山西省農業(yè)氣候資源區(qū)劃服務系統(tǒng)開發(fā)與應用

李海濤　武永利　相棟　趙永強　劉文平

摘 要：為了實現(xiàn)山西省區(qū)域農業(yè)氣候資源的合理開發(fā)和利用，利用山西省109個縣市1961—2010共50年的氣候資料和DEM高程數據，以及搜集到的農業(yè)氣候資源區(qū)劃指標、農作物種植適宜性氣候區(qū)劃指標，基于GIS技術和小網格推算模型完成高分辨率的農業(yè)氣候、優(yōu)勢和特色農業(yè)及經濟林果的氣候區(qū)劃，建立了適合山西省的精細化的農業(yè)氣候資源區(qū)劃服務系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)，完成了對山西省氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候區(qū)劃和作物氣候區(qū)劃的研究，生成了不同種類作物的區(qū)劃圖。該結果可以為山西省相關部門進行決策提供參考和依據。

關鍵詞：農業(yè)氣候區(qū)劃；作物區(qū)劃；服務系統(tǒng)；B/S架構

中圖分類號：S162.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.026

在20世紀70年代末80年代初，山西省曾進行過全省范圍的農業(yè)氣候區(qū)劃工作，為山西省農業(yè)的合理布局和農業(yè)產量的穩(wěn)步增加作出了一定的貢獻。隨著農業(yè)生產環(huán)境的變化，原有農業(yè)區(qū)劃產品已不適應新時代農業(yè)生產發(fā)展的需求，客觀上需要更科學、更精細的農業(yè)氣候區(qū)劃產品。近年來，許多學者也開展了針對山西省的氣候區(qū)劃研究——謝愛紅、王士猛等（2004）在對山西省62個氣象臺站資料插值的基礎上，利用SPSS進行了山西省氣候區(qū)劃；韓錦濤和李素清（2006）基于山西省109個縣的多年統(tǒng)計資料的平均值，應用聚類分析對區(qū)域的農業(yè)氣候資源的綜合開發(fā)進行了區(qū)劃；趙海英、栗錫齡等（2009）在介休市33個觀測點的基礎上，用物候指標對該市氣候情況進行了初步研究；趙永強、武永利等（2013）基于DEM高程數據建立了山西省農業(yè)氣候資源集。但是到目前為止，還沒有一個全面的服務于山西省氣象業(yè)務的農業(yè)氣候資源區(qū)劃服務系統(tǒng)可以涵蓋氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候資源分布和作物區(qū)劃，同時可以實現(xiàn)自助區(qū)劃。

1 數據資料和系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

1.1 數據資料

數據資料有山西省109個氣象站1961—2010共50年的常規(guī)氣象資料（建站晚于1961年的從建站資料開始），山西省、市、縣的shp矢量文件，分辨率為90 m×90 m的SRTM DEM 數據。資料來源于山西省氣候中心。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

所需的最低硬件環(huán)境為：企業(yè)級專用服務器、雙核處理器，主頻在2.2 GHz以上，1 G內存，獨顯（512 M），120 G 硬盤。

所需的基本軟件環(huán)境如下所示。

數據存儲部分：sqlserver2005企業(yè)版；

地圖服務處理發(fā)布部分：aspmap4.7；

Web程序部分：.net4.0類庫+IIS6.0服務器+Office2003+Silverlight4.0運行時+Silverlight4.0擴展包+Microsoftajaxlibrary+ArcGISAPIforSilverlight2.0；

操作系統(tǒng)：Windows Server 2003 Enterprise Editionserverpack2；

數據調用：IDL交互式程序語言。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)技術流程

系統(tǒng)開發(fā)技術流程為：①通過實地考察調研、與當地有關人員座談等方法了解各地的優(yōu)勢農業(yè)、特色農業(yè)、經濟林果和主要氣象災害等，確定區(qū)劃對象、區(qū)劃指標；收集數據資料并進行整理，然后導入農業(yè)氣候資源區(qū)劃服務系統(tǒng)。②基于數字高程模型（DEM），采用多元回歸法和小網格推算法構建面域上的山西省氣候要素（分辨率90 m×90 m），結合各區(qū)劃指標開展山西省氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候資源分布和作物區(qū)劃，并對區(qū)劃結果進行檢驗。③將區(qū)劃結果存放于區(qū)劃結果數據集中。系統(tǒng)建立之后，工作人員可基于Web平臺對農業(yè)氣候資源及區(qū)劃結果進行發(fā)布、制圖、輸出，也可以根據需要進行自助式農業(yè)氣候區(qū)劃，以方便開展專題服務或其他咨詢服務。系統(tǒng)開發(fā)技術流程如圖1所示。

2 區(qū)劃系統(tǒng)架構與功能

2.1 系統(tǒng)框架設計

采用一種創(chuàng)建交互式網頁應用的AJAX網頁開發(fā)技術，并采用C#語言來編程，使用Asp.Net作為開發(fā)控件，結合 SQL2005數據庫技術和IDL交互式語言軟件來構建系統(tǒng)平臺。

整個系統(tǒng)采用三層B/S結構模式，包括數據層、服務層和客戶層。其中，數據層負責存儲數據，是獲取系統(tǒng)所需原始數據的操作層，是操作數據，為業(yè)務邏輯層或表示層提供數據服務的基礎；服務層是核心部分，主要是針對數據訪問層具體問題的操作，對數據業(yè)務的邏輯處理；客戶層主要是對用戶請求的接受以及數據的返回，為客戶端提供應用程序的訪問。

2.2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)分設一般用戶和管理員用戶兩種登錄方式。其中，一般用戶登錄后僅顯示“區(qū)劃成果”和“退出系統(tǒng)”兩個功能模塊，只有瀏覽和下載本地區(qū)區(qū)劃結果的權限；管理員用戶登錄后，系統(tǒng)界面右上方顯示6個功能模塊，即基礎數據、圖件資源、自助區(qū)劃、區(qū)劃成果、系統(tǒng)維護、退出系統(tǒng)，以便進行修改和完善。

2.2.1 基礎數據

該部分包括統(tǒng)計數據、行政區(qū)域數據和觀測數據。統(tǒng)計數據包括所有的基本數據，比如溫度、降水、日照、農業(yè)氣象災害等；行政區(qū)域數據包括社會總產值GDP、人口、農田受災面積、受災人口等；觀測數據包括31個農氣站實時觀測的農作物生長發(fā)育日期、長勢等。

2.2.2 圖件資源

該部分包括柵格化后的所有基礎信息數據、農業(yè)氣候資源基本信息數據、農業(yè)氣象觀測資料數據、土壤類型數據、衛(wèi)星遙感影像數據、農業(yè)區(qū)劃等圖件數據。

2.2.3 自助區(qū)劃

自助區(qū)劃模塊可對新作物進行區(qū)劃，只需在“區(qū)劃DIY”對話框中編輯執(zhí)行該作物的區(qū)劃指標即可。例如，有一種新的作物——紅薯，它與“1月平均氣溫”和“7月下旬降水”關系密切，在變量列表中選擇這兩個變量，然后在公式編輯框編輯區(qū)劃指標，最后點擊“執(zhí)行”區(qū)劃。除此之外，也可以對已有作物重新區(qū)劃。

2.2.4 區(qū)劃成果

區(qū)劃成果包括農業(yè)區(qū)劃、降水資源、熱量資源、光能資源等，用戶可在該模塊下制圖和下載區(qū)劃結果圖。除上述功能外，系統(tǒng)還可對矢量圖、柵格圖、數據高程圖（DEM）、注記和屬性數據進行以地理表達式為條件的邏輯查詢，以及涉及不同圖件和屬性數據的綜合查詢、統(tǒng)計，且可完成圖像的打印輸出。

3 區(qū)劃結果與分析

3.1 氣候區(qū)劃

計算了山西省平均氣溫以及穩(wěn)定通過 0 ℃、5 ℃、10 ℃的初終日、持續(xù)日數和積溫，山西省降水量和日照時數的年、季分布情況以及年際變化，以期揭示山西省熱量資源、降水資源和光照資源的分布特征和變化規(guī)律。

采用日平均氣溫穩(wěn)定大于或等于10 ℃期間的積溫、極端最低氣溫的多年平均值作為參考指標，以年濕潤指數為干濕區(qū)劃分的主要指標，以年降水量為輔助指標，引用《中國氣候新方案》中的指標，使之更適合山西省的氣候特點。根據指標，將山西省分成了7個氣候區(qū)，具體如圖2所示。表1所示為山西省氣候區(qū)劃指標。

3.2 農業(yè)氣候區(qū)劃

利用山西省109個縣市多年的氣候資料，在干燥度指數自然分區(qū)的基礎上，結合熱量指標（即年均氣溫），確定了區(qū)域農業(yè)氣候綜合開發(fā)和區(qū)劃的指標，將山西省劃分為6個農業(yè)氣候區(qū)，具體如圖3所示。表2所示為山西省農業(yè)氣候區(qū)劃指標。

3.3 作物氣候區(qū)劃

選取主要糧食作物（冬小麥、春玉米），結合農作物生長發(fā)育的具體指標區(qū)劃。以冬小麥為例，首先查閱文獻資料，找出作物生長發(fā)育所需的光、溫度、水等相關條件；找出影響作物生長發(fā)育的的關鍵氣象因子，并計算其經驗概率，以≥80%、60%～80%、<60%劃分為適宜、較適宜、不適宜等級，結合山

西省的實際生產作出調整，得出山西省各作物的農業(yè)氣候指標；運用GIS技術對山西省各作物進行種植氣候區(qū)劃，并計算得出相應的適宜種植概率分布圖。最后根據作物的實際播種面積所占比例，參考已有研究成果驗證其區(qū)劃結果是否合理，以不斷地改進和調整。圖4所示為山西省冬小麥氣候適宜區(qū)域的分布。表3所示為冬小麥區(qū)劃指標。

4 結論與討論

本文所開發(fā)的區(qū)劃系統(tǒng)實現(xiàn)了對氣候區(qū)劃、農業(yè)氣候區(qū)劃和作物氣候區(qū)劃的研究，研究結果可為相關部門提供參考和決策依據。同時，該系統(tǒng)還具有以下特點：①海量數據高效管理。系統(tǒng)實現(xiàn)了對海量數據的高效管理和區(qū)劃的動態(tài)化、實時化和精細化，具有可視化強、易操作、開放性和可擴展性強等特點。②可視化強、易操作。綜合運用多元回歸法和克里金插值法建立了山西省氣候要素模型。該結果可較為真實地反映山西省的實際氣候要素。③區(qū)劃的動態(tài)化和實時化。對逐年的各種作物指標的概率分布提供了詳細的數據，并對部分區(qū)劃進行了檢驗，區(qū)劃結果總體上較為合理，可以為政府以及相關的部門提供客觀、可靠的作物區(qū)劃信息。④圖形精細化。該系統(tǒng)在包括邊界數據和經緯度坐標的二維地形圖的基礎上，綜合經緯度坐標的海拔高度數據文件，將區(qū)劃結果細化到縣、鄉(xiāng)、村，并根據預先定義的色標對區(qū)劃圖著色，使圖形更加精細化。⑤開放性和可擴展性。在系統(tǒng)的設計上，充分考慮了系統(tǒng)的開放性和可擴展性，支持多種數據的導入、導出功能；利用先進的技術和開

發(fā)工具對系統(tǒng)的二次開發(fā)和功能模塊的添加保留預備接口模塊，遵循系統(tǒng)易于擴展的原則。

另外，該系統(tǒng)也有一些缺點，比如目前基本上考慮的是氣象要素，還沒有考慮社會經濟要素。這導致區(qū)劃結果還不是非常全面，與實際有一定的差距。因此，還應該考慮加入特色農業(yè)和設施農業(yè)的區(qū)劃等。這些都有待后續(xù)研究。

參考文獻

[1]謝愛紅，王士猛，衛(wèi)華，等.利用SPSS進行山西省氣候區(qū)劃[J].山西師范大學學報（自然科學版），2004，18（3）：108-110.

[2]韓錦濤，李素清.山西省農業(yè)氣候資源的綜合開發(fā)與區(qū)劃[J].中國農學通報，2006，22（12）：267-272.

[3]趙海英，栗錫齡，陸春花，等.用物候指標進行氣候調查的初步研究[J].中國農學通報，2009，25（24）：480-483.

[4]趙永強，武永利，劉文平，等.基于 DEM 的山西省農業(yè)氣候資源集的建立[J].中國農學通報，2013，29（35）：351-354.

[5]陳咸吉.中國氣候區(qū)劃新探[J].氣象學報，1982，40（1）：35-47.

[6]鄭景云，尹云鶴，李炳元.中國氣候區(qū)劃新方案[J].地理學報，2010，65（1）：1-10.

[7]林孝松.農業(yè)氣候資源研究進展[J].海南師范學院學報，2003，16（4）：87-91.

[8]郭文利，權維俊，劉洪.精細化農業(yè)氣候區(qū)劃業(yè)務流程初步設計[J].中國農業(yè)氣象，2010，31（1）：98-103.

[9]鄭春雨，劉晶淼，丁裕國，等.基于 PCA-TOPSIS 方法的河北省冬小麥氣候適宜性評價[J].生態(tài)與農村環(huán)境學報，2009，25（1）：8-11，17.

[10]劉文平，郭慕萍，安煒，等.氣候變化對山西省冬小麥種植的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（11）：88-93.

[11]張宏森，朱征宇.四層B/S結構及解決方案[J].計算機應用研究，2002（9）：20-22.

[12]呂建民，耿芳.基于ASP.NET的小型企業(yè)ERP系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科技信息，2012，12（3）：86-87.

[13]閆振宇，王巖峰.基于面向服務的軟件體系架構[J].內蒙古水利，2011（6）：161-162.

[14]卓靜，鄧鳳東，劉安麟，等.延安丘陵溝壑區(qū)土地利用類型坡度分異研究[J].氣象科技，2008，36（2）：221-222.

[15]王耀武，王文生，謝能付.基于WebGIS的可視化交互技術研究與實現(xiàn)[J].安徽農業(yè)科學，2012，40（19）：10334-10336.

[16]朱蕾，黃敬峰.山區(qū)縣域尺度降水量空間插值方法比較[J].農業(yè)工程學報，2007，23（7）：80-85.

[17]范遼生，劉新安.東北地區(qū)輻射資源柵格化信息系統(tǒng)的建立[J].資源科學，2003，25（1）： 59-65.

[18]張曉萍，李銳，楊勤科，等.基于RS/GIS的中尺度地區(qū)退耕變化及其坡度分異研究[J].農業(yè)資源與環(huán)境科學，2005，21（8）：388-392.

〔編輯：劉曉芳〕