山西省农业气候资源区划服务系统开发与应用

李海涛　武永利　相栋　赵永强　刘文平

摘 要：为了实现山西省区域农业气候资源的合理开发和利用，利用山西省109个县市1961—2010共50年的气候资料和DEM高程数据，以及搜集到的农业气候资源区划指标、农作物种植适宜性气候区划指标，基于GIS技术和小网格推算模型完成高分辨率的农业气候、优势和特色农业及经济林果的气候区划，建立了适合山西省的精细化的农业气候资源区划服务系统。基于该系统，完成了对山西省气候区划、农业气候区划和作物气候区划的研究，生成了不同种类作物的区划图。该结果可以为山西省相关部门进行决策提供参考和依据。

关键词：农业气候区划；作物区划；服务系统；B/S架构

中图分类号：S162.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.026

在20世纪70年代末80年代初，山西省曾进行过全省范围的农业气候区划工作，为山西省农业的合理布局和农业产量的稳步增加作出了一定的贡献。随着农业生产环境的变化，原有农业区划产品已不适应新时代农业生产发展的需求，客观上需要更科学、更精细的农业气候区划产品。近年来，许多学者也开展了针对山西省的气候区划研究——谢爱红、王士猛等（2004）在对山西省62个气象台站资料插值的基础上，利用SPSS进行了山西省气候区划；韩锦涛和李素清（2006）基于山西省109个县的多年统计资料的平均值，应用聚类分析对区域的农业气候资源的综合开发进行了区划；赵海英、栗锡龄等（2009）在介休市33个观测点的基础上，用物候指标对该市气候情况进行了初步研究；赵永强、武永利等（2013）基于DEM高程数据建立了山西省农业气候资源集。但是到目前为止，还没有一个全面的服务于山西省气象业务的农业气候资源区划服务系统可以涵盖气候区划、农业气候区划、农业气候资源分布和作物区划，同时可以实现自助区划。

1 数据资料和系统开发环境

1.1 数据资料

数据资料有山西省109个气象站1961—2010共50年的常规气象资料（建站晚于1961年的从建站资料开始），山西省、市、县的shp矢量文件，分辨率为90 m×90 m的SRTM DEM 数据。资料来源于山西省气候中心。

1.2 系统开发环境

所需的最低硬件环境为：企业级专用服务器、双核处理器，主频在2.2 GHz以上，1 G内存，独显（512 M），120 G 硬盘。

所需的基本软件环境如下所示。

数据存储部分：sqlserver2005企业版；

地图服务处理发布部分：aspmap4.7；

Web程序部分：.net4.0类库+IIS6.0服务器+Office2003+Silverlight4.0运行时+Silverlight4.0扩展包+Microsoftajaxlibrary+ArcGISAPIforSilverlight2.0；

操作系统：Windows Server 2003 Enterprise Editionserverpack2；

数据调用：IDL交互式程序语言。

1.3 系统开发技术流程

系统开发技术流程为：①通过实地考察调研、与当地有关人员座谈等方法了解各地的优势农业、特色农业、经济林果和主要气象灾害等，确定区划对象、区划指标；收集数据资料并进行整理，然后导入农业气候资源区划服务系统。②基于数字高程模型（DEM），采用多元回归法和小网格推算法构建面域上的山西省气候要素（分辨率90 m×90 m），结合各区划指标开展山西省气候区划、农业气候区划、农业气候资源分布和作物区划，并对区划结果进行检验。③将区划结果存放于区划结果数据集中。系统建立之后，工作人员可基于Web平台对农业气候资源及区划结果进行发布、制图、输出，也可以根据需要进行自助式农业气候区划，以方便开展专题服务或其他咨询服务。系统开发技术流程如图1所示。

2 区划系统架构与功能

2.1 系统框架设计

采用一种创建交互式网页应用的AJAX网页开发技术，并采用C#语言来编程，使用Asp.Net作为开发控件，结合 SQL2005数据库技术和IDL交互式语言软件来构建系统平台。

整个系统采用三层B/S结构模式，包括数据层、服务层和客户层。其中，数据层负责存储数据，是获取系统所需原始数据的操作层，是操作数据，为业务逻辑层或表示层提供数据服务的基础；服务层是核心部分，主要是针对数据访问层具体问题的操作，对数据业务的逻辑处理；客户层主要是对用户请求的接受以及数据的返回，为客户端提供应用程序的访问。

2.2 系统功能设计

系统分设一般用户和管理员用户两种登录方式。其中，一般用户登录后仅显示“区划成果”和“退出系统”两个功能模块，只有浏览和下载本地区区划结果的权限；管理员用户登录后，系统界面右上方显示6个功能模块，即基础数据、图件资源、自助区划、区划成果、系统维护、退出系统，以便进行修改和完善。

2.2.1 基础数据

该部分包括统计数据、行政区域数据和观测数据。统计数据包括所有的基本数据，比如温度、降水、日照、农业气象灾害等；行政区域数据包括社会总产值GDP、人口、农田受灾面积、受灾人口等；观测数据包括31个农气站实时观测的农作物生长发育日期、长势等。

2.2.2 图件资源

该部分包括栅格化后的所有基础信息数据、农业气候资源基本信息数据、农业气象观测资料数据、土壤类型数据、卫星遥感影像数据、农业区划等图件数据。

2.2.3 自助区划

自助区划模块可对新作物进行区划，只需在“区划DIY”对话框中编辑执行该作物的区划指标即可。例如，有一种新的作物——红薯，它与“1月平均气温”和“7月下旬降水”关系密切，在变量列表中选择这两个变量，然后在公式编辑框编辑区划指标，最后点击“执行”区划。除此之外，也可以对已有作物重新区划。

2.2.4 区划成果

区划成果包括农业区划、降水资源、热量资源、光能资源等，用户可在该模块下制图和下载区划结果图。除上述功能外，系统还可对矢量图、栅格图、数据高程图（DEM）、注记和属性数据进行以地理表达式为条件的逻辑查询，以及涉及不同图件和属性数据的综合查询、统计，且可完成图像的打印输出。

3 区划结果与分析

3.1 气候区划

计算了山西省平均气温以及稳定通过 0 ℃、5 ℃、10 ℃的初终日、持续日数和积温，山西省降水量和日照时数的年、季分布情况以及年际变化，以期揭示山西省热量资源、降水资源和光照资源的分布特征和变化规律。

采用日平均气温稳定大于或等于10 ℃期间的积温、极端最低气温的多年平均值作为参考指标，以年湿润指数为干湿区划分的主要指标，以年降水量为辅助指标，引用《中国气候新方案》中的指标，使之更适合山西省的气候特点。根据指标，将山西省分成了7个气候区，具体如图2所示。表1所示为山西省气候区划指标。

3.2 农业气候区划

利用山西省109个县市多年的气候资料，在干燥度指数自然分区的基础上，结合热量指标（即年均气温），确定了区域农业气候综合开发和区划的指标，将山西省划分为6个农业气候区，具体如图3所示。表2所示为山西省农业气候区划指标。

3.3 作物气候区划

选取主要粮食作物（冬小麦、春玉米），结合农作物生长发育的具体指标区划。以冬小麦为例，首先查阅文献资料，找出作物生长发育所需的光、温度、水等相关条件；找出影响作物生长发育的的关键气象因子，并计算其经验概率，以≥80%、60%～80%、<60%划分为适宜、较适宜、不适宜等级，结合山

西省的实际生产作出调整，得出山西省各作物的农业气候指标；运用GIS技术对山西省各作物进行种植气候区划，并计算得出相应的适宜种植概率分布图。最后根据作物的实际播种面积所占比例，参考已有研究成果验证其区划结果是否合理，以不断地改进和调整。图4所示为山西省冬小麦气候适宜区域的分布。表3所示为冬小麦区划指标。

4 结论与讨论

本文所开发的区划系统实现了对气候区划、农业气候区划和作物气候区划的研究，研究结果可为相关部门提供参考和决策依据。同时，该系统还具有以下特点：①海量数据高效管理。系统实现了对海量数据的高效管理和区划的动态化、实时化和精细化，具有可视化强、易操作、开放性和可扩展性强等特点。②可视化强、易操作。综合运用多元回归法和克里金插值法建立了山西省气候要素模型。该结果可较为真实地反映山西省的实际气候要素。③区划的动态化和实时化。对逐年的各种作物指标的概率分布提供了详细的数据，并对部分区划进行了检验，区划结果总体上较为合理，可以为政府以及相关的部门提供客观、可靠的作物区划信息。④图形精细化。该系统在包括边界数据和经纬度坐标的二维地形图的基础上，综合经纬度坐标的海拔高度数据文件，将区划结果细化到县、乡、村，并根据预先定义的色标对区划图着色，使图形更加精细化。⑤开放性和可扩展性。在系统的设计上，充分考虑了系统的开放性和可扩展性，支持多种数据的导入、导出功能；利用先进的技术和开

发工具对系统的二次开发和功能模块的添加保留预备接口模块，遵循系统易于扩展的原则。

另外，该系统也有一些缺点，比如目前基本上考虑的是气象要素，还没有考虑社会经济要素。这导致区划结果还不是非常全面，与实际有一定的差距。因此，还应该考虑加入特色农业和设施农业的区划等。这些都有待后续研究。

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〔编辑：刘晓芳〕