基于移動互聯(lián)的智慧氣象為農(nóng)服務(wù)系統(tǒng)研究

熊文兵，葉海寧，吳鳳瑩，胡祖權(quán)，劉武，劉春峰

（來賓市氣象局，廣西 來賓546100）

0 引言

隨著信息技術(shù)迅速發(fā)展，“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”有了新的屬性——智能化，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓管理者通過大數(shù)據(jù)對農(nóng)田進(jìn)行全程智能管控成為了可能，人工智能為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新動力和新活力，人工智能技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合發(fā)展演進(jìn)出了一個新業(yè)態(tài)——智能農(nóng)業(yè)[1-3]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然離不開氣象服務(wù)，反而對農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提出了更高的要求，催生了智慧氣象為農(nóng)服務(wù)[4]。智慧氣象應(yīng)用了新興的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、智能分析等技術(shù)，在天氣監(jiān)測預(yù)警、城市氣象災(zāi)害防御、智能網(wǎng)格預(yù)報、新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各方面都有了快速的發(fā)展，氣象為農(nóng)服務(wù)走向智慧化是服務(wù)需求的必然趨勢，也是智慧氣象的一個重要任務(wù)。智慧氣象有效提高了氣象為農(nóng)服務(wù)的能力和技術(shù)水平，為滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象服務(wù)新需求提供技術(shù)支撐[5-7]。

近年來，各地氣象工作者在智慧氣象為農(nóng)服務(wù)的需求、理念和技術(shù)方面進(jìn)行了諸多探索和研究，部分學(xué)者也嘗試研發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)[5][8-12]。然而，當(dāng)前的應(yīng)用研究多為針對某一種作物或者單個設(shè)施農(nóng)業(yè)開展的專門服務(wù)，尚缺乏一個綜合應(yīng)用區(qū)域小氣候數(shù)據(jù)，同時針對多用戶、多個關(guān)注作物，基于移動互聯(lián)、提供實(shí)時天氣信息及其影響評價、種植管理措施的應(yīng)用。隨著農(nóng)田小氣候觀測設(shè)備的普及，廣西來賓市的田間自動氣象監(jiān)測也逐步推廣，進(jìn)一步發(fā)展智慧氣象為農(nóng)服務(wù)顯得尤為迫切，也使其成為了可能。本文針對來賓市的主要大宗農(nóng)作物，研發(fā)了基于區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)、農(nóng)田小氣候站及土壤水分站等數(shù)據(jù)的氣象為農(nóng)服務(wù)移動客戶端（APP）。本應(yīng)用最大的特點(diǎn)是針對用戶關(guān)注的作物，以及作物當(dāng)前的生育期，給出天氣實(shí)況影響評價和未來天氣的影響評估，并針對性的給出生產(chǎn)管理建議。

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)總體框架包括智慧氣象為農(nóng)業(yè)務(wù)工作平臺、智慧氣象為農(nóng)綜合數(shù)據(jù)庫兩大內(nèi)容（圖1），其中智慧氣象為農(nóng)業(yè)務(wù)工作平臺分為web客戶端與移動用戶端。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)要建立智慧氣象為農(nóng)綜合數(shù)據(jù)庫，采集多種數(shù)據(jù)類型、多種數(shù)據(jù)來源的農(nóng)作物預(yù)警相關(guān)數(shù)據(jù)，并能夠滿足數(shù)據(jù)更新、類型擴(kuò)展的業(yè)務(wù)需要。

智慧氣象為農(nóng)綜合數(shù)據(jù)庫從邏輯上包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)支撐數(shù)據(jù)，如圖2所示。

所需氣象數(shù)據(jù)均從區(qū)氣象信息中心CIMISS 以及有關(guān)數(shù)據(jù)庫同步載入，與本地化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一起存儲于本地服務(wù)器。

圖2 智慧氣象為農(nóng)綜合數(shù)據(jù)庫

其中基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括來賓區(qū)域的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，精細(xì)到村一級，用作系統(tǒng)有關(guān)地圖展示模塊的背景地圖；氣象數(shù)據(jù)包括來賓區(qū)域內(nèi)的5個國家氣象站、124個區(qū)域自動氣象站、4個土壤水分觀測站、8個農(nóng)田小氣候觀測站數(shù)據(jù)；預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)、氣象站和土壤水分站的數(shù)據(jù)可以從CIMISS 獲取，農(nóng)田小氣候站數(shù)據(jù)暫時采用遠(yuǎn)程推送的方式獲取，待將來CIMISS完成入庫后再統(tǒng)一從CIMISS獲取。

1.2 Web客戶端

Web 客戶端設(shè)計(jì)考慮實(shí)現(xiàn)兩部分功能，一方面可以為種植大戶、新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體、涉農(nóng)企業(yè)等農(nóng)業(yè)用戶提供B/S 的桌面應(yīng)用，包括在地圖界面上調(diào)閱氣象觀測信息、預(yù)報預(yù)警信息、關(guān)注農(nóng)田的情況，以及查閱農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品。

更重要的，Web 客戶端還要作為業(yè)務(wù)管理平臺在內(nèi)網(wǎng)運(yùn)行，由值班業(yè)務(wù)人員實(shí)現(xiàn)所有智慧氣象為農(nóng)服務(wù)系統(tǒng)的管理工作。包括用戶管理、作物管理、站點(diǎn)管理、產(chǎn)品制作和產(chǎn)品發(fā)布。部分管理功能還要實(shí)現(xiàn)對不同作物發(fā)育期的錄入、農(nóng)氣指標(biāo)庫的修改、生產(chǎn)建議庫的修改等，以完善各種智慧氣象產(chǎn)品的技術(shù)支撐。

1.3 移動客戶端

移動客戶端（APP）為系統(tǒng)用于產(chǎn)品展示和服務(wù)的終端部分，配合完成Web客戶端分配的服務(wù)任務(wù)、實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能。目前已經(jīng)完成Android 版本，包含登錄頁面和主頁面、產(chǎn)品頁面三層界面。登錄也包含登錄和注冊功能，登錄后即進(jìn)入主頁面，用戶設(shè)置、系統(tǒng)更新、系統(tǒng)分享等系統(tǒng)功能隱藏在側(cè)滑區(qū)內(nèi)，主頁面看到的全部都是服務(wù)模塊：上半部分是主要功能——天氣影響評價模塊，下半部分需要上拉顯示，包括功能應(yīng)用、服務(wù)產(chǎn)品、專家服務(wù)三個模塊（圖3）。頁面頂端（頁眉）提供下拉框選擇不同關(guān)注點(diǎn)功能。

天氣影響評價模塊包括逐日評價、周評價、旬評價和月評價；“農(nóng)田氣象”模塊包括“我的作物”“我的農(nóng)田”“實(shí)時天氣”“氣象站點(diǎn)”“小氣候站”等五個功能，“服務(wù)產(chǎn)品”模塊包括“農(nóng)氣情報”“專題產(chǎn)品”“特色產(chǎn)品”三個功能，“專家服務(wù)”包括“專家問答”“科學(xué)種植”兩個功能。各模塊里的功能都可以擴(kuò)展。

圖3 移動客戶端（APP）功能框架

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 天氣影響評價模塊

天氣影響評價模塊（圖4，見彩頁）包括逐日評價、周評價、旬評價和月評價，逐日評價是評價過去一天或者未來一天天氣對用戶關(guān)注作物的影響。周（旬、月）評價是對過去或未來一段時間天氣對作物的影響。

系統(tǒng)用模型分別對實(shí)況影響和預(yù)報影響做出分析，針對用戶關(guān)注的作物不同的生育期，給出光溫水風(fēng)等主要影響要素對作物生長的影響等級。影響等級分為“很有利、有利、無影響、有影響、影響大”五級。

逐日評價由系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的分級指標(biāo)對應(yīng)天氣要素自動計(jì)算得出，并聯(lián)動生產(chǎn)建議庫給出建議。周（旬、月）的天氣影響具有復(fù)雜性，需要專家干預(yù)，因此在系統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，還要讓業(yè)務(wù)人員通過Web端的業(yè)務(wù)平臺審核修訂。

2.2 功能應(yīng)用模塊

功能應(yīng)用模塊（圖5，見彩頁）是用戶分類瀏覽功能的集成，主要提供給用戶瀏覽氣象觀測數(shù)據(jù)的界面、查看天氣預(yù)報預(yù)警信息的界面，以及管理關(guān)注作物、查看作物生長信息的界面。功能界面以二級或三級頁面的形式提供查詢、瀏覽或設(shè)置接口，其中各子頁面因?yàn)楣δ懿煌鶕?jù)需要有不同的設(shè)計(jì)，如氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)瀏覽、關(guān)注點(diǎn)設(shè)置、預(yù)警信號等功能以地圖加數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)，天氣預(yù)報以曲線圖方式實(shí)現(xiàn)，小氣候站數(shù)據(jù)瀏覽以圖標(biāo)排列加數(shù)據(jù)表方式實(shí)現(xiàn)。

2.3 拓展應(yīng)用

拓展應(yīng)用包括兩個部分，一個是服務(wù)產(chǎn)品模塊，一個是專家服務(wù)模塊。服務(wù)產(chǎn)品包括常規(guī)的農(nóng)氣情報、專題產(chǎn)品和特色產(chǎn)品等，主要以圖文形式展示產(chǎn)品文檔。農(nóng)氣情報是常規(guī)的定期發(fā)布的農(nóng)氣旬月報、周報、春播春種夏收夏種專題等文檔類產(chǎn)品。專題產(chǎn)品主要是共享區(qū)局下發(fā)的如旱情監(jiān)測、災(zāi)害評估、區(qū)劃等專題產(chǎn)品，專題產(chǎn)品有文檔類，也有圖片類。特色產(chǎn)品主要是針對用戶的個性化需求，制作發(fā)布的特色服務(wù)產(chǎn)品，如遙感長勢監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測類產(chǎn)品。

專家服務(wù)模塊包括專家問答和科學(xué)種植兩個功能，是以后臺建設(shè)的專家知識庫、科學(xué)種植知識庫為基礎(chǔ)，制定了的智能問答機(jī)制，以及針對各種作物，提供科學(xué)種植知識給用戶查閱。專家服務(wù)模塊可以不斷豐富后臺知識庫，具備很好的拓展能力。

拓展應(yīng)用的產(chǎn)品均能根據(jù)產(chǎn)品來源及發(fā)布頻次和時間實(shí)時更新，也能根據(jù)產(chǎn)品種類和用戶需求進(jìn)行拓展，APP 能夠以即時消息的方式提醒新產(chǎn)品到達(dá)，為產(chǎn)品的發(fā)布和查閱提供了便捷實(shí)用的平臺。

3 討論

（1）為農(nóng)服務(wù)是智慧氣象發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文研究的智慧氣象為農(nóng)服務(wù)系統(tǒng)是依托本地的區(qū)域氣象站及農(nóng)田小氣候觀測體系來完成的，研究的作物及服務(wù)的對象也是本地區(qū)域。但是系統(tǒng)框架及思路適合各地氣象部門開展智慧氣象為農(nóng)服務(wù)業(yè)務(wù)，其它地方的應(yīng)用只需要將數(shù)據(jù)庫的站點(diǎn)信息、作物信息、地圖信息更新即可，推廣應(yīng)用比較容易。

（2）智慧氣象為農(nóng)服務(wù)的平臺只是對數(shù)據(jù)的整合、分析，形成產(chǎn)品，給農(nóng)業(yè)用戶提供更加人性化、有針對性的智能服務(wù)。系統(tǒng)生命力的根本來自數(shù)據(jù)分析能力和模型的研究能力，因此，一方面加快觀測體系的數(shù)據(jù)應(yīng)用是業(yè)務(wù)建設(shè)的迫切任務(wù)；另一方面，氣象對作物影響的定量分析評估是服務(wù)系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，要做好智慧化的服務(wù)，還要繼續(xù)開展大量的研究工作。