司麗麗+閆峰+姚樹然+高軍

摘要：為了系統(tǒng)地提供小麥白粉病氣象服務，提高農業(yè)決策部門防治白粉病的準確性和科學性，基于“小麥白粉病發(fā)生氣象條件監(jiān)測、預警和評價體系”課題組研制的小麥白粉病氣象指標與模型，采用Microsoft Visual、Studio 9.0、MSSQL2005、C#、GIS等相關技術，研制小麥白粉病防控氣象服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了地面觀測氣象數據庫、病害資料數據庫等7類數據庫100余種基礎數據，實現了20余項統(tǒng)計分析功能，集數據采集、加工處理、病害監(jiān)測預警、中長期預報、影響評估及服務產品編輯輸出于一體，實現了小麥白粉病的監(jiān)測預警、預測預報、影響評估、服務產品制作發(fā)布一體化，并基于GIS技術開發(fā)了預警、測報、評估結果圖形顯示等功能，可直觀顯示該病的地域分布及未來發(fā)生情況。2012年、2013年實際運行結果表明，該系統(tǒng)操作簡單、功能強大、內涵豐富，顯著提高了白粉病氣象服務水平，取得了顯著的社會效益、經濟效益，為政府領導、農藥企業(yè)宏觀決策提供了科學依據。

關鍵詞：小麥白粉?。活A警預測；影響評估；GIS；防控系統(tǒng)

中圖分類號：TP182；S435.121.4+6 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0131-05

白粉病是小麥生產中發(fā)生范圍較廣、危害較重的一種氣候型病害^[1-3]。有研究表明，該病發(fā)生流行程度與氣象條件及其變化關系密切^[4-7]，且在菌源、品種、耕作栽培方式等條件相對穩(wěn)定的情況下，當地氣候條件是決定其流行程度的關鍵要素^[8-10]。當前，小麥種植制度逐漸變化，水肥條件逐年提高，中矮稈品種及密植方法得以推廣，使得小麥白粉病逐年加重，例如，河北地區(qū)小麥白粉病自20世紀90年代即上升為主要病害^[2]。當前，生產上推廣的品種大多不抗病，因此藥劑防治就成為必需的應急措施。但如果不能抓住關鍵時期進行病害防治，往往既造成藥劑浪費、環(huán)境污染和經濟負擔的加重，又達不到預期的防治效果^[11-12]。因此，將精準的病害監(jiān)測預警、預測預報、影響評價等體系集合起來構建一個有機運行的氣象服務業(yè)務系統(tǒng)非常必要^[13]。

國外早在20世紀70年代就開始利用計算機技術解決病蟲防控問題。例如，瑞士開發(fā)的谷物預測預報系統(tǒng)EPIPRE，可準確預報殺蟲劑的施用日期^[14]；日本開發(fā)的農業(yè)用咨詢系統(tǒng)（MICCS），對因氣象條件誘發(fā)的番茄、草莓等的病害和生理障礙進行有效診斷^[15]；瑞士用于預測防治馬鈴薯晚疫病的 PhytoPRE+2000 系統(tǒng)^[16-17]等。在我國已建立了一些農業(yè)氣象服務業(yè)務系統(tǒng)^[18-19]，但尚未有關于小麥白粉病氣象業(yè)務服務系統(tǒng)的研究。本研究在建立小麥白粉病預警、測報、評估模型的基礎上，創(chuàng)建了基于GIS的小麥白粉病防控氣象服務業(yè)務系統(tǒng)，該系統(tǒng)將信息采集、管理、加工處理以及白粉病監(jiān)測預警、預測預報、影響評價集于一體，投入業(yè)務應用以來，明顯提高了小麥白粉病業(yè)務服務的自動化水平，豐富了服務內容，提高了服務能力，為優(yōu)質、高效地為政府決策提供服務、準確測報、有效防治小麥白粉病打下了基礎。

1 材料與方法

1.1 資料及其處理

本研究以河北省小麥主產區(qū)為例，氣象數據來源于河北省氣象局，農業(yè)數據主要來源于河北省農業(yè)委員會及相關科研單位，此外考慮到及時準確獲取農業(yè)生產現場的各種環(huán)境與生物信息是科學決策管理的重要基礎^[20]，2011年在河北省邯鄲縣、寧晉縣、辛集市分別建設了小氣候觀測站，目前已有3年的觀測資料。

1.2 研究方法

1.2.1 數據庫構建 數據庫是系統(tǒng)的基礎，也是設計的關鍵。本系統(tǒng)內數據類型較多，數據量較大，系統(tǒng)功能的實現取決于析取數據的速度、靈活性以及精準性。系統(tǒng)數據庫的構建采用目前最流行的數據庫開發(fā)平臺——SQL Server企業(yè)版，該數據庫與系統(tǒng)開發(fā)平臺VS2008無縫集成，保證了高可用、高伸縮和高效率，同時更易于內部和外部系統(tǒng)連接，大幅降低系統(tǒng)運行、維護風險和IT管理成本。

1.2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 系統(tǒng)基于C/S模式，運用Microsoft Visual Studio 9.0作為開發(fā)環(huán)境，采用MSSQL 2005作為運行數據庫，應用目前主流的C#語言進行開發(fā)，同時集成了GIS出圖、Office自動化產品生成技術，實現氣象資料、農業(yè)氣象資料、大環(huán)境背景資料的快速統(tǒng)計、分析，預警、預測、評估結果輸出，服務產品制作生成、輸出等功能。

1.2.3 系統(tǒng)運行環(huán)境 硬件為Pentium Ⅲ兼容處理器或更高速度處理器（32位及以上）微機，內存512 MB以上，硬盤10 GB以上。

軟件為Windows XP 專業(yè)版 SP3及以上版本操作系統(tǒng)，DotNet Framework 3.5 sp1版本。

2 結果與分析

2.1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由6部分構成，分別是數據庫管理（對應圖1中的“基礎數據管理”），小麥白粉病實時監(jiān)測預警、預測決策（對應圖1中的“預測預報”），影響評價（數理統(tǒng)計方法），產品制作發(fā)布及系統(tǒng)設置。系統(tǒng)運行的基礎為氣象、生物等數據庫，數據庫內存放海量數據信息，并具備強大的統(tǒng)計分析功能，為業(yè)務應用以及科研奠定良好基礎；設計充分考慮了延展性，管理員可對數據進行錄入、更新、修改、刪除等工作；依據預警條件，通過自動調用氣象數據可實現預警指標的自動判別，可對該病的發(fā)生流行進行自動預警；依據自行研制的預測模型，對該病的發(fā)生程度進行中、長期預測；通過影響評價子系統(tǒng)，依據系統(tǒng)內的評價指標，可對小麥白粉病發(fā)生影響進行旬尺度或全生育期尺度的評估；數理統(tǒng)計模塊集合了10種模型，可動態(tài)修正預報預測模型；產品制作模塊提供了不同產品模板，通過調用系統(tǒng)內提供的相關信息制作并發(fā)送相關服務產品；系統(tǒng)設置主要是對本系統(tǒng)數據庫及相關參數的設置，主要包括數據庫設置、短期預警模型參數設置、等值面配色方案設置等3個設置選擇。

2.2 數據庫構建與管理

充分考慮了業(yè)務應用的實用性、方便性，通過分析、提煉、集約，將其分為7類數據庫（表1）：（1）地面觀測氣象數據庫。包括溫度、濕度、降水等6種常用氣象要素，系統(tǒng)具備與歷史值比較，任意時段雨日、極值、積溫的計算以及界限溫度初終日的確定等統(tǒng)計分析功能，并可進行相關圖表分析（圖2）。同時，該系統(tǒng)提供利用方差分析預測積溫出現的日期，進而預測生育進程等功能，也可以Excel、txt等形式導出數據。（2）病害資料數據庫。主要為白粉病歷史發(fā)生情況，包括分區(qū)普查資料、系統(tǒng)調查數據以及歷史發(fā)生資料。（3）農情資料數據庫。主要為農氣站點冬小麥及麥田墑情等數據資料。（4）氣候背景數據庫。包括大氣環(huán)流指數以及海溫資料。（5）田間實測小氣候、生物數據庫。包括田間實時氣象數據、小麥白粉病系統(tǒng)觀測資料以及小麥農學特征數據。（6）模型庫。包括監(jiān)測預警、預報、影響評估指標及模型。上述指標模型均由“小麥白粉病發(fā)生氣象條件監(jiān)測、預警和評價技術”課題組自行研發(fā)，系統(tǒng)具備較強的延展性，可隨時加入新的指標及模型。（7）預報方法庫。集合10種預報方法，用來進行白粉病發(fā)生、發(fā)展的預報預測。

該系統(tǒng)的數據放置在服務器端的MS SQL SERVER 2005數據庫中，利用數據庫訪問組件以后臺方式運行，提供數據庫訪問功能^[21]。

2.3.2.2 預警流程 在白粉病發(fā)生的關鍵期內，系統(tǒng)通過遠程氣象監(jiān)控系統(tǒng)讀取田間實測溫濕度數據，訪問局域網以讀取各氣象臺站逐日的氣象數據以及氣象臺制作的各地逐日天氣預報數值預報產品，同時檢索預警條件庫，當確定天氣要素值達到預警條件時即可判斷該病的發(fā)生、流行，進而通過聲音及標識自動報警。預警結果通過GIS輸出在地圖上，同時生成詳細預警信息。

2.3.3 預測預報

2.3.3.1 預報內容 （1）中期預報。采用Fisher判別準則，構建白粉病發(fā)生程度的中期判別分級模型^[23]，可提前15 d左右對未來白粉病發(fā)生流行程度進行預測。（2）長期預報?；诒碧窖蠛鼐W格數據和大氣環(huán)流指數，剔除干擾因子，采用逐步回歸方法，建立回歸方程，可提前6個月開展白粉病發(fā)生面積的冬前預報，也可提前1個月開展病害發(fā)生面積的早春預報。

2.3.3.2 預報推理 用戶可依需要選用中期或長期預測的不同模型進行相關預測，根據模型所需變量因子，用戶可在數據管理模塊直接進行相應的統(tǒng)計分析，輸入模型后，系統(tǒng)即可推理得到未來白粉病的發(fā)生程度，并提供針對性的防治建議^[24-25]，同時預報結果可通過GIS清晰明了地顯示在地圖上。

2.3.4 影響評估 影響評估的基礎是評價指標^[26]，在前期已建立相關模型的基礎上，利用氣象要素以及白粉病發(fā)生程度等資料，通過秩相關、權重氣象距離方法組建評價指標，建立影響評估模型?？煞謩e進行旬尺度內發(fā)生面積、發(fā)生程度、病株率等及全生育期內發(fā)生面積、產量損失等項目的評價。

利用影響評價模塊，用戶可選擇評價尺度（旬尺度、全生育期尺度）選項，系統(tǒng)則自動提取河北省氣象局數據庫中相關數據進行相關運算分析，并及時得出評價結果。選擇生成分布圖，即可得單站或多站的空間圖，同時可選擇生成歷史曲線圖或表進行逐旬或逐生育期比較。除此之外，系統(tǒng)還可以對前1年至n年同期數據進行比較，將病害發(fā)生程度作為縱軸，評價尺度作為橫軸，繪制出折線圖（圖4），從圖上能夠清晰地看出病害發(fā)生隨時間的變化情況，對研究病蟲害發(fā)生規(guī)律、制定適宜的防治方法有重要的參考價值。例如，圖4顯示了河北省2011—2013年同一時期（4月上旬至6月中旬）小麥白粉病發(fā)生程度的統(tǒng)計比較，可以看出2012年白粉病自4月中旬起發(fā)生程度漸重，且至5月上旬發(fā)生程度達到3級，2011年僅次于2012年，2013年病害在全省發(fā)生緩慢，流行程度輕于其他年份。系統(tǒng)儲存的信息可供用戶查詢，既便于用戶通過對年度間的比較指導當前生產，也可為研究該病的發(fā)生與氣候及品種的關系提供一個數據平臺。

2.4 數理統(tǒng)計方法

為更好地利用多種方法開展白粉病防控研究，系統(tǒng)建立了預報方法庫，集合了6種回歸模型、2種模糊聚類模型以及2種其他模型，用來動態(tài)進行白粉病發(fā)生、發(fā)展的預報預測模型的修正與完善。

2.5 產品制作與分發(fā)

在系統(tǒng)環(huán)境中，可根據產品需要選擇不同的產品專用模板，調用預警、預報、評估等結果，同時通過“信息交換平臺”參考植保部門的相關信息，以圖、表、文檔等多種形式疊加輸出，通過調用常用文字及建議庫信息編輯形成相應產品。將待分發(fā)產品打包、壓縮后通過自動調用Notes、局域網及 Internet 等相關地址以及用戶檔案管理和產品目錄管理庫發(fā)給相關部門及公眾。

3 應用

2012年、2013年在小麥白粉病發(fā)生期前應用系統(tǒng)開展了相關服務，并對相應模型進行了驗證。驗證結果顯示，長期預報發(fā)生程度與實際相符，中期預報及短期預警準確率分別在80%、85%以上，系統(tǒng)應用穩(wěn)定。2012年5月6日利用初步建成的系統(tǒng)，約提前10 d對白粉病發(fā)生盛期和流行程度作出預測，5月中旬有多階段性降雨，白粉病一度發(fā)展較快，系統(tǒng)自動作出了流行速度預警，應用系統(tǒng)及時發(fā)布了“返青以來氣象條件對冬小麥病蟲害的影響分析及未來氣象等級預報”，并預測當前白粉病發(fā)生的氣象等級為3級較適宜發(fā)生。建議“各地麥區(qū)高度重視，密切監(jiān)測冬小麥病害的發(fā)生發(fā)展，及時防治，避免流行或大發(fā)生”，為政府決策、相關部門提早組織防治提供了依據。

4 結論與討論

為充分開展小麥白粉病針對性的業(yè)務服務，本系統(tǒng)集成建立了地面觀測氣象數據、病害資料等7類數據庫共100余種數據作為服務基礎，并實現了極值挑選、積溫統(tǒng)計等20余項統(tǒng)計功能?？紤]到田間實測數據的重要性，于2011年建立了3個白粉病田間溫濕度試驗站作為支撐驗證，同時也為相應服務提供了豐富的數據材料。系統(tǒng)與氣象局數據相連，可隨時判識、獲取最新報文，并可對原始報文自動翻譯追加入庫，分析統(tǒng)計。

針對性地開展了監(jiān)測預警、預測預報、影響評估的模型研究，共建立6個指標或模型，更適于應用，為自動化、智能化開展相應服務奠定了基礎。但研究所建指標與模型目前僅限于北方冬麥區(qū)，今后尚需對模型的整體效果進行驗證。

以往同類系統(tǒng)的建設較為單一，大多局限于預測預報系統(tǒng)或監(jiān)測預警系統(tǒng)，本研究集監(jiān)測預警、中期預報、長期預報、風險評估為一體，四者結合動態(tài)監(jiān)測、評估白粉病發(fā)生條件的時間變化，可以更加有效地防控病害；將數據采集、加工處理、病害監(jiān)測預警、中長期預報、影響評估及服務材料編輯融為一體，具備資料分析、圖表制作等功能，提供了系統(tǒng)的白粉病防治方案，簡化了資料統(tǒng)計和服務產品的編輯與輸出工作，同時具有數據庫與局域網環(huán)境的支持，可提高農業(yè)氣象業(yè)務服務的自動化水平。

系統(tǒng)內所有操作均可以單點、部分區(qū)域或全部區(qū)域為單位進行，實現空間服務的自由性。系統(tǒng)劃分模塊明晰，功能各異，在物理上相互獨立，邏輯上相互聯系，使系統(tǒng)的整體性更加穩(wěn)定。

系統(tǒng)具有較強的移植性及擴展性，可因地制宜拓展相應數據庫及功能，使系統(tǒng)實用性更強。系統(tǒng)的創(chuàng)建便于本地化，易于推廣應用，并可在適當的條件下，設立自定義的評判因子，為子系統(tǒng)加入新的功能，對整個系統(tǒng)的功能加以完善和升級。

系統(tǒng)界面風格采用Ribbon風格（圖1），取代了利用菜單和工具條組織各個功能項和命令的傳統(tǒng)模式，將各種功能的Ribbon 控件放置在功能區(qū)上，可直觀呈現，便于功能的使用和查找。

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針對性地開展了監(jiān)測預警、預測預報、影響評估的模型研究，共建立6個指標或模型，更適于應用，為自動化、智能化開展相應服務奠定了基礎。但研究所建指標與模型目前僅限于北方冬麥區(qū)，今后尚需對模型的整體效果進行驗證。

以往同類系統(tǒng)的建設較為單一，大多局限于預測預報系統(tǒng)或監(jiān)測預警系統(tǒng)，本研究集監(jiān)測預警、中期預報、長期預報、風險評估為一體，四者結合動態(tài)監(jiān)測、評估白粉病發(fā)生條件的時間變化，可以更加有效地防控病害；將數據采集、加工處理、病害監(jiān)測預警、中長期預報、影響評估及服務材料編輯融為一體，具備資料分析、圖表制作等功能，提供了系統(tǒng)的白粉病防治方案，簡化了資料統(tǒng)計和服務產品的編輯與輸出工作，同時具有數據庫與局域網環(huán)境的支持，可提高農業(yè)氣象業(yè)務服務的自動化水平。

系統(tǒng)內所有操作均可以單點、部分區(qū)域或全部區(qū)域為單位進行，實現空間服務的自由性。系統(tǒng)劃分模塊明晰，功能各異，在物理上相互獨立，邏輯上相互聯系，使系統(tǒng)的整體性更加穩(wěn)定。

系統(tǒng)具有較強的移植性及擴展性，可因地制宜拓展相應數據庫及功能，使系統(tǒng)實用性更強。系統(tǒng)的創(chuàng)建便于本地化，易于推廣應用，并可在適當的條件下，設立自定義的評判因子，為子系統(tǒng)加入新的功能，對整個系統(tǒng)的功能加以完善和升級。

系統(tǒng)界面風格采用Ribbon風格（圖1），取代了利用菜單和工具條組織各個功能項和命令的傳統(tǒng)模式，將各種功能的Ribbon 控件放置在功能區(qū)上，可直觀呈現，便于功能的使用和查找。

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針對性地開展了監(jiān)測預警、預測預報、影響評估的模型研究，共建立6個指標或模型，更適于應用，為自動化、智能化開展相應服務奠定了基礎。但研究所建指標與模型目前僅限于北方冬麥區(qū)，今后尚需對模型的整體效果進行驗證。

以往同類系統(tǒng)的建設較為單一，大多局限于預測預報系統(tǒng)或監(jiān)測預警系統(tǒng)，本研究集監(jiān)測預警、中期預報、長期預報、風險評估為一體，四者結合動態(tài)監(jiān)測、評估白粉病發(fā)生條件的時間變化，可以更加有效地防控病害；將數據采集、加工處理、病害監(jiān)測預警、中長期預報、影響評估及服務材料編輯融為一體，具備資料分析、圖表制作等功能，提供了系統(tǒng)的白粉病防治方案，簡化了資料統(tǒng)計和服務產品的編輯與輸出工作，同時具有數據庫與局域網環(huán)境的支持，可提高農業(yè)氣象業(yè)務服務的自動化水平。

系統(tǒng)內所有操作均可以單點、部分區(qū)域或全部區(qū)域為單位進行，實現空間服務的自由性。系統(tǒng)劃分模塊明晰，功能各異，在物理上相互獨立，邏輯上相互聯系，使系統(tǒng)的整體性更加穩(wěn)定。

系統(tǒng)具有較強的移植性及擴展性，可因地制宜拓展相應數據庫及功能，使系統(tǒng)實用性更強。系統(tǒng)的創(chuàng)建便于本地化，易于推廣應用，并可在適當的條件下，設立自定義的評判因子，為子系統(tǒng)加入新的功能，對整個系統(tǒng)的功能加以完善和升級。

系統(tǒng)界面風格采用Ribbon風格（圖1），取代了利用菜單和工具條組織各個功能項和命令的傳統(tǒng)模式，將各種功能的Ribbon 控件放置在功能區(qū)上，可直觀呈現，便于功能的使用和查找。

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