李全景，陳立峰，王倩，張越，陳連俠，胡園春

(1.山東省氣象防災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.棗莊市氣象局,山東 棗莊 277800；3.棗莊市嶧城區(qū)氣象局,山東 嶧城 277300)

石榴是棗莊市的著名地方特產(chǎn)，也是棗莊農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。2015年底的寒潮天氣，讓棗莊石榴的生產(chǎn)發(fā)展承受巨大災(zāi)害，種植戶也因此遭受重大經(jīng)濟損失。為防范災(zāi)害性天氣，減少經(jīng)濟損失，積極開發(fā)可實現(xiàn)石榴增產(chǎn)、農(nóng)民增收的方法與途徑[1-3]，建立特色農(nóng)業(yè)(石榴)氣象服務(wù)平臺對于棗莊石榴產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展有著重要意義。特色農(nóng)業(yè)(石榴)氣象服務(wù)平臺的構(gòu)建，可以精密監(jiān)測天氣實況、精準預(yù)報氣象災(zāi)害并建立相應(yīng)預(yù)警機制，不僅能提高特色農(nóng)業(yè)氣象的服務(wù)效率，方便快捷地實現(xiàn)各項輔助服務(wù)的自動化運行，還可以結(jié)合石榴生產(chǎn)特點開展個性化服務(wù)[4]，直觀展示石榴氣象服務(wù)內(nèi)容，為石榴氣象服務(wù)決策[5]和指導(dǎo)田間管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該平臺系統(tǒng)與現(xiàn)代5G技術(shù)相融合，在農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用場景方面更能突顯出即時性與適應(yīng)性，使不同信息數(shù)據(jù)的交互能力得到較大提升，并以“數(shù)據(jù)連接數(shù)據(jù)”的模式，將云計算、大數(shù)據(jù)及AI技術(shù)進行深度融合。該農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺是基于市氣象部門觀測的專業(yè)數(shù)據(jù)，與本平臺內(nèi)石榴的各發(fā)育期所需氣象指標進行技術(shù)融合后，自動輸出服務(wù)產(chǎn)品。

1.1 設(shè)計模式

借助與人們生活緊密相連的熱點平臺進行開發(fā)建設(shè)，開發(fā)標準采用現(xiàn)階段國內(nèi)與國外的先進技術(shù)標準，再結(jié)合本地區(qū)的實際狀況進行因地、因時制宜的個性化設(shè)計，在運行穩(wěn)定的前提下確保精準性、個性化及智慧型專業(yè)氣象服務(wù)信息的推送發(fā)布。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)模式不同，此平臺基于我國5G現(xiàn)代移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對特色作物的生長特點設(shè)計而成，實現(xiàn)了智慧型農(nóng)業(yè)氣象信息預(yù)測及發(fā)布[6]，對石榴的日常生產(chǎn)進行科學(xué)監(jiān)控。

1.2 設(shè)計思路

平臺系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)分析、云計算及不同算法的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)進行搭建與升級的，不僅可與農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)進行深度融合，滿足農(nóng)戶對于各項氣象指標進行自由切換與刪減，還可以同步對石榴的具體生長狀況通過數(shù)據(jù)連接進行上傳，也可自行下載并存儲，以此滿足不同用戶的實際生產(chǎn)需求。系統(tǒng)設(shè)計本著頁面簡潔、使用友好且管理便捷的原則，以用戶的實際需求為出發(fā)點，運用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、互通有無的發(fā)展思維，旨在為棗莊市廣大石榴種植農(nóng)戶，提供精準型、智慧型和個性化的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)窗口。

1.3 設(shè)計原則

由于主流網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與運行系統(tǒng)是運行成熟且穩(wěn)定的，是經(jīng)過實踐檢驗的配置模式，可應(yīng)用于不同場景的多媒體需求。在此基礎(chǔ)上還加強了安防保密措施，可以及時檢測平臺系統(tǒng)的運行漏洞，為平臺系統(tǒng)的良性運行做好相關(guān)措施[7]。平臺系統(tǒng)的設(shè)置原則主要遵循以下幾方面：

先進性原則。借助現(xiàn)有的地面寬帶網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和各種數(shù)據(jù)信息，進行快速、及時、有效的收集與處理，充分整合各類數(shù)據(jù)公共資源，建設(shè)集中、統(tǒng)一、綜合性強的特色農(nóng)業(yè)智慧氣象服務(wù)平臺。

實用性原則。平臺開發(fā)的根本目的是要實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的對接入庫、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)展示，提供一個方便、快捷與高效的應(yīng)用環(huán)境。平臺以實用性和可操作性為核心內(nèi)容，以用戶的具體功能需求為主，再輔以個性化定制的特色模塊實現(xiàn)綜合性使用功能。

可靠性原則。為保證系統(tǒng)運行的安全性、可靠性與及時性，建立了相應(yīng)預(yù)警機制、故障發(fā)生處理機制及故障解除機制，保持了優(yōu)質(zhì)的運行質(zhì)量與運行效率，具備應(yīng)對各類復(fù)雜應(yīng)用場景變化的能力。

1.4 技術(shù)路線及架構(gòu)

平臺系統(tǒng)分為前端展示和后端服務(wù)兩大部分，前端也稱為用戶端，主要展示經(jīng)過綜合分析整理出的功能性服務(wù)項目內(nèi)容，如氣象要素等值面圖、歷史軌跡折線圖、表格等不同形式的數(shù)據(jù)分析輸出，而后端服務(wù)則主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的同步性交互作用，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理定時生成服務(wù)產(chǎn)品項目。該系統(tǒng)主要采用ASP.NET技術(shù)進行開發(fā)，通過Html、CSS/JavaScript以及服務(wù)器腳本構(gòu)建前端網(wǎng)頁，后臺采用C#高級語言，構(gòu)建特色業(yè)務(wù)邏輯思維框架，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫則采用SQlSever2012進行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的存儲，前后端都采用ajax技術(shù)創(chuàng)建的交互應(yīng)用，整個系統(tǒng)全面部署于IIS服務(wù)器上，而相關(guān)服務(wù)功能則部署于Windows系統(tǒng)上，整體呈現(xiàn)出安全、實時、高效能的特點，以滿足平臺系統(tǒng)的具體操作應(yīng)用需求(圖1)。

圖1 平臺技術(shù)的架構(gòu)

1.4.1 實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步抓取功能

在山東氣象內(nèi)網(wǎng)的環(huán)境下，基于Windows操作系統(tǒng)平臺，通過與全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)相交互，以SQL server2012數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲中心。主要同步相關(guān)數(shù)據(jù)可按時間周期分為“小時數(shù)據(jù)”與“日數(shù)據(jù)”兩種，其中“小時數(shù)據(jù)”項目中可細分設(shè)置關(guān)于氣壓、氣溫、最高氣溫、最低氣溫、濕度、最小濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、最大風(fēng)速、降水、5 cm地溫、10 cm地溫等短時間周期的氣象要素內(nèi)容；而“日數(shù)據(jù)”項目中可細分為日平均氣壓、最高氣壓、最低氣壓、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日最小濕度、日降水、日照時長等長時間周期的氣象要素內(nèi)容，其中“小時數(shù)據(jù)”的更新頻率通常設(shè)置每20 min一次，而“日數(shù)據(jù)”的更新時間最好設(shè)置于每日8點與20點[8]。

1.4.2 實現(xiàn)CIMISS數(shù)據(jù)同步補錄功能

當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)意外關(guān)停機等問題或是出于各類故障不能進行正常工作時，如果系統(tǒng)一旦恢復(fù)，那么本系統(tǒng)的自動模塊就會恢復(fù)正常工作，并將其相關(guān)丟失數(shù)據(jù)及時進行補錄，實現(xiàn)自動存儲及提取缺失數(shù)據(jù)功能。

1.4.3 實現(xiàn)格點預(yù)報數(shù)據(jù)同步抓取功能

在山東氣象內(nèi)網(wǎng)的環(huán)境下，同樣基于Windows操作系統(tǒng)編寫原理以期實現(xiàn)另一個服務(wù)功能，即通過與CIMISS“全國綜合氣象信息共享平臺”的相交互服務(wù)及時進行獲取、下載及解析等具體操作步驟，這項服務(wù)功能主要體現(xiàn)在可解析逐3 h 10 d氣溫的格點預(yù)報、逐3 h 10 d的降水格點預(yù)報及逐3 h 10 d濕度格點的預(yù)報、逐24 h 10 d最高氣溫的格點預(yù)報及逐24 h 10 d最低氣溫的格點預(yù)報。這項服務(wù)也可設(shè)置于每日8點與20點進行整點時的自動獲取，同步實現(xiàn)下載解析功能[9]。

1.4.4 實現(xiàn)實景攝像頭數(shù)據(jù)對接功能

這項功能的實現(xiàn)主要是在山東氣象內(nèi)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境下，以嶧城石榴實景攝像頭數(shù)據(jù)與山東現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象智能業(yè)務(wù)平臺相對接，對嶧城(石榴)實景攝像頭的數(shù)據(jù)及時更新，自每日的8—16點采用整點更新的方式進行遠景及近景的實景圖片各拍一張。

1.5 系統(tǒng)構(gòu)成

特色農(nóng)業(yè)(石榴)氣象服務(wù)平臺功能模塊中包含數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、服務(wù)產(chǎn)品及其他子項，而數(shù)據(jù)展示子項中包含CIMISS實況數(shù)據(jù)信息展示、果業(yè)小氣候站數(shù)據(jù)展示、種植分布展示、格點預(yù)報、實景觀測及果實膨大期監(jiān)測數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)統(tǒng)計中主要包含石榴的相關(guān)歷史實況數(shù)據(jù)統(tǒng)計；服務(wù)產(chǎn)品項目中包含石榴春秋季凍害預(yù)警服務(wù)、石榴裂果預(yù)測預(yù)警服務(wù)、石榴花期預(yù)測服務(wù)、石榴氣候適宜度服務(wù)；其他子項中主要包含系統(tǒng)配置，智能發(fā)布與氣象數(shù)據(jù)同步等內(nèi)容。

2 平臺功能及應(yīng)用

2.1 智慧服務(wù)項目種類

依托棗莊市氣象局石榴氣象服務(wù)團隊構(gòu)建的初春石榴凍害預(yù)測預(yù)警模型、秋末石榴凍害預(yù)測預(yù)警模型、石榴裂果預(yù)測預(yù)警模型、石榴氣候適宜度模型、花期預(yù)測模型等創(chuàng)新性研究成果，可實現(xiàn)在抓取數(shù)據(jù)后，各項功能模型會自動計算并識別，最終可自動生成氣象服務(wù)項目類型的種類輸出。服務(wù)項目內(nèi)容主要涵蓋石榴花期預(yù)測、初春凍害預(yù)測、秋末凍害預(yù)測、石榴裂果預(yù)測、氣候適宜度、石榴病蟲害預(yù)測、石榴氣候好產(chǎn)品等。

2.2 平臺應(yīng)用功能

系統(tǒng)平臺主要包括在線制作、在線修改、在線查看、在線導(dǎo)出、在線刪除等功能模塊。這些功能設(shè)置可有助于綜合觀測數(shù)據(jù)查詢基于離線GIS地圖展示，其具體內(nèi)容主要包括：

棗莊氣象站數(shù)據(jù)實況氣象數(shù)據(jù)數(shù)值圖(此圖是根據(jù)各個氣象觀測站的經(jīng)緯度信息的具體展示)與等值面圖兩種展示方式。提取氣象要素的重要關(guān)注點、相關(guān)氣象指標閾值、石榴生育期指標應(yīng)調(diào)整的生長指標信息等內(nèi)容；同時也及時展現(xiàn)出相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象及作物的數(shù)據(jù)信息等，如農(nóng)作物長勢、病蟲害、災(zāi)害性天氣等信息，這種信息輸出是基于相關(guān)氣象部門的原有業(yè)務(wù)基礎(chǔ)服務(wù)數(shù)據(jù)而成的，兩者相融合共同形成服務(wù)于智慧農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)信息[10]。

格點預(yù)報可以進行滾動式播放、鼠標移動區(qū)域浮動展示格點預(yù)報值，點擊區(qū)域內(nèi)可通過點擊實現(xiàn)“一點查看”的預(yù)報氣象要素的具體變化軌跡。

2.3 實現(xiàn)歷史實況的數(shù)據(jù)查詢功能

2.3.1 CIMISS氣象站的歷史數(shù)據(jù)查詢

本項功能可實現(xiàn)并支持按區(qū)域、按站點類型的查詢，也可實現(xiàn)按時間周期和按氣象要素進行查詢，該查詢檢索功能所查詢到的數(shù)據(jù)可分兩種，即對于小時數(shù)據(jù)的查詢和日數(shù)據(jù)的查詢。具體展示方式可通過折線變化圖進行展示，同時支持對圖片下載功能及相關(guān)數(shù)據(jù)表格的下載。

2.3.2 石榴膨大期監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢

每年8月是石榴果實膨大期的重要時間節(jié)點，石榴在這段時期的生產(chǎn)管理是否科學(xué)對石榴的產(chǎn)量及其品質(zhì)提升具有重要意義，這時期的平臺監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對石榴相關(guān)生長數(shù)據(jù)進行查詢的功能，主要是按時間周期、多種氣象要素和石榴生產(chǎn)要素進行科學(xué)查詢與管理，起到預(yù)警提示的作用，這一功能也可通過折線的變化圖示進行展現(xiàn)，同步可進行實時數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)下載。

2.3.3 實現(xiàn)石榴的小氣候數(shù)據(jù)查詢

這一功能主要是根據(jù)石榴作物的生長指標庫信息，提取出用戶關(guān)注的氣象信息，進行科學(xué)分析并篩選石榴在不同生長期對于氣象條件的需求，以達到對石榴作物全生命周期的精準服務(wù)并匹配生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)建議。同時根據(jù)現(xiàn)階段氣象條件與石榴作物所處的生長期時段預(yù)估出未來的生長趨勢及可能出現(xiàn)的各類災(zāi)害，細致劃分出所應(yīng)對的災(zāi)害級別，對于下一步的農(nóng)事活動及時給予建議等。該數(shù)據(jù)查詢分為不同氣象要素實時數(shù)據(jù)、石榴生長狀況實時數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)展示的方式分為圖表、折線圖和圖片三種類型，同時支持上述數(shù)據(jù)的下載和存儲。

2.3.4 石榴作物長勢實景觀測

本項功能模塊設(shè)置可通過石榴的具體生長狀況進行實景觀測，便于及時掌握石榴的生長形勢，實景觀測里可實現(xiàn)遠近景切換，便于多角度觀察石榴作物的生長形勢并為農(nóng)戶提供準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于及時采取相關(guān)措施，促進作物健康生長。

2.3.5 氣象服務(wù)項目的智能推送

這項功能是基于在公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境前提下，結(jié)合氣象即時數(shù)據(jù)進行預(yù)報功能的實現(xiàn)，具體可針對用戶需求匹配具體氣象要素數(shù)據(jù)，同步啟動后端平臺系統(tǒng)的自適應(yīng)算法，創(chuàng)建適應(yīng)石榴生長的算法模型，按時間周期可分為短時的氣象災(zāi)害預(yù)警與石榴生長期關(guān)鍵點的具體氣象服務(wù)內(nèi)容，同時同步推送至用戶端，其推送手段可通過短信或郵箱的模式進行[11]。

3 小結(jié)

特色農(nóng)業(yè)(石榴)氣象服務(wù)平臺是依托現(xiàn)代科技技術(shù)的大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)進行研發(fā)的特色農(nóng)業(yè)智慧服務(wù)項目，不僅實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)采集及查詢，同時實現(xiàn)了對特定的氣象服務(wù)指標進行訂正、對氣象服務(wù)產(chǎn)品的特定功能進行加工制作、對相關(guān)服務(wù)項目產(chǎn)品智能推送為一體的智慧型農(nóng)業(yè)服務(wù)，既滿足了現(xiàn)代特色農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)需求，也提升了智慧氣象為農(nóng)業(yè)的服務(wù)能力。