性天氣等信息，這種信息輸出是基于相關氣象部門的原有業務基礎服務數據而成的，兩者相融合共同形成服務于智慧農業的大數據信息[10]。

格點預報可以進行滾動式播放、鼠標移動區域浮動展示格點預報值，點擊區域內可通過點擊實現“一點查看”的預報氣象要素的具體變化軌跡。

2.3 實現歷史實況的數據查詢功能

2.3.1 CIMISS氣象站的歷史數據查詢

本項功能可實現并支持按區域、按站點類型的查詢，也可實現按時間周期和按氣象要素進行查詢，該查詢檢索功能所查詢到的數據可分兩種，即對于小時數據的查詢和日數據的查詢。具體展示方式可通過折線變化圖進行展示，同時支持對圖片下載功能及相關數據表格的下載。

2.3.2 石榴膨大期監測系統數據查詢

每年8月是石榴果實膨大期的重要時間節點，石榴在這段時期的生產管理是否科學對石榴的產量及其品質提升具有重要意義，這時期的平臺監測系統可實現對石榴相關生長數據進行查詢的功能，主要是按時間周期、多種氣象要素和石榴生產要素進行科學查詢與管理，起到預警提示的作用，這一功能也可通過折線的變化圖示進行展現，同步可進行實時數據更新和數據下載。

2.3.3 實現石榴的小氣候數據查詢

這一功能主要是根據石榴作物的生長指標庫信息，提取出用戶關注的氣象信息，進行科學分析并篩選石榴在不同生長期對于氣象條件的需求，以達到對石榴作物全生命周期的精準服務并匹配生產技術指導建議。同時根據現階段氣象條件與石榴作物所處的生長期時段預估出未來的生長趨勢及可能出現的各類災害，細致劃分出所應對的災害級別，對于下一步的農事活動及時給予建議等。該數據查詢分為不同氣象要素實時數據、石榴生長狀況實時數據等，數據展示的方式分為圖表、折線圖和圖片三種類型，同時支持上述數據的下載和存儲。

2.3.4 石榴作物長勢實景觀測

本項功能模塊設置可通過石榴的具體生長狀況進行實景觀測，便于及時掌握石榴的生長形勢，實景觀測里可實現遠近景切換，便于多角度觀察石榴作物的生長形勢并為農戶提供準確的生產數據，便于及時采取相關措施，促進作物健康生長。

2.3.5 氣象服務項目的智能推送

這項功能是基于在公共網絡環境前提下，結合氣象即時數據進行預報功能的實現，具體可針對用戶需求匹配具體氣象要素數據，同步啟動后端平臺系統的自適應算法，創建適應石榴生長的算法模型，按時間周期可分為短時的氣象災害預警與石榴生長期關鍵點的具體氣象服務內容，同時同步推送至用戶端，其推送手段可通過短信或郵箱的模式進行[11]。

3 小結

特色農業(石榴)氣象服務平臺是依托現代科技技術的大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等基礎進行研發的特色農業智慧服務項目，不僅實現了觀測數據采集及查詢，同時實現了對特定的氣象服務指標進行訂正、對氣象服務產品的特定功能進行加工制作、對相關服務項目產品智能推送為一體的智慧型農業服務，既滿足了現代特色農業氣象服務需求，也提升了智慧氣象為農業的服務能力。