自動(dòng)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

袁喆　張妍　王雪萌

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)事業(yè)的發(fā)展對(duì)農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)開展提出更高要求，促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)體系應(yīng)用無(wú)法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，需依托于自動(dòng)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程化的氣象觀測(cè)。本文立足于人工觀測(cè)原理，提出自動(dòng)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)，并闡明自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)具備的功能。

作為農(nóng)業(yè)事業(yè)發(fā)展中必不可少的一環(huán)，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工作的開展有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。正因此，農(nóng)業(yè)氣象工作開展愈發(fā)受到國(guó)家與民眾的重視，并歷經(jīng)多年發(fā)展初步構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)為農(nóng)業(yè)事業(yè)發(fā)展提供精準(zhǔn)、全面的氣候變化數(shù)據(jù)資料。而在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)事業(yè)持續(xù)推進(jìn)的背景下，農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)面臨更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)計(jì)并應(yīng)用具備實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化以及可視化的自動(dòng)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，已然成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨向。

一、農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為保證自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需重視對(duì)以下原則的遵循：

1、需求導(dǎo)向原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需以農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，主要目的在于解決現(xiàn)階段存在的人工觀測(cè)難度大、任務(wù)量大的問(wèn)題，然后按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行其它觀測(cè)需求與問(wèn)題的解決。所以系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象主要包括水稻、小麥、棉花、玉米等糧食作物，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目囊括農(nóng)田小氣候、作物發(fā)育期、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等。

2、可靠性原則。保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合預(yù)期穩(wěn)定性要求，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3、成熟性原則。即在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間需重視對(duì)先進(jìn)、成熟技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用。

4、模塊化原則。需以觀測(cè)傳感器設(shè)置為基礎(chǔ)，進(jìn)行傳感器其它功能的拓展與創(chuàng)設(shè)。

5、通用性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的相關(guān)設(shè)備需具備可代替性，即在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用通用性的傳感器、接插件等構(gòu)件，以便于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)。

分析該自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的軟硬件組成，其中硬件組成包括小氣候觀測(cè)傳感器、作物生長(zhǎng)CDD采集器、土壤水分傳感器、電源、數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等;而系統(tǒng)軟件組成則包括信息處理軟件、控制軟件、信息應(yīng)用軟件等。

二、農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

1、作物生長(zhǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的在于作物生長(zhǎng)周期的自動(dòng)化觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集，具體組成囊括圖像自動(dòng)識(shí)別處理、作業(yè)信息采集。運(yùn)行期間對(duì)作物生長(zhǎng)信息借助CDD傳感器進(jìn)行自動(dòng)化采集。其中作物生長(zhǎng)的識(shí)別判斷是否精準(zhǔn)，受到CDD傳感器設(shè)置高度、分辨率等方面的直接影響。所以為提升作物是識(shí)別的精準(zhǔn)性，該子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)前依托于外場(chǎng)試驗(yàn)、三維模擬活動(dòng)的開展進(jìn)行CDD傳感器設(shè)置指標(biāo)的科學(xué)確定。運(yùn)行過(guò)程中，借助CDD傳感器進(jìn)行作物生長(zhǎng)圖像資料的獲取，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖片資料的自動(dòng)識(shí)別，依據(jù)對(duì)圖像信息的分析以及作物生長(zhǎng)特點(diǎn)的掌握，進(jìn)行作物生長(zhǎng)周期的定量分析，做到對(duì)作物發(fā)育期的精準(zhǔn)判斷。傳感器與圖像處理技術(shù)的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)具備植株高度自動(dòng)測(cè)量的功能;通過(guò)傳感器與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的融合應(yīng)用，拓展子系統(tǒng)的植株密度自動(dòng)觀測(cè)功能。

需注意，針對(duì)不同作物的自動(dòng)觀測(cè)，需合理設(shè)置傳感器技術(shù)指標(biāo)，如高度為1m左右的矮稈植物，需控制CDD傳感器的安裝焦距、高度分別保持在≮16mm、≮3m;若作物稈高為2.5m左右，需控制CDD傳感器安裝焦距、高度分別保持在≮21mm、≮5m。

而針對(duì)作物發(fā)育期圖像的獲取與識(shí)別，主要以發(fā)育期色度、形態(tài)特征為依據(jù)，結(jié)合對(duì)發(fā)育期不同作業(yè)的氣象指標(biāo)與特點(diǎn)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)發(fā)育期的精準(zhǔn)識(shí)別。為避免收集與識(shí)別過(guò)程中受到光照、背景差異的影響，需進(jìn)行圖像各個(gè)像素的顏色空間轉(zhuǎn)化，并做到對(duì)顏色特征的精準(zhǔn)提取，確保作業(yè)生長(zhǎng)觀測(cè)系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮。

2、農(nóng)田小氣候觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的在于作物上方、農(nóng)田內(nèi)氣候的觀測(cè)，以此為氣象災(zāi)害評(píng)估的開展提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐。在具體設(shè)計(jì)中，依據(jù)對(duì)作業(yè)生長(zhǎng)特性、氣象觀測(cè)需求的分析，進(jìn)行氣候觀測(cè)不同要素的合理控制，包括不同高度的溫濕度、降水量等要素。

出于對(duì)不同作物的考慮，系統(tǒng)傳感器需在作物不同位置設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層氣象要素的充分觀測(cè)，選擇在作物底部、中部及其頂部進(jìn)行傳感器設(shè)置。據(jù)相關(guān)研究表明，作物最易受晚霜凍影響的高度為底部5cm位置;高稈、低稈作物果實(shí)灌漿部位分別為中部60cm、1.5m;而將傳感器分別安設(shè)于低稈、高稈作物頂部高度1.5m、3m位置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物光合條件、氣象條件、干旱情況等情況的觀測(cè)與測(cè)量。正因此，該子系統(tǒng)傳感器安設(shè)位置確定為低稈作物底部5cm、中部60cm、頂部1.5m位置，若該監(jiān)測(cè)地段為低、高稈作物輪作，可增設(shè)一層傳感器的設(shè)置。

3、土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的在于進(jìn)行土壤水分的檢測(cè)與測(cè)量，具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用FDR傳感器來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)觀測(cè)效果。規(guī)定水分觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為觀測(cè)誤差控制在±2.5%范圍內(nèi)。依據(jù)對(duì)人工土壤水分觀測(cè)業(yè)務(wù)開展現(xiàn)狀的分析，以10cm為間隔進(jìn)行傳感器的設(shè)置，控制傳感器的設(shè)計(jì)層次保持在8層，分別為土壤深層85cm與100cm，土壤中層位置40、50、60cm，土壤耕作層20、30cm位置，土壤表層10cm左右位置進(jìn)行傳感器設(shè)置，確保其土壤水分觀測(cè)符合預(yù)期精準(zhǔn)性要求。

綜上所述，在保證系統(tǒng)符合成熟性、適用性、穩(wěn)定性等原則的前提下，進(jìn)行自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)發(fā)育周期的自動(dòng)化觀測(cè)與識(shí)別，并做到對(duì)農(nóng)田氣候的實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的氣象災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估判斷，結(jié)合對(duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)測(cè)量，為農(nóng)業(yè)事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展提供保障與支撐。

（作者單位：1.136500吉林省四平市梨樹縣氣象局;2.136500吉林省四平市梨樹縣氣象局;3.110000遼寧省沈陽(yáng)市沈北新區(qū)氣象局）