基于B/S架構(gòu)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

周偉　葉杰　沈偉　張瑩　葉劍　周紫陽(yáng)

摘要：為連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤墑情變化，提高農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害應(yīng)急觀測(cè)能力，宿遷市氣象局從2009年開始進(jìn)行土壤水分觀測(cè)儀的建設(shè)試點(diǎn)工作，在硬件建設(shè)的同時(shí)，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)瀏覽、圖表、色斑圖等多種查詢方式，查詢各站點(diǎn)各時(shí)段土壤水分變化、分布情況，更好地發(fā)揮了土壤水分觀測(cè)資料的應(yīng)用價(jià)值，可為各級(jí)政府及農(nóng)業(yè)部門提供科學(xué)的決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：B/S架構(gòu)：土壤墑情：自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

土壤水分是氣候、生態(tài)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，隨著近年來全球變暖氣候異常的加劇，各種極端天氣現(xiàn)象不斷增多，特別是干旱、洪澇對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大的影響。傳統(tǒng)的土壤墑情觀測(cè)往往以人工為主，準(zhǔn)確率較低，時(shí)效性也不好，為滿足新時(shí)期抗旱工作的需要，連續(xù)觀測(cè)土壤墑情變化，宿遷市共建成7個(gè)DZN1型土壤水分觀測(cè)儀，在土壤墑情監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。如何使用土壤水分觀測(cè)儀所采集的數(shù)據(jù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，開發(fā)基于WEB頁(yè)面的土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已成為當(dāng)務(wù)之急。

1.DNZ1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀

上海長(zhǎng)望氣象科技有限公司生產(chǎn)的DXN1自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀，應(yīng)用頻域反射法（FDR）原理來測(cè)定體積含水量，它由傳感器發(fā)出100 MHz高頻信號(hào)，傳感器電容（壓）量與實(shí)測(cè)層次土壤的介電常數(shù)呈函數(shù)關(guān)系。由于水的介電常數(shù)比一般的介電常數(shù)要大得多，所以當(dāng)土壤中的水分變化時(shí)，其介電常數(shù)也相應(yīng)變化，測(cè)量時(shí)傳感器給出的電容（壓）值也隨之變化，這種變化量被CPU實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，經(jīng)過線性化和定量化處理，得出土壤水分觀測(cè)值，并按一定的格式存儲(chǔ)在采集器中。

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀能實(shí)時(shí)自動(dòng)采集8個(gè)土層深度的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，每隔1min讀取測(cè)量結(jié)果，每10個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)作質(zhì)量控制后的算術(shù)平均即為該10min的觀測(cè)值，1 h內(nèi)6個(gè)10min觀測(cè)值的算術(shù)平均即為該小時(shí)觀測(cè)值。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀可以方便、快速地在同一地點(diǎn)進(jìn)行不同層次的土壤水分觀測(cè)，獲取具有代表性、準(zhǔn)確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測(cè)資料。

2.土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)

宿遷市土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層和模塊化的設(shè)計(jì)方法，依托DzNl自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的采樣數(shù)據(jù)，按照B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)設(shè)計(jì)，服務(wù)端是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用SQL Server 2008 R2開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存放各種土壤信息資料，包括體積含水率、相對(duì)濕度、重量含水率和水分貯藏量等數(shù)據(jù)，服務(wù)端維護(hù)升級(jí)方便，適合多用戶同時(shí)在線訪問。系統(tǒng)數(shù)據(jù)從架構(gòu)上分為源數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)質(zhì)控層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和產(chǎn)品數(shù)據(jù)層（圖1）。

3.系統(tǒng)主要功能

用戶輸入具有權(quán)限的用戶名和密碼，進(jìn)入宿遷市土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主界面左邊為導(dǎo)航欄，點(diǎn)擊可以切換不同的界面功能，分別有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、土壤圖表對(duì)比分析、色斑圖等6部分功能模塊。

3.1實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能

根據(jù)業(yè)務(wù)工作需要，選擇所需查詢的站點(diǎn)、土壤信息和時(shí)間區(qū)間，系統(tǒng)將顯示所需時(shí)段的土壤體積含水量、相對(duì)濕度、重量含水量和水分貯藏量等數(shù)據(jù)。并按氣候極值檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查對(duì)原始數(shù)據(jù)作質(zhì)量控制，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，使輸出的數(shù)據(jù)更加貼近真值（圖2）。

3.2土壤數(shù)據(jù)對(duì)比分析功能

根據(jù)業(yè)務(wù)工作需要，可以選擇多時(shí)次、多站點(diǎn)的土壤觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動(dòng)形成各個(gè)站點(diǎn)變化曲線圖，直觀地輸出每個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢(shì)以及站點(diǎn)間的土壤信息對(duì)比，并可輸出到Excel表格，便于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的后續(xù)使用和分析。

3.3土壤墑情色斑圖功能

為了更直觀地反映宿遷市土壤墑情分布狀況，系統(tǒng)采用了色斑圖方式來標(biāo)注土壤墑情特性（圖3）。干旱指標(biāo)依據(jù)中國(guó)氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，即以20 cm土層的土壤相對(duì)濕度分別降至60%、50%、40%以下作為輕、中、重旱的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)利用編程調(diào)用Golden software surfer 8.0函數(shù)來實(shí)現(xiàn)色斑圖的繪制，具有很強(qiáng)的移植性。

氣象服務(wù)人員可以根據(jù)全市土壤相對(duì)濕度色斑圖和土壤相對(duì)濕度表，結(jié)合當(dāng)前農(nóng)作物所處發(fā)育期進(jìn)行作物生長(zhǎng)影響評(píng)價(jià)，并根據(jù)未來天氣形勢(shì)，提出針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分析建議，以文字、圖形、表格形式定期發(fā)布全市土壤墑情監(jiān)測(cè)信息。

3.4干旱預(yù)警功能

系統(tǒng)根據(jù)全市各土壤水分站點(diǎn)進(jìn)入不同干旱等級(jí)的時(shí)間為截點(diǎn)，以短信、界面提示等方式提醒相關(guān)業(yè)務(wù)人員，業(yè)務(wù)人員依據(jù)預(yù)警信息和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)資料，及時(shí)向相關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)發(fā)布干旱預(yù)警信息，確保氣象部門能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)旱情，提高氣象部門在旱情發(fā)生時(shí)的預(yù)警時(shí)效性。

4.土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建成可以快速準(zhǔn)確地收集土壤墑情信息，提高了觀測(cè)時(shí)效，消除了人工讀數(shù)誤差，減輕了基層氣象臺(tái)站工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，符合氣象觀測(cè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向，對(duì)提高觀測(cè)資料匯集的自動(dòng)化、規(guī)范化、業(yè)務(wù)化程度，起到極大的推動(dòng)作用。近一年來，土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)氣象周報(bào)、干旱服務(wù)材料、凍土深度、降雨滲透深度服務(wù)等方面，在實(shí)際應(yīng)用中，得到了當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)業(yè)部門的高度肯定，進(jìn)一步提升了宿遷市氣象為農(nóng)服務(wù)水平，有效發(fā)揮了觀測(cè)資料的應(yīng)用價(jià)值。