豫东平原农业智能化气象灾害预警与防御系统研究

李辰

摘要豫东平原农业智能化气象灾害预警与防御系统在实现了农业智能化的同时，根据豫东地区地理、气候和农业生产现状，在农业自动化灌排系统的基础上整合了农业气象监测服务系统、天气预报预警灾害防御系统，该系统可以根据气象预报预警信息自动、及时做出农事生产建议，能够自动根据土壤墒情、农作物生长状况进行灌溉、排水等。在不同地区，可以根据需要选用不同类型和功能的气象自动站，因地制宜，方便地进行农业、林业、园艺及灌溉等气象要素的监测，实现耕地园田化、灌排系统化、管理科学化、运行良性化、信息网络化、服务社会化，达到经济、社会、生态三大效益的统一。

关键词农业智能化气象灾害预警与防御系统；农业气象监测；气象预报预警服务；豫东平原

中图分类号S431.9文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0224-04

Study on Early Warning and Defense System of Agricultural Intelligent Meteorological Disasters in the Eastern Henan Plain

LI Chen

（Shangqiu City Meteorological Bureau， Shangqiu，Henan 476000）

AbstractIn the realization of intelligent agriculture， according to the geographical， climate and agricultural production status of eastern Henan， based on the agricultural automated irrigation and drainage system， the early warning and defense system of agricultural intelligence meteorological disasters in eastern Henan plain had finished the integration of agricultural weather monitoring service system and weather forecasting early warning disaster prevention system.Based on weather forecasting and early warning information， the system could automatically make agricultural production recommendations in time；and according to soil moisture and crop growth condition， this system could make an automatic irrigation， grainage and so on.Meteorological automatic stations of different types and functions were available to varied needs in different areas. According to local conditions， the monitoring over agriculture， forestry， horticulture and irrigation and other meteorological elements could be done in a very convenient way， together with the realization of pastoral farmland， systematic irrigation， scientific management， wellworking operation，networking information，and socialized services， thus achieving an integration of economic， social and ecological benefits.

Key wordsAgriculture intelligent meteorological disaster early warning and defense system；Agricultural meteorological monitoring；Weather forecasting and early warning service；Eastern Henan Plain

近年來，在全球氣候变暖为主要特征的气候变化背景下，极端天气气候事件增加，气象灾害发生的频率和强度呈现明显的上升趋势，气象条件对农业生产的影响也越来越被人们所重视[1-3]。豫东平原包括开封、商丘、周口3个地区，作为河南粮食作物的主产区，农业气象灾害对该地区影响极大。因此，在互联网+、云计算、大数据等新技术迅猛发展的背景下，结合豫东平原本身的区位、地理、气候资源，利用新科技手段、融合实时气象预警信息开发一套智能化水平高、符合当地需求的农业智能化气象灾害预警与防御系统，成为了提高豫东地区农业气象现代化水平的关键。

豫东地区农业智能化气象灾害预警与防御系统的实现基础是依托相应的设施和工程技术手段、调节和控制环境因子，因此其实施的农业基础属于设施农业。对于设施农业的研究，杨培林等[4]研究表明，发达国家的设施农业已具有完善的监测设备、一定的生产规范和可靠的质量保证体系。汪懋华[5]、滕光辉[6]分析指出，由于自动化和智能化高科技的运用，栽培环境不受自然条件影响而得到有效控制，使农业产品工厂化生产成为现实，这是设施农业发展到高级阶段的工厂化农业。在豫东地区，对于设施农业调控技术的研究多集中在农业技术的研究方面，较少结合新科技手段及融合实时气象预警信息。因此，作为现代化农业的一部分，建设高标准、高起点的豫东平原农业智能化气象灾害预警与防御系统，对豫东平原农业防灾减灾和保证粮食安全、全面建设小康社会具有重要的现实意义和广阔的发展前景。

1基本情况

1.1地理位置

研究区域地处河南省中东部（113°87′～116°64′ E、33°07′～34°86′ N），西起京广铁路、东接豫皖省界、北靠黄河、南滨淮海，总面积约5万km2，是我国主要的农产区之一，属于半湿润灌溉集约农作区，该区以平原为主，有部分丘陵，大部分地区海拔在100 m以下，土地平坦，土层深厚，主要是潮土褐土，土质砂黏中等，适宜耕作，河流故道多砂土，盐渍土面积较少。

1.2气候条件

研究区内四季分明，雨热同期，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，气候温和，属半湿润暖温带。年总辐射量为4 390～5 180 MJ/m2。年平均气温8～15 ℃，最冷月平均气温-7～-4 ℃，最热月平均气温22～28 ℃，大于0 ℃积温4 200～5 500 ℃·d，大于10 ℃积温3 600～4 900 ℃·d，无霜期170～200 d，热量资源可满足喜凉、喜温作物一年两熟的要求，该区主要栽种方式是冬小麦-夏玉米。年降水量为500～950 mm，刚好满足雨养农业的要求；降水由北向南增多，降水量的年際变化较大，年降水量的变异系数为0.30；因受季风影响，降水在年内分配不均，全年降水量80%集中在6—9月，7—8月降水量占全年的45%～65%，且多以暴雨形式出现。秋、冬、春三季均为水分亏缺的干旱期，水是制约豫东平原农业发展的主要限制因子。

1.3农业生产现状

豫东地区位于河南东部黄淮平原，自然条件得天独厚，物产丰富。农、林、牧、副、渔各业兴旺发达，是国家著名的农副产品生产基地。粮、棉、油、烟叶和水果，林木、畜牧产空中水资源利用率高，旱涝保收田面积大，近年来粮食产量稳中有升，增产潜力大。河南省已全面建设自动气象站，可实现对温、压、湿、降水、风等气象要素的动态监测；已全面建成土壤水分自动监测站，完善了农业气象监测服务系统和气象灾害预报预警系统，可以随时监测农业和天气变化，实现农业气象的动态监测和服务。

1.4支持该系统的自动化水平

自动化灌溉和施肥技术在国内日趋成熟，部分省市已进入示范推广阶段，广泛用于蔬菜、园林、城市绿化，并向农作物方向延伸，软硬件研究得到同步发展。

2实现农业智能化管理的必要性和必然性

由于豫东平原地处南北气候过渡带，气象灾害种类多、强度大、频率高，是我国气象灾害频繁发生的地区之一。暴雨（雪）、干旱、大风、雷电、冰雹、沙尘暴、霜冻等自然灾害时有发生，每年因气象灾害造成的经济损失占全区生产总值的1%～3%[1]。由此可见，气象灾害已经成为制约豫东地区农业发展、危及人民群众生命财产安全的主要因素。

在设计农业智能化管理系统时，整合农业自动化灌排系统、农业气象监测服务系统、天气预报警报灾害防御系统，做好农业防灾减灾和服务工作，达到农业稳产、高产、优质、高效的目的[7-8]。实现农业管理智能化、产业化、耕地田园化、灌排系统化、运行良性化、信息网络化、服务社会化，达到经济、社会、生态三大效益的统一，对于农业增产增收、减少气象灾害造成的损失、促进农业发展将产生重大的推动作用。

3农业智能化气象灾害预警与防御系统设计

该系统由农业气象自动站、农业气象服务系统、气象预报预警灾害防御系统、农田供水施肥系统四部分组成，系统将传感器采集到的观测数据传至中央计算机，系统运行管理的决策者参考气象预报预警信息，通过农业气象服务系统制定管理方案和灌溉计划，通过台式或笔记本电脑从远程位置控制农田供水施肥系统（田间控制器），实现智能化灌溉和管理（图1）。

3.1中央计算机控制系统的主要特点

中央计算机控制系统集中控制，采取“集中管理、分散控制”的设计方案，系统中设置的流量、压力及自动气象站中的气温、雨量、湿度等传感器以及土壤墒情传感器和作物生长动态监测信息，作为系统的信号反馈设备，将采集到的信号传到中央计算机，供系统运行管理的决策者参考，制定管理方案和灌溉计划（图2）。

控制系统的主要功能包括墒情预报、雨量预报、灌溉用水量和灌溉时间统计管理、施肥管理、病虫害防治、灾害预报预警和防御。

计算机和田间控制器之间可通过有线宽带、光缆、电话线、无线电（UHF）、GPRS和GSM进行通讯传输，能手动开、关电磁阀或对田间控制器进行操作，启动某套程序等。程序可进行干运行，校核编制程序的合理性；还可对园区内其他的一些设备进行控制，如路灯、自动门、喷泉、水泵等。所有通讯都为“双路”成对进行，下达一个信号，如果任务被执行，立刻会有一信号被反馈，包括使用遥控器开启某一电磁阀时，若电磁阀被打开，遥控器会接受到一电磁阀被开的信号，关闭时也一样。中央计算机控制系统还具有MAP TO功能，即在田间控制器下连接子控制器系统，这能够保证即使在系统开发完成后还可以根据需要添加具备其他功能的田间控制器，使系统具有较好的扩展性，利于二次开发和后续升级。

3.2农业气象自动站

根据需要选用不同类型和功能的气象自动站，可以方便地进行农业、林业、园艺及灌溉等气象要素的监测，用户利用软件即可轻松读取各种监测数据，进行程序数据统计分析。

农业气象自动站以监测田间小气候为主，可测量风向、风速、空气温度、相对湿度、大气压力、降雨量、太阳辐射、光和有效辐射、土壤温度和土壤水分等气象要素（图3）。可以根据不同作物增设探头，动态监测作物长势、发育期、自然灾害和病虫害。

把监测数据和影像资料接入中央计算机系统，根据指标，进行分析，提供快速、准确、针对性强的管理措施。

3.3气象预报预警灾害防御系统和农业气象服务系统

气象预报预警灾害防御系统是基于天气预报、预警信息与农业气象专家系统的集合，作为一个独立的模块植入中央计算机控制系统中，可以实时获得气象局发布的天气预报和预警信息，結合农业气象自动站获得的观测数据，通过农业气象专家系统的处理，自动做出农业气象灾害及供水施肥建议，供系统运行管理的决策者参考，制定管理方案和灌溉计划（图4）。

3.4农田供水施肥系统

农田供水施肥系统即自动化灌排系统，由田间控制器和土壤水分监测系统组成，通过中央计算机控制系统（中控系统）控制水泵启闭、管网压力调节、过滤器自动反冲洗、电磁阀控制、远程监控等。为保证系统安全可靠运行，还具有各种报警功能，如管道过压、欠压等故障报警。

田间控制器带微电脑处理器，本身即为一台微型电脑，可以将气象站就近接入任何一台田间控制器。这台控制器处理后，可自动传给其他田间控制器。

4小结

在气候变化背景下，极端天氣气候事件增加，农业气象灾害发生规律出现了新的规律，现有的农业气象灾害监测预

警与调控技术在适用地域、对象和针对性等方面难以满足实

际生产的需求，而农业智能化管理气象预报预警灾害防御系统在实现了农业智能化的同时，可以根据气象预报预警信息，自动、及时地做出农事生产建议，能够自动根据土壤墒情、农作物生长状况进行灌溉、排水等。在不同地区，可以根据需要选用不同类型和功能的气象自动站，因地制宜，方便地进行农业、林业、园艺及灌溉等气象要素的监测，实现耕地园田化、灌排系统化、管理科学化、运行良性化、信息网络化、服务社会化，达到经济、社会、生态三大效益的统一。

参考文献

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