薛 丹，張仁祖，胡慎慎，李靜怡，賈 紅，張利華，陳 耿，曹夢瑤

（徐州市氣象局，江蘇 徐州 221000）

徐州市地處黃淮平原南部，承南接北，海陸距離適中，屬暖溫帶濕潤半濕潤季風(fēng)性氣候，光溫水資源比較豐富，四季分明，光照充足，全年雨量適中但雨熱同期，水資源有效利用率不高。干旱和澇漬災(zāi)害時有發(fā)生，是影響徐州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害［1］。徐州市十年九旱，四季皆可成旱，農(nóng)田干旱會影響農(nóng)作物的正常生長發(fā)育，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的降低，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，同時徐州市夏季降水集中，澇漬也是常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響比較大。徐州市是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)田土壤墑情直接影響農(nóng)作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成，需要準(zhǔn)確、及時、全面地了解全市的農(nóng)田土壤墑情。

目前，徐州市土壤墑情監(jiān)測主要依靠人工定點(diǎn)觀測和自動土壤水分監(jiān)測站觀測。人工觀測的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但是觀測點(diǎn)少、觀測時間間隔較長，不能滿足精細(xì)化服務(wù)的需求。徐州市現(xiàn)有12個自動土壤水分監(jiān)測站，分布在各個縣區(qū)，站點(diǎn)較為稀疏，空間分辨率較低，無法用于精細(xì)化的土壤墑情評估［2-4］。

陸面數(shù)據(jù)同化技術(shù)為利用站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和遙感信息提供了有效途徑，中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)CLDAS（CMA Land Data Assimilation System），通過融合與同化技術(shù)，對地面觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感資料和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合同化，綜合利用了CLM3.5、CoLM、Noah-MP 3個陸面模式，結(jié)合CLDAS大氣驅(qū)動場產(chǎn)品、土壤質(zhì)地和植被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行集合分析，制作逐小時、空間分辨率0.062 5°×0.062 5°的格點(diǎn)土壤濕度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集研制技術(shù)與國際同類產(chǎn)品（GLDAS、NLDAS產(chǎn)品）相當(dāng)，且時空分辨率更高，可滿足農(nóng)田土壤墑情大范圍區(qū)域化評估和小范圍精細(xì)化評估的需求［5-8］。

本研究通過Python編程語言實(shí)現(xiàn)CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品的可視化，同時實(shí)現(xiàn)不同時間同類產(chǎn)品對比分析和可視化功能，并將其封裝成一套易于操作的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)日常的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為農(nóng)業(yè)氣象精準(zhǔn)化決策服務(wù)提供技術(shù)支撐。Python是一個高層次的結(jié)合解釋性、編譯性、互動性和面向?qū)ο蟮哪_本語言［9］，提供了非常完善的基礎(chǔ)代碼庫以及大量的第三方庫，既有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖庫，如Numpy、Pandas、Matplotlib等，又有用于圖像界面開發(fā)的專門庫，如PyQT、WxPython、TkInter等，Python語言能夠完美地適用于徐州市農(nóng)田墑情可視化業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)和后期維護(hù)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品

CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品提供了覆蓋亞洲區(qū)域（0—65°N，60—160°E），0.062 5°×0.062 5°與1 h分辨率的等經(jīng)緯度網(wǎng)格融合分析產(chǎn)品，包括土壤濕度產(chǎn)品（垂直分為5層：0～5、0～10、10～40、40～100、100～200 cm）和土壤相對濕度分析產(chǎn)品（垂直分為3層：0～10、0～20、0～50 cm）［6，7］。利用中國區(qū)域業(yè)務(wù)質(zhì)量控制后的土壤水分自動站觀測資料對CLDAS土壤體積含水量數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行了評估，表明CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品與地面實(shí)際觀測吻合度較高。CLDAS土壤體積含水量產(chǎn)品全國區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)為0.89，均方根誤差為0.02 m3/m3，偏差為0.01 m3/m3；CLDAS土壤相對濕度產(chǎn)品全國區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)0.8，均方根誤差小于10.0%，偏差為10%［6-8］。

該數(shù)據(jù)產(chǎn)品由國家氣象中心定時通過CMACast向各省市氣象局與國內(nèi)外行業(yè)用戶下發(fā)，數(shù)據(jù)格式為NetCDF。

1.2 徐州市市縣鎮(zhèn)三級地圖邊界文件

該系統(tǒng)使用徐州市市縣鎮(zhèn)三級的地圖邊界信息由91衛(wèi)圖助手提供，利用ArcGIS軟件處理得到地圖邊界的*.shp格式文件［10］。繪制圖片時根據(jù)邊界信息確認(rèn)圖片大小和繪圖區(qū)域，并白化多余區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田土壤墑情區(qū)域展示。

2 系統(tǒng)整體思路及體系結(jié)構(gòu)流程

徐州市農(nóng)田墑情精細(xì)化評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品在徐州市級和下屬9個縣（區(qū)）級區(qū)域的可視化以及不同產(chǎn)品的時間對比分析和可視化功能，具體功能包括：

1）交互式的數(shù)據(jù)輸入和圖片顯示，實(shí)現(xiàn)CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品的處理和繪圖；

2）自動識別輸入數(shù)據(jù)信息，繪制徐州各市縣土壤相對濕度和土壤容積含水率區(qū)域分布色斑圖；

3）輸入不同時間的數(shù)據(jù)，繪制徐州各市縣土壤相對濕度和土壤容積含水率時間對比圖；

4）實(shí)現(xiàn)繪圖區(qū)域、分辨率、色標(biāo)范圍、圖片名稱等圖片參數(shù)的自由更改和圖片的重新繪制；

5）實(shí)現(xiàn)圖片的多格式存儲：*.png、*.jpg、*.bmp等。

該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。首先需要輸入繪圖所需要的CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品（土壤體積含水量或土壤相對濕度產(chǎn)品）。隨后選擇是否繪制對比圖，若選擇是，則還需要輸入相對應(yīng)的對比數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動判斷選擇結(jié)果，進(jìn)入相應(yīng)類型的圖片繪制程序。繪制圖片前，系統(tǒng)首先會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，自動識別出相應(yīng)的圖片默認(rèn)參數(shù)（繪圖區(qū)域、分辨率、色標(biāo)范圍、圖片名稱等）并在窗口中進(jìn)行展示。默認(rèn)圖片參數(shù)可根據(jù)需要直接在窗口中進(jìn)行修改。確認(rèn)參數(shù)后，圖片繪制程序會首先根據(jù)設(shè)置的色標(biāo)范圍和分辨率等繪制出輸入數(shù)據(jù)全范圍的色斑圖。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)選擇的繪圖區(qū)域，調(diào)用相應(yīng)的地圖邊界數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的地圖并白化多余區(qū)域，形成特定區(qū)域的土壤濕度分布圖。最后，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)圖片不同格式（*.png、*.jpg、*.bmp）的保存功能。

圖1 徐州市農(nóng)田土壤墑情精細(xì)化評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)流程

3 窗體和關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

3.1 窗體界面設(shè)計(jì)

Python的圖形界面（GUI）庫包括Tkinter、wxPython、PyQt5和Pyside2。其中PyQt5和Pyside2是基于Qt的Python庫，優(yōu)點(diǎn)是控件比較豐富、跨平臺體驗(yàn)好、文檔完善、用戶多，十分適用于小型系統(tǒng)的開發(fā)。與PyQt5相比，PySide2是開源的，不受版權(quán)的限制，因此本研究選擇PySide2來進(jìn)行圖形界面的設(shè)計(jì)。

在PySide2中編寫UI界面可以直接通過代碼來實(shí)現(xiàn)，也可以通過QT界面生成器Qt Designer來完成。Qt Designer的設(shè)計(jì)符合MVC的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了視圖和邏輯的分離，從而實(shí)現(xiàn)了開發(fā)的便捷。Qt Designer中的操作方式十分靈活，其通過拖拽的方式放置控件隨時查看控件效果。

徐州市農(nóng)田土壤墑情可視化業(yè)務(wù)系統(tǒng)窗體界面包括數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、圖片參數(shù)區(qū)和繪圖區(qū)3個模塊，如圖2所示。繪圖區(qū)域可下拉進(jìn)行選擇，其他圖片參數(shù)均可在界面直接進(jìn)行修改。

圖2 徐州市農(nóng)田土壤墑情精細(xì)化評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)窗體界面

3.2 關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

3.2.1 讀取和處理CLDAS產(chǎn)品數(shù)據(jù) 對CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品原始的NetCDF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并根據(jù)繪圖類型對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

’］）*100#讀取容積含水率

else：

Data=np.asarray（file1.variables［‘RSM’］）#

讀取相對濕度數(shù)據(jù)

Data［Data＞100］=100#相對濕度大于100的值都等于100

3.2.2 繪制全區(qū)色斑圖 運(yùn)用Python的Matplotlib繪圖庫，進(jìn)行全區(qū)色斑圖的繪制，根據(jù)輸入的圖片參數(shù)設(shè)置圖片的分辨率、色標(biāo)范圍和圖片名稱等。

3.2.3 繪制地圖并白化多余區(qū)域 根據(jù)選擇的繪圖區(qū)域，調(diào)用相應(yīng)的地圖邊界數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的地圖并白化多余區(qū)域，得到選定地區(qū)的CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品區(qū)域分布圖。

4 業(yè)務(wù)應(yīng)用及運(yùn)行效果

選擇2021年8月30—31日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產(chǎn)品來進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行效果檢驗(yàn)。

4.1 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品區(qū)域分布圖的繪制

點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)”后的“選擇文件”按鈕，選擇8月30日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產(chǎn)品。點(diǎn)擊“確認(rèn)輸入”后，系統(tǒng)自動識別數(shù)據(jù)信息，在窗口中顯示出默認(rèn)的圖片參數(shù)和對應(yīng)圖片名稱。此時圖片參數(shù)和圖片名稱均可在窗口中進(jìn)行修改，確認(rèn)參數(shù)無誤后，點(diǎn)擊“繪圖”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動繪制出土壤相對濕度區(qū)域分布圖（圖3）。

圖3 生物毒性對活性污泥的抑制效果與活性污泥呼吸速率抑制擬合圖

圖3 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品在徐州市的區(qū)域分布圖

更改繪圖區(qū)域?yàn)椤摆荨保直媛蕿?40，色標(biāo)數(shù)值間隔為5，重新點(diǎn)擊“繪圖”，即可得到邳州地區(qū)土壤相對濕度區(qū)域分布圖，圖片的分辨率和色標(biāo)范圍也得到了相應(yīng)的修改，如圖4所示。點(diǎn)擊“保存”按鈕，圖片即可以保存到電腦的任意指定位置。

圖4 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品在邳州的區(qū)域分布

4.2 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品時間對比圖的繪制

在窗口勾選“繪制對比圖”選項(xiàng)，并點(diǎn)擊對比數(shù)據(jù)后的“選擇文件”按鈕選擇8月31日0～10 cm的CLDAS土壤相對濕度產(chǎn)品，點(diǎn)擊“確認(rèn)輸入”，并點(diǎn)擊“繪圖”重新繪制對比圖，結(jié)果如圖5所示，生成的對比圖能夠很好地反映2 d數(shù)據(jù)之間的對比差異。

圖5 CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品在徐州地區(qū)的時間對比圖

該系統(tǒng)可一鍵輸入數(shù)據(jù)，并一鍵生成徐州市縣兩級的CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品的區(qū)域分布圖和時間對比圖。繪圖區(qū)域、圖片分辨率、色標(biāo)范圍、圖片名稱等圖片參數(shù)均由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)自動識別，且各參數(shù)可按需求進(jìn)行更改，可自由保存成多格式的圖片文件，充分滿足徐州市農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測分析的日常業(yè)務(wù)需求，提升相關(guān)部門對干旱和澇漬災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力。

5 小結(jié)與討論

本研究基于Python編程語言開發(fā)了一套徐州市農(nóng)田墑情精細(xì)化評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可快速繪制徐州市縣兩級精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品（CLDAS土壤相對濕度和CLDAS土壤容積含水率）區(qū)域分布圖和變化對比圖，實(shí)現(xiàn)了全市農(nóng)田土壤墑情全面、準(zhǔn)確、快速、滾動監(jiān)測，較大提升了氣象部門對干旱和澇漬災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力。

CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品與地面實(shí)際觀測吻合度較高，且時空分辨率高于國際同類產(chǎn)品，能夠很好地反映農(nóng)田土壤墑情的區(qū)域分布特征，彌補(bǔ)人工觀測和自動土壤水分監(jiān)測站的不足。該系統(tǒng)能夠根據(jù)需求繪制徐州市市縣兩級任意地區(qū)的土壤相對濕度和土壤容積含水率區(qū)域分布圖，并且能夠繪制其變化對比圖，能夠充分滿足農(nóng)田干旱和澇漬監(jiān)測分析的日常業(yè)務(wù)需求。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交互式的操作，數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)修改、繪圖和保存均可在界面操作完成，簡單方便，易于業(yè)務(wù)應(yīng)用。需要繪制的圖片名稱、分辨率、色標(biāo)范圍等默認(rèn)參數(shù)均可由系統(tǒng)自動識別給出，無需手動填寫，并且可根據(jù)需要進(jìn)行修改，可靈活滿足實(shí)際應(yīng)用中的各種需求。

該系統(tǒng)的開發(fā)主要針對徐州地區(qū)，但該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可拓展性。CLDAS土壤濕度分析產(chǎn)品覆蓋整個亞洲區(qū)域，只需要在系統(tǒng)中添加其他地區(qū)的地圖邊界文件，便可繪制出相應(yīng)地區(qū)土壤濕度產(chǎn)品的區(qū)域分布圖。