自动农业气象观测系统功能与设计

袁喆　张妍　王雪萌

现代化农业事业的发展对农业气象业务开展提出更高要求，促使传统农业气象观测体系应用无法满足现代化农业发展的实际需求，需依托于自动农业气象观测系统的设计来实现自动化、实时化、远程化的气象观测。本文立足于人工观测原理，提出自动农业气象观测系统的具体设计，并阐明自动观测系统具备的功能。

作为农业事业发展中必不可少的一环，农业气象服务工作的开展有助于推动农业事业的现代化发展。正因此，农业气象工作开展愈发受到国家与民众的重视，并历经多年发展初步构建农业气象服务体系，实现为农业事业发展提供精准、全面的气候变化数据资料。而在现代化农业事业持续推进的背景下，农业气象观测面临更为严苛的标准，所以设计并应用具备实时化、自动化以及可视化的自动农业气象观测系统，已然成为现代农业发展的主要趋向。

一、农业自动气象观测系统总体设计

为保证自动观测系统设计符合标准要求，需重视对以下原则的遵循：

1、需求导向原则。系统设计需以农业气象业务需求为导向，主要目的在于解决现阶段存在的人工观测难度大、任务量大的问题，然后按照優先级顺序进行其它观测需求与问题的解决。所以系统的监测对象主要包括水稻、小麦、棉花、玉米等粮食作物，监测项目囊括农田小气候、作物发育期、农业气象灾害等。

2、可靠性原则。保证系统的设计符合预期稳定性要求，提升系统运行的稳定性。

3、成熟性原则。即在系统设计期间需重视对先进、成熟技术的引进和应用。

4、模块化原则。需以观测传感器设置为基础，进行传感器其它功能的拓展与创设。

5、通用性原则。系统设计所使用的相关设备需具备可代替性，即在设计过程中选用通用性的传感器、接插件等构件，以便于系统的维护与升级。

分析该自动观测系统的软硬件组成，其中硬件组成包括小气候观测传感器、作物生长CDD采集器、土壤水分传感器、电源、数据采集器、环境监控系统等;而系统软件组成则包括信息处理软件、控制软件、信息应用软件等。

二、农业自动气象观测系统功能与设计

1、作物生长自动观测系统

该子系统设计的主要目的在于作物生长周期的自动化观测与数据采集，具体组成囊括图像自动识别处理、作业信息采集。运行期间对作物生长信息借助CDD传感器进行自动化采集。其中作物生长的识别判断是否精准，受到CDD传感器设置高度、分辨率等方面的直接影响。所以为提升作物是识别的精准性，该子系统在设计前依托于外场试验、三维模拟活动的开展进行CDD传感器设置指标的科学确定。运行过程中，借助CDD传感器进行作物生长图像资料的获取，并在此基础上进行图片资料的自动识别，依据对图像信息的分析以及作物生长特点的掌握，进行作物生长周期的定量分析，做到对作物发育期的精准判断。传感器与图像处理技术的融合应用，实现子系统具备植株高度自动测量的功能;通过传感器与数理统计方法的融合应用，拓展子系统的植株密度自动观测功能。

需注意，针对不同作物的自动观测，需合理设置传感器技术指标，如高度为1m左右的矮秆植物，需控制CDD传感器的安装焦距、高度分别保持在≮16mm、≮3m;若作物秆高为2.5m左右，需控制CDD传感器安装焦距、高度分别保持在≮21mm、≮5m。

而针对作物发育期图像的获取与识别，主要以发育期色度、形态特征为依据，结合对发育期不同作业的气象指标与特点分析，实现对作业发育期的精准识别。为避免收集与识别过程中受到光照、背景差异的影响，需进行图像各个像素的颜色空间转化，并做到对颜色特征的精准提取，确保作业生长观测系统作用的充分发挥。

2、农田小气候观测系统设计

该子系统设计的主要目的在于作物上方、农田内气候的观测，以此为气象灾害评估的开展提供精准数据支撑。在具体设计中，依据对作业生长特性、气象观测需求的分析，进行气候观测不同要素的合理控制，包括不同高度的温湿度、降水量等要素。

出于对不同作物的考虑，系统传感器需在作物不同位置设置。为实现对不同层气象要素的充分观测，选择在作物底部、中部及其顶部进行传感器设置。据相关研究表明，作物最易受晚霜冻影响的高度为底部5cm位置;高秆、低秆作物果实灌浆部位分别为中部60cm、1.5m;而将传感器分别安设于低秆、高秆作物顶部高度1.5m、3m位置，可实现对作物光合条件、气象条件、干旱情况等情况的观测与测量。正因此，该子系统传感器安设位置确定为低秆作物底部5cm、中部60cm、顶部1.5m位置，若该监测地段为低、高秆作物轮作，可增设一层传感器的设置。

3、土壤水分观测系统设计

该子系统设计的主要目的在于进行土壤水分的检测与测量，具体设计过程中，选用FDR传感器来进一步提升系统观测效果。规定水分观测系统的设计指标为观测误差控制在±2.5%范围内。依据对人工土壤水分观测业务开展现状的分析，以10cm为间隔进行传感器的设置，控制传感器的设计层次保持在8层，分别为土壤深层85cm与100cm，土壤中层位置40、50、60cm，土壤耕作层20、30cm位置，土壤表层10cm左右位置进行传感器设置，确保其土壤水分观测符合预期精准性要求。

综上所述，在保证系统符合成熟性、适用性、稳定性等原则的前提下，进行自动气象观测系统的设计，实现对作业发育周期的自动化观测与识别，并做到对农田气候的实时观测，对可能发生的气象灾害进行准确预估判断，结合对土壤水分的监测测量，为农业事业的现代化发展提供保障与支撑。

（作者单位：1.136500吉林省四平市梨树县气象局;2.136500吉林省四平市梨树县气象局;3.110000辽宁省沈阳市沈北新区气象局）