江西省农田小气候观测数据服务平台的设计与实现

周雪莹，李显风，胡丽丽

（江西省气象信息中心，南昌 330096）

农田小气候与农业生产和农业生物有着密切的关系，是农业生活环境和农业生产活动环境内的气候，直接或间接地影响动植物的生长发育［1，2］。对农田气象观测数据进行实时采集、监视和分析，可以为农业病虫害预测和防治、作物灌溉和追肥等方面提供科学技术指导，在农业气象鉴定、农田环境监测和改良、农田技术措施效应评定和应用、农业资源调查分析和开发利用以及农业气象灾害防御等方面具有重要的应用意义，能够提升气象为农服务的业务效率和决策水平。

针对农田小气候数据服务的实际需求，各省气象部门建立了一定数量的农田小气候观测站。为保障农田小气候观测站正常运行，国内气象学者开展了针对农田小气候站监测与数据服务的支撑技术研究，建立了相关的数据服务平台。林兰芬等［3］设计了基于GIS的农田小气候环境可视监测系统，实现物联网资源管理和可视化监测；张宇等［4］设计了农业小气候数据监测站，较好地保障了传感器所采集数据的正确性和可靠性；朱伟华等［5］设计了基于4G技术的农业小气候监控系统，可以有效监控农业小气候的环境数据。上述研究主要采用应用终端为台站自动监控提供数据支撑，但研究仅局限于单个站点的状态监控和数据服务，缺乏对全部站点的统一管理服务。目前江西省建设了82个农田小气候站，覆盖粮食作物、经济作物和渔业水产等作物类型，但是缺乏一个统一的监测与数据服务平台，导致无法提供及时、全面、连续的监视信息和观测数据服务。因此，为了满足业务需求和高效利用农田小气候站观测数据，迫切需要设计开发一套农田小气候观测数据服务平台。

本研究利用江西省农田小气候站点监视信息和实时观测数据，建立农田小气候观测数据服务平台，基于地理位置服务技术，统一展示观测站点的台站基础信息、监控信息和观测数据，为省、市、县三级气象部门的农业气象服务提供数据支撑。

1 江西省农田小气候资料介绍

1.1 农田小气候站

农田小气候是以农作物为下垫面所形成的小气候，是农田-植被-大气所构成的连续体中各组成部分之间物质输送和能量转换的最终体现［6］，体现为农田贴地气层和土壤气候的一些环境参数。农田小气候站是自动观测和存储这些环境参数的设备，由高精度传感器、远程数据采集模块、通讯控制系统、系统电源以及外围设备等部分组成［7］。江西省于2010年针对双季稻的农业气象自动化观测试验［8］，按照代表区域农业特色和兼顾平衡分布的原则，结合满足地方需求，在11个地级市建立了82个农田小气候观测站，服务对象包括粮食作物、经济作物和渔业水产（表1），实现高精度的农田小气候数据自动观测，为农业气象服务提供数据支撑，为农业生产实施计划提供科学依据。

表1 农田小气候观测站服务对象说明

农作物生长过程依赖外部环境因素，对农田小气候的监测有助于农作物的生长发育。农田小气候观测站一般是多要素、多点的连续定时观测，观测要素包括表征辐射的各种特征量、表征热的各种特征量、表征气体成分、表征水气的各种特征量和表征空气运动的各种特征量。针对作物类别的地理环境的要求配置相应的观测要素传感器，其中大棚蔬菜增加棚外的风向风速和雨量传感器（表2）。此外，根据实际观测需求，可以选择添置相应的观测要素传感器。

表2 农田小气候观测站配置说明

1.2 农田小气候观测数据流程

农田小气候观测站通过传感器对各气象要素进行连续、自动测量，使用数据采集器转换成气象要素原始数据，对数据进行质量控制、存储和统计处理后，形成同一交换格式数据文件，采用GPRS的通讯方式上传至省级中心站系统，经过加工处理存入中心站数据库，同时转换成标准文件名格式（Z_AGME_C_YYYYMMDDhhmmss_O_CLI_FTM.csv），上传至省级气象通讯系统（CTS2），经过解码处理后纳入气象大数据云平台存储管理，并通过气象数据统一服务接口为省、市、县三级气象部门提供数据服务，具体数据流程如图1所示。

图1 数据流程

2 平台设计

2.1 总体结构设计

由于每个农田小气候站的服务对象和观测要素不尽相同，给数据解码入库造成很大困难，导致现有业务中使用的解码程序出现数据不完整问题，目前只有69个观测站的观测数据写入气象大数据云平台，并且入库的站点数据未能涵盖所有观测要素。为实现对所有观测站以及所有观测要素的存储管理，江西省省级中心站系统采用分站建表方式，即每个站一张数据表，数据表采用不同的字段结构设计，以涵盖所有的观测要素。因此，本研究采用中心站数据库数据来设计和开发农田小气候观测数据服务平台，以保障农田小气候站监测信息和数据服务的完整性。

根据上述数据流程，并充分考虑到平台监视和数据展示的直观性以及平台的可扩展性等，采用WebGIS框架进行平台设计［9］，图2为平台总体结构。平台采用多层体系结构设计，包括服务层、应用层、数据层和支撑层。①支撑层是平台开发所需的硬件和软件基础；②数据层包括基础数据（站点信息、地理信息等）、平台配置数据和数据库软件等；③应用层为服务层提供数据处理、存储、统计分析、数据库服务和地图服务等应用；④服务层是针对业务人员和管理人员进行设计，包括业务应用和监视告警，使用通用的浏览器访问平台地址，并且接入短信平台和微信平台提供的接口，以实现实时告警。

图2 平台总体结构

2.2 平台功能设计

根据实际业务服务需求，农田小气候观测数据服务平台设计了前端地图显示、站点标注展示、监视告警以及检索和下载四大功能模块。

2.2.1 前端地图显示前端地图显示是平台的基础，主要提供瓦片地图和行政边界线矢量数据显示来展示江西省地理信息。瓦片地图提供矢量地图、地形地图和影像地图3种地图切换模式；行政边界线矢量数据采用中国气象局下发的已审核的标准规范数据，用户可以根据需要显示省界、地界、县界和乡镇界。通过实时侦听鼠标滚轮，实现以滚轮点为中心点的地图放大、缩小和平移等图形操作。

2.2.2 站点标注展示站点标注展示是平台核心模块，实现监视信息与GIS数据同步展示。根据站点的经纬度坐标计算具体位置，耦合地理信息用圆点图形在前端地图上进行标注以实现定位；正常接收和异常接收站点以不同颜色标注显示，并统计出正常站点数和异常站点数；鼠标移动到站点标识上，显示该站点的站名、站号、地理位置信息、服务对象和观测要素等详细信息。

2.2.3 监视告警根据业务人员需求，设计状态监视、列表显示和滚动显示、自动告警三部分。状态监视对观测站点状态进行监控，通过颜色直观显示站点的状态，绿色代表站点数据上传正常，红色代表站点数据上传异常（数据中断达20 min以上）；列表显示主要提供对异常站点的基本信息和最近接收数据的时间；滚动显示以滚动和高亮显示异常站点实时监视信息。自动告警功能实现异常监视与微信、短信平台对接，提供实时告警服务。

2.2.4 检索和下载检索功能提供根据站点、起始时间和结束时间查询农田小气候站观测数据的监测信息，包括台站号、接收时间、发送时间和观测要素值等，并且提供分页显示和记录数设置等功能。下载功能提供查询结果，以表格文件的形式下载到本地服务器上，便于用户应用服务和科学研究的需要。

3 关键技术

3.1 开源WebGIS技术

采用Leaflet、GeoServer等开源软件平台设计和构建平台的WebGIS框架［10-12］。具体构建思路（图3）：首先利用Nginx搭建静态瓦片图片服务器，将互联网下载的标准规范的离线瓦片图片进行web发布，以HTTP服务提供Leaflet调用，实现平台地理底图数据显示。通过GeoServer进行研究区行政边界数据（Shapefile格式）的组织管理，并发布WMS服务方式提供Leaflet调用，实现省、市、县各级行政边界数据叠加地理底图显示。利用Canvas技术对Leaflet的点图层进行扩展，解决Leaflet在海量数据点以及文本绘制效率不足的问题，基于Echart控件进行图层的图表显示扩展，补充Leaflet图层交互功能，最终得到适合本平台的WebGIS组件库，基于该组件库，实现平台的全部WebGIS展示和地图操作功能。

图3 基于HTML5的WebGIS构建方案

3.2 基于XML配置管理

将平台的站点信息要素以及中心站服务器、显示范围、地图服务等公共配置信息写入可扩展标记语言（XML）配置文件，规范配置文件以便于配置信息维护管理，减轻维护、升级和移植的工作量。

根据监控需求和每个站点的观测要素不尽相同的实际情况，通过修改站点信息要素配置文件，实现根据需求实时更改地图上站点的分布和站点的详细资料，如站名、站号、经纬度、海拔高度、建站时间、服务对象和观测要素。中心站服务器配置包括中心站服务器地址和用户密码等。显示区域配置文件主要包括显示区域范围、区域中心位置等配置信息，根据业务需要显示省、市区域的监视数据。地图服务配置信息为瓦片地图和行政边界线地图服务地址。

3.3 实时监控技术

采用阈值判断法对农田小气候中心站数据收集信息进行实时分析，实现对各台站数据采集状态进行实时监测。具体思路如下：首先根据XML配置文件的站点信息列表，从中心站数据库中获取每个台站最新时次的观测数据；再计算最新数据的日期时间和当前日期时间差；最后通过时间差与设定的阈值进行比较得到站点数据状态，如时间差在阈值范围内则数据接收正常，反之则判断数据接收异常（图4）。

图4 实时监控流程

3.4 自动告警技术

短信接口是基于HTTP协议的接口，由3部分组成：资源类型、存放资源的主机域名、资源文件名。URL的一般语法格式为（带方括号［］的为可选项）：protocol：∕∕hostname［：port］∕path∕［；parameters］［？query］#fragment，气象业务系统直接调用接口http：∕∕地址∕messagein.aspx？tel=....&message=....发送短信（图5）。

图5 微信告警信息

微信接口是采用POST调用方式，URL的为https：∕∕地址∕alert∕openapi∕v2∕create？apikey=###，body采用json格式接入企业微信（图6）。

图6 短信告警信息

4 系统实现与应用效果

基于省级农田小气候中心站数据库，采用轻量级的Python Flask开发平台以及JavaScript、HTML、Leaflet、Highchart等web技术［13，14］，建立了基于Web-GIS的农田小气候观测数据服务平台，平台部署于Linux服务器，并通过“Flask+Nguix+uWSGI”方式发布安全、稳定的web服务，保障平台稳定、快速运行，平台运行界面如图7所示。平台实现了农田小气候观测站叠加地理信息站点分布展示，提供不同连接状况站点显示和监视信息的告警等功能；点击站点图标显示站点观测要素的详细数据（图8，要素取值为原始数据，其中温度、风速、雨量是实际数据的10倍，地温是实际数据的100倍，如温度原始数据315，实际数据为31.5），同时通过输入起始日期和结束日期任意时间段范围的数据查询检索服务，并提供Excel格式文件数据导出功能。

图7 平台运行界面

图8 站点观测数据查询与结果显示（南昌站）

5 小结

本研究基于集约化建设思想，提出了一种基于省级中心站的农田小气候数据监测服务构想，采用B∕S架构和基于HTML5的WebGIS框架，建立了农田小气候观测站服务平台。对农田小气候站观测数据流程、平台设计、关键技术、系统实现和应用效果等方面进行了详细阐述。

基于WebGIS的农田小气候观测数据服务平台实现了全省农田小气候站实时监视信息、观测数据等叠加地理信息统一展示，提供了异常站点监视告警，历史观测数据检索、导出等功能，为台站观测设备运维管理、各级农业气象业务服务提供了数据支撑平台，在推进地方特色农业气象服务、研究影响农作物生长发育和产量形成的小范围特殊气候环境等方面发挥了重要作用，具有面向省、市、县三级气象部门推广的应用前景。