冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)

張曉艷　孫家波　牛魯燕等

摘要：為進(jìn)行小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警分析，利用C#語言和.NET開發(fā)平臺(tái)，基于SuperMap組件式GIS的二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了黃淮海地區(qū)冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置基礎(chǔ)地理信息、數(shù)據(jù)查詢與管理、冬小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量估算、氣象災(zāi)害預(yù)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、專題圖制作和系統(tǒng)幫助八個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)冬小麥基本農(nóng)情信息查詢、長勢(shì)分級(jí)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)及氣象災(zāi)害預(yù)警等決策分析，同時(shí)可輸出各類專題圖等信息產(chǎn)品，以期為小麥生產(chǎn)管理的定量化、信息化提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：冬小麥；產(chǎn)量預(yù)測(cè)；氣象災(zāi)害；預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S512.1+1+S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）08-0107-04

Abstract To deal with the problems of wheat yield estimation and meteorological disaster prediction and early-warning， the C# programming language， .Net development platform and secondary development technologies based on SuperMap component GIS were used to develop the system for yield estimation and meteorological disaster early-warning of winter wheat. The system mainly consisted of eight modules： data query and management module， basic geographic information module， winter wheat growing monitoring module， winter wheat yield estimation module， meteorological disaster warning module， data statistic analysis module， thematic map drawing module and system help module， so it could achieve basic agricultural information query，growth classification，yield forecast and meteorological disaster early-warning decision；at the same time， all kinds of thematic maps and other information products to provide technical supports for quantitative and informational production management.

Key words Winter wheat； Yield estimation； Meteorological disaster； Early-warning system

全球極端氣象災(zāi)害出現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)，糧食安全受到重大威脅。如果在收獲之前就能夠獲知作物產(chǎn)量和災(zāi)害信息，將對(duì)國家政策的制定具有重要指導(dǎo)意義。自然災(zāi)害具有連續(xù)性、擴(kuò)展性及突發(fā)性等特點(diǎn)，使其監(jiān)測(cè)難度加大，而遙感技術(shù)為此提供了有效手段。在產(chǎn)量估算和災(zāi)害預(yù)警方面國內(nèi)外已做了一些研究，如美國、歐盟等應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量測(cè)算，開展了世界多種農(nóng)作物長勢(shì)評(píng)估、產(chǎn)量預(yù)報(bào)及病蟲害預(yù)測(cè)等[1～5]；加拿大進(jìn)行了作物和牧草長勢(shì)信息的監(jiān)測(cè)[3]；歐盟開展了全球糧食安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的監(jiān)測(cè)[3]；聯(lián)合國糧農(nóng)組織[3]研發(fā)了“全球信息與預(yù)警系統(tǒng)”。國內(nèi)方面，李哲等[6]提出了基于遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的玉米估產(chǎn)方法；侯英雨等[7]構(gòu)建了基于作物植被指數(shù)和溫度的產(chǎn)量估算模型；王秀珍等[8]構(gòu)建了水稻高光譜遙感估算模型；李衛(wèi)國等[9，10]利用衛(wèi)星影像植被指數(shù)與農(nóng)作物不同生長時(shí)期長勢(shì)指標(biāo)間的定量關(guān)系，構(gòu)建了相關(guān)長勢(shì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型或算法。

雖然我國在作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)、估產(chǎn)、模型構(gòu)建等方面的研究已有很大進(jìn)步，但實(shí)用系統(tǒng)仍相對(duì)較少。本研究針對(duì)目前冬小麥生產(chǎn)管理中缺少信息化手段支持的現(xiàn)狀，將數(shù)據(jù)庫、GIS和遙感技術(shù)引入冬小麥的產(chǎn)量預(yù)報(bào)及災(zāi)害預(yù)警中，開發(fā)了基于GIS的冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，以期為使用者提供生產(chǎn)管理與決策方面的技術(shù)支持，最大限度地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)平臺(tái)

硬件配置要求中檔以上PC機(jī)，4 G以上內(nèi)存，1.8 G以上CPU，80 G以上硬盤。軟件系統(tǒng)要求Windows 2007或更高版本，C#開發(fā)語言，Visual Studio 2012開發(fā)平臺(tái)；SuperMap Objects 7C版本的組件式GIS開發(fā)工具。

SuperMap Objects是一體化的組件式GIS開發(fā)平臺(tái)，適用于快速開發(fā)專業(yè)級(jí)C/S結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)，采用Microsoft的ActiveX控件標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)接口，可滿足不同需求的專業(yè)應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定

利用SuperMap的產(chǎn)品SuperMap Objects，采用C#語言并基于Visual Studio 2012 .NET平臺(tái)，研發(fā)冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警信息系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)冬小麥基本農(nóng)情信息查詢以及長勢(shì)分級(jí)、產(chǎn)量預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警等決策分析，同時(shí)可輸出各類專題圖等信息產(chǎn)品。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置endprint

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫和地理信息技術(shù)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮組件式GIS技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將不同組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合與集成。整個(gè)系統(tǒng)采用C/S模式，利用SQL Server實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥產(chǎn)量信息、災(zāi)害信息、氣象信息和土壤信息等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；利用C# .NET和SuperMap Objects進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)管理、專題圖制作、空間查詢與分析等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)包括基礎(chǔ)地理信息查詢、小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)、小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)、氣象災(zāi)害預(yù)警、專題圖制作、數(shù)據(jù)查詢與管理、信息統(tǒng)計(jì)與分析、系統(tǒng)幫助共8個(gè)功能模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4.1 數(shù)據(jù)查詢與管理模塊（見圖3） 系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于山東統(tǒng)計(jì)年鑒、中國統(tǒng)計(jì)年鑒及試驗(yàn)調(diào)查數(shù)據(jù)，首先利用SQL Server 2012構(gòu)建各類冬小麥相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫有兩種權(quán)限，管理員和普通用戶。管理員用戶負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)與管理，對(duì)不同或多個(gè)數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以及對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。普通用戶的權(quán)限僅是數(shù)據(jù)查詢及顯示。

1.4.2 基礎(chǔ)地理信息模塊（見圖4） 主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息的查詢與顯示功能。通過工具欄，實(shí)現(xiàn)圖層的疊加、縮小、放大、移動(dòng)、漫游等操作，以及空間和屬性信息的查詢與顯示等功能。

1.4.3 冬小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)模塊 對(duì)輸入的遙感影像進(jìn)行波段計(jì)算，獲得常用的NDVI、RVI。根據(jù)農(nóng)學(xué)知識(shí)和地面實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，將小麥與其他作物相區(qū)別；將提取的植被指數(shù)與樣點(diǎn)實(shí)測(cè)冬小麥長勢(shì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，挑選出相關(guān)系數(shù)最大的農(nóng)學(xué)參數(shù)和植被指數(shù)；構(gòu)建以植被指數(shù)為自變量、農(nóng)學(xué)指標(biāo)為因變量的小麥長勢(shì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型；最后制作小麥長勢(shì)的空間分布圖，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)小麥長勢(shì)目的。

1.4.4 冬小麥估產(chǎn)模型與分級(jí)模塊（見圖5） 將樣點(diǎn)實(shí)測(cè)單產(chǎn)數(shù)據(jù)與農(nóng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析；建立基于長勢(shì)指標(biāo)的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型；將長勢(shì)指標(biāo)參數(shù)值、產(chǎn)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值和行政矢量圖等結(jié)合到冬小麥單產(chǎn)模型，最后制作生成冬小麥產(chǎn)量分級(jí)預(yù)報(bào)圖。

1.4.5 氣象災(zāi)害預(yù)警模塊 本研究采用1980～2014年的小麥災(zāi)情數(shù)據(jù)對(duì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估，具體指標(biāo)包括小麥種植面積、成災(zāi)面積、受災(zāi)面積和絕收面積。針對(duì)小麥的生育期災(zāi)害特征，以小麥生育進(jìn)程為主線，分別對(duì)冬小麥干旱、冷凍害、干熱風(fēng)等進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1.4.6 統(tǒng)計(jì)分析和圖表顯示模塊（見圖6） 根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和圖表顯示方案，然后根據(jù)用戶的需要，查詢所關(guān)注區(qū)域的屬性數(shù)據(jù)集，然后選擇以線型、柱狀、餅狀或點(diǎn)密度等方式進(jìn)行顯示，使用戶能直觀地掌握目標(biāo)的一些信息。

1.4.7 專題圖制作與輸出模塊（見圖7） 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和遙感圖像經(jīng)過系統(tǒng)分析與處理后，可將統(tǒng)計(jì)或分析結(jié)果顯示在地圖上，最后輸出所需要的專題圖產(chǎn)品。在專題圖制作時(shí)，可將分辨率、比例尺和圖例、題頭和制圖單位、地理坐標(biāo)等信息選擇加上。

2 系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行

利用山東省范圍內(nèi)2013年4月7日的MODIS影像以及此時(shí)小麥的田間調(diào)查數(shù)據(jù)，輸入某一長勢(shì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出預(yù)測(cè)產(chǎn)量值，不同區(qū)域的值匯總到一起，得到研究區(qū)域產(chǎn)量分布圖。在災(zāi)害方面，通過選擇不同災(zāi)害類型，輸入相關(guān)參數(shù)，可獲得因?yàn)?zāi)害影響小麥減產(chǎn)率的變化。在測(cè)試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，輸出結(jié)果較可靠。

3 結(jié)論

本研究利用Visual Studio 2012的C#語言環(huán)境，基于組件式GIS的模塊化設(shè)計(jì)，研發(fā)了冬小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)與氣象災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。通過獲取遙感數(shù)據(jù)、多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)模型、估產(chǎn)模型和災(zāi)害預(yù)警模型，制作小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)分級(jí)和估產(chǎn)專題圖，為用戶提供精確的專業(yè)指導(dǎo)服務(wù)。達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)，具有地理信息查詢和顯示、遙感影像處理和分析、數(shù)據(jù)庫管理、模型建立和數(shù)據(jù)分析等功能，本研究成果為冬小麥估產(chǎn)與預(yù)警系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在今后的研究中，擬融合更具機(jī)理性的小麥生長模型，在可靠性方面進(jìn)行提升。

參 考 文 獻(xiàn)：

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