自动农业气象观测系统的功能与设计

□ 张友安

农业是我国国民经济的基础，农业气象服务工作能够有效促进现代农业的发展。近年来，我国越来越重视农业气象工作的发展，已经初步形成了以全国－省－市－县为等级的农业气象服务体系，加大了对农业生产和应对气候变化的管理力度。在高科技迅猛发展的过程中，农田也逐渐呈现出安全、高效和生态的发展趋势，对农业区气象观测工作的要求也越来越高，建立针对性和实时性强、服务水平高、内容丰富的农业气象系统成为农业发展的必然需求，因此，研究自动农业气象观测系统功能与设计具有非常重要的意义。

一、自动农业气象观测系统的总体设计

重点解决急需、成熟性、通用性、可靠性和模块化组态设计是自动农业气象观测系统在设计过程中遵循的基础原则，构建该系统的主要目的就是满足农业气象业务需求，弥补人工观测在观测作物及其他观测项目中的不足［1］。系统传感器应用了当前较为成熟的技术，可替代性较强，保证了系统稳定、可靠的运行，并对观测传感器的功能进行进一步的优化。本研究将水稻、小麦、棉花和玉米四类主要粮食和经济作物为主要观测对象，从农业气象灾害、农田小气候、作物生长发育及土壤水分等观测项目入手，探究自动农业气象观测系统的功能与设计。

软件及硬件系统是构成自动农业气象观测系统的两大部分，其中前者由信息处理与应用软件、数据自动采集与控制软件两部分构成，土壤水分自动观测传感器、作物生长CCD自动采集传感器、电源系统、数据采集器等其他系统共同构成了硬件系统。在研究过程中，主要针对水稻、棉花、玉米及小麦四种置于不同生态区的作物，对人工观测、自动观测方式及自动识别算法、自动观测方法进行对比，探究在不同气候区中设备的适应性。自动农业气象观测系统的总体设计思路如图1所示。

二、自动农业气象观测系统的设计与实现

(一)农田小气候观测设计与观测要素。农田小气候观测子系统在设计过程中充分顾及了高秆及矮秆作物的差异，为了全面体现不同气候区的气象要素及其分布，可以采取在作物顶、中及底部设置传感器的方法。针对高秆作物，其顶部约为3米高，中部为1．5米，而矮秆作物顶部约为1．5米高，中部为0．6 米，但二者底部高度均为 0．05 米［2］。作物干旱、农田蒸发和光合作用同顶部气象分布特点有很大的关系，而作物灌溉状况由中部高度决定，底部拔节高度对晚霜冻非常敏感。所以在研究过程中，若农田地段采取高秆、矮秆作物轮作的方式，应将传感器安置的位置划分为四个层次，若仅为矮秆作物，则可以将传感器的设置分为三个层次，即顶部(1．5 米)、作物结实部位(0．6 米)、底部(0．05 米)。

作物上方气象条件、农田内气象条件是农田小气候观测系统的两个侧重点，根据观测结果可以将相关的参考数据用于农业气象灾害风险评价、作物生长气候评价等方面。自动农业气象观测系统的气象要素主要包括不同高度层的光合作用、湿度、温度和风速等。

图1 自动农业气象观测系统的总体设计思路

图2 自动农业气象观测系统结构分布状况

(二)作物生长自动化观测系统设计。图像自动识别处理、自动采集作物生长信息是构成作物生长自动化观测子系统的两大部分，其中信息采集工作可以借助CCD图像传感器的功能来完成，要想保证作物生长率判断的准确程度，必须要加强对图像传感器的分辨率、高度和焦距等因素的控制［3］。本研究中自动农业气象观测系统构建的基础就是三维模拟软件，同时结合了外场试验结果，对传感器技术指标进行明确。作物密度、株高的自动观测的共同点是都应用了图像处理技术，不同点是二者分别通过数理统计、摄影测量学来实现，而作物的发育图像自动观测则是以图像处理技术为前提，将图像信息和作物生长特点有机结合起来获得的结果。

(三)自动农业气象观测系统综合集成技术。开放性是自动农业气候观测系统突出的特点，该系统由多个子系统构成，包括大量观测传感器，各个子系统均能够独立运行。自动农业气候观测系统的设计与开发主要依靠的是CAN、CAN-open技术，借助积木化智能硬件组态方式及控制器局域网络总线技术，形成针对农业气象的标准化、开放化的CANopen协议，将各种观测要素进行整合，能够简便、灵活地对各个采集器进行调节。自动农业气象观测站的关键就是综合处理子系统，具备通信、统计、采集和控制等多项功能，可以向数据中心站传输各类数据信息，能够实时储存、传输庞大的信息量［4］。自动农业气象观测系统结构分布详见图2。

(四)土壤水分自动化观测系统设计。当前农业气象观测服务采用的一种关键技术就是FDR频域反射技术，以此技术为基础形成的传感器在土壤水分自动化观测子系统中发挥着重要作用，传感器可以保证体积含水率的标定误差为正负2．5%。自动农业气象观测系统参考人工土壤水分观测标准，将土壤中的传感器分布状况划分为8个层次，即10厘米处的土壤表层，20与30厘米处的耕作层，40、50与60厘米处的中层土壤，80与100厘米处的深层土壤。在实际观测过程中，则需要结合不同状况合理设定传感器的数量和分布状况。

(五)自动农业气象观测信息处理与应用系统设计。对作物生长发育、生长势头等图像进行实时性的显示，并对土壤水分观测资料与农田小气候观测资料进行处理是自动农业气象观测信息处理与应用系统的两大作用，还能够对系统中的各项观测设备和仪器进行监控，当出现异常情况时启动报警功能，保证系统正常、稳定的运行。在制定农业生产决策时，可以在系统中调取以往相关的数据信息，对不同要素进行组合对比分析，统计农业灾害信息。自动农业气象观测信息处理与应用系统设计平台建立在Oracle、SQL数据库技术的基础上，可以对各项观测数据的结构、存储格式进行处理，从而显示田间观测图像，完成农业气象观测报表的制作，提供更多的农业气象服务。

三、结语

在农业气象观测要素的基础上，结合农业气象业务需求而设计的自动农业气象观测系统，针对田间气象及作物生长要素进行观测，可以动态掌握农作物生长、发育的整个过程，具有准确、实时、高效的优势。自动农业气象观测系统中自动检测设备在观测频率、内容的丰富性等方面明显优于常规人工观测法，实现了定性观测向定量观测的转化，在一定程度上还降低了观测工作人员的工作量，不必进行大量的野外观测工作，使得成本投入减少，提高了观测数据的准确性，推动现代农业的发展。

［1］黎家宜，胡萌琦，林宗桂．农业气象自动观测站的建设及管理［J］．气象研究与应用，2008，4

［2］张雪芬，薛红喜，孙涵，曹治国等．自动农业气象观测系统功能与设计［J］．应用气象学报，2012，1

［3］刘志平，孙涵等．农业气象自动观测原理样机的研制［J］．安徽农业科学，2010，17

［4］韩雪盈．自动气象站质量监控系统设计应用分析［J］．北京农业，2014，24