基于用户交互的精准农业气象服务方法研究

李玉华 褚希 张红

(1山东省气象防灾减灾重点实验室山东济南 250031;2山东省气象服务中心山东济南 250031)

农业生产受气象条件的影响较大，农作物的生长过程与气象条件的变化有着紧密的联系，气象条件的好坏决定农业生产能否稳定进行，作物的产量、品质也与天气条件密切相关。随着中国农业的产业化、规模化发展，农业生产的全过程离不开气象服务的保障；农作物种植、生长、收获的每个阶段，农业生产者都要依照天气情况进行相应的农事活动，只有开展精准化的气象服务，才能让气象工作在农业生产中更好地发挥作用［1-3］。随着智能手机的广泛普及，面向用户端的气象服务APP大量兴起，2018年，熊文兵等［4］研发了智能化的手机气象服务APP，能够给出不同气象条件下的气象影响评价和生产建议。同年，姜珊等［5］设计了“沈阳农气通”APP，实现农业气象产品的移动客户端发布。2019年，梁正文等［6］开发了长顺兴农气象手机客户端，开展气象信息、生产管理等“直通式”气象为农服务。2020年，郭昌松等［7］开发了设施农业气象服务APP，为福建省设施农业基地用户提供气象服务。但不同气象服务APP只是服务方式的改变，提供的还是普适性的天气服务产品，仍欠缺针对用户种植作物个性化、精准化的气象服务功能。随着现代农业的快速发展，一方面，现代农业生产者较传统农户，多为知识性农民，拥有一定的农业生产知识储备，熟悉作物生长习性，有一定的作物管理经验，善于观察和总结；许多农业用户已收集了一些农业生产经验型数据指标，并希望该类实践经验和数据指标能在农业生产中发挥作用。另一方面，气象部门对用户需求的了解不够，用户农业生产知识和经验不足，因此，迫切需要用户参与到气象服务的过程中来。如何让用户真正参与到气象服务中来，是气象部门迫切需要研究和解决的问题。因此，本研究提出了在移动互联网下与用户进行交互的精准农业气象服务方法，依托气象服务手机APP，融合用户的气象服务需求，结合用户的农业生产经验，匹配气象服务产品，从而实现精准农业气象服务。

1 基于用户交互的精准农业气象服务方法

随着移动互联网的发展，移动支付、移动游戏、掌上音乐、掌上购物等开启了“云端”生活。用户交互体验在图形图像技术研究、新媒体网站、物联网、电力设备检修、供水、医疗等领域的应用越来越受重视，用户交互体验也成为了用户服务产品研发与设计的必备环节［8-13］。交互就是交流互动、有问有答，如常见的具有交互功能的网站，能让用户与用户、用户与平台之间进行交流互动。交互式服务，是指为用户提供向社会公众发布文字、图片、音视频等信息的服务，包括但不限于论坛、社区、贴吧、文字或者音视频聊天室、微博、即时通信、分享存储、第三方支付、移动应用商店等互联网信息服务。2020年李倩［14］进行了智能化农业信息管理的交互设计，构建了人机交互模块的输出转换接口，实现了智能化的农业信息管理和应用开发。同年，陈璨等［15］依托“知音真实故事”平台，通过问卷调研粉丝群，发现知识型信息交互行为可以正向影响粉丝满意度。

开展用户交互的基础是移动互联网，在移动互联网下开展交互式服务，即基于互联网和移动互联网，通过搭建数据共享平台进行交互信息的收集，利用交互信息更好地开展服务。气象服务要精准服务农业生产，需要将用户的农业生产经验融入到气象服务中，在移动互联网下开展交互式精准农业气象服务，实现气象服务和农业生产相融合。气象服务手机APP开启了针对移动平台的气象服务应用新篇章，架起了用户和气象服务部门沟通的桥梁，可将气象服务手机APP作为用户交互的有效渠道，面向用户增加互动功能模块，实现用户服务需求信息的获取。用户的经验型气象服务指标，能够精确地总结和反映气温、降水、大风等气象要素对作物生长关键期的影响情况，有效地指导气象部门开展气象服务，从而利用实况和未来的天气预报资料，为农业生产提供农事建议和作物生长适宜度分析等。因此，可通过气象服务手机APP加入用户交互式服务场景应用，开展用户参与的农业气象服务，如针对用户关心的天气要素指标信息、重要农时节点气象条件、主要农作物生长情况等，建立用户与气象部门的交互专区，在后端开发用户交互信息的数据和产品的匹配功能，通过开展用户交互式气象服务体验，实现用户参与的融入式的农业精准气象服务。因此，在移动互联网下，基于用户交互的精准农业气象服务方法的具体步骤如下。

（1）依托一定的为农气象服务APP，搭建用户和气象服务端的桥梁；

（2）开发用户交互模块，允许用户进行信息反馈；

（3）交互模块收集用户反馈信息，传送后端支撑系统，提取有效信息进行数据质量控制，建立用户个人气象服务指标库；

（4）后端支撑系统运用精准匹配算法，生成精准化气象服务产品；

（5）通过APP进行用户“一对一”的精准靶向推送。

该方法主要涉及五方面的内容：（1）有一定交互式服务的应用场景，依托特定的网站或APP，搭建用户应用环境；（2）进行交互式模块的设计，通过特定的交互模块，获取用户需求、用户行为、用户基础信息、用户经验和习惯等关键信息的反馈；（3）建立用户个人指标数据库，整理交互模块的反馈信息，进行“一人一库”管理；（4）应用精准匹配方法，基于基础气象服务产品，结合用户个人指标数据，重新进行自适应算法调整，匹配用户需求信息，生成精准气象服务产品；（5）进行用户服务产品的靶向发布，将精准农业气象服务产品及时、靶向发送到用户端。基于用户交互的精准农业气象服务方法框架，见图1。

图1 基于用户交互的精准农业气象服务方法框架

2 方法应用实例

为更好地满足现代农业对气象服务的需求，加快移动互联网、云计算、大数据等现代信息技术在农业气象服务领域的集成应用，山东省气象局依托省政府“十三五”《山东现代农业气象服务保障工程》项目，推进为农气象服务供给侧改革，定位于农业气象服务，开发了移动终端系统——“锄禾问天”为农气象服务APP［16-17］。以“锄禾问天”APP为载体（其在移动互联网下作为用户交互的通道），开展基于用户交互的精准农业气象服务方法研究，可实现交互式精准农业气象服务。

2.1 用户交互模块设计

首先设计用户的种植信息，通过“种植区域”模块，设定用户种植作物的区域和地址，为匹配气象服务信息提供基础。其次，按照系统内作物生育期的设置，提供作物当前所处的生育期，推送当前生育期气象条件下的农事活动建议等；同时允许用户根据实际情况调整作物生育期，即通过“生育期调整”模块进行重新设置，根据当前作物生长情况确定生育期。再次，设计“指标配置”模块，允许用户根据作物生长适宜度、农事活动、气象灾害等信息进行个人指标的调整和设定。针对作物生长适宜度，用户可对温度、风速、最高温度、最低温度、最大风速、降水、空气相对湿度、日照等气象指标进行精确设置；针对农事活动、气象灾害、病虫害等，允许添加个人指标信息。系统在原有指标的基础上，结合个人指标，重新修订相关指标，从而匹配作物所需的气象服务信息。相关的用户交互模块设计见图2。

2.2 气象服务指标库

气象服务指标库，包括生育期、生长适宜度、病虫害发生发展气象条件等级、关键农时农事活动适宜度、农事建议五大方面。气象服务指标库分系统指标库和个人指标库。系统指标库为系统设定的基础指标信息，是按照气象条件对作物的不同影响，利用基础气象观测数据、气象预报服务产品以及农业气象服务数据和产品等构建，如图3。个人指标库是用户针对个人种植的作物类型、当地天气及气候特点，结合种植经验形成的作物气象指标；用户可在“锄禾问天”APP端，通过交互模块，通过参与指标订正、气象要素因子选择、气象要素阈值选择等开展作物指标自我管理，添加精细化的个人作物指标等；系统在后端管理平台进行数据质量控制后，按照“一人一库”的模式，形成用户个人指标库。气象服务指标库为每一种作物、每一个用户建立了专属档案，是开展作物全生育期精细化服务的重要基础。

图2 用户交互模块设计

图3 气象服务系统指标库

2.3 精准气象服务产品生成和推送

根据作物指标库信息，针对用户关注的作物种类，逐一细化分析每一种农作物生产过程中对气象服务的需求，系统将按照作物配置信息并结合系统指标进行气象信息服务；进行了个人指标库定义的，系统将按照个人指标库并结合气象资料进行重新分析，匹配对应的气象服务产品，结合作物属性、当前气象条件和气候状况，分析确定作物所处的生育期，开展作物全生育期精细化服务。

2.3.1 计算和划分作物生长适宜度

在作物不同生育期通过分析气象要素指标，结合当天天气要素信息，按照用户设定的阈值指标，判断作物在当前阶段是否处于指标区间内，从而确定当前气象条件是否适宜作物生长，作物生长适宜度信息自动推送给用户，提醒用户及时采取防范措施。

2.3.2 预估并提示相应的农业气象灾害

针对作物不同生育期内的灾害，比如对小麦的干旱、干热风、连阴天等灾害性天气进行监测分析，生成农业气象灾害服务信息和产品，并依据气象条件对农业病虫害的影响，划分农业病虫害发生发展气象条件等级，相关气象信息及服务产品通过“锄禾问天”APP自动推送给受影响用户，给出关键农时农事活动建议。结合作物生育期和用户个人指标库，融合未来的天气预报信息，将喷药、灌溉、施肥、晾晒、播种、收获等农事适宜活动，通过APP发送至用户，提示用户及时进行有益的农事活动，如图4。

图4 作物生长适宜度预报及农事活动适宜度模块

3 方法应用分析

移动互联网下基于用户交互的精准农业气象服务方法，能够提高气象为农服务的精准度。通过在用户手机APP端进行交互模块的合理设计，允许用户进行更加精准的数据选择、信息编辑，将用户的上传信息作为农业气象服务需求的有效反馈，建立精准气象服务指标库，针对农业灾害性天气、重要农时节点、农作物发育情况等气象产品将更加精准。该方法还可提高气象防灾减灾的时效性和针对性。基于用户交互反馈信息，提供基于用户位置的用户种植信息、作物生育期差异等精准气象服务，可增加气象为农服务信息的准确度和预报预警服务的及时性，有效降低气象灾害对农业的影响，在农业生产防灾减灾中更好的发挥众筹的优势。此外，该方法可有效推进融入式、交互性为农气象服务场景的应用；通过“锄禾问天”手机客户端，提供便捷的用户交互，可对用户需求、用户行为、用户习惯等信息进行提取，增加用户粘性，也更加有效地促进气象服务与用户需求的深度融合。

移动互联网下基于用户交互的精准农业气象服务方法，满足了农业气象精细化服务需求，提升了气象部门为农服务的专业化、信息化、精细化水平，为现代农业气象服务的转型发展提供了有力支撑。目前，依托“锄禾问天”APP，该方法已在山东省现代农业种植大户、家庭农场、农业专业合作社等新型农业经营主体1.1万多名用户中开展应用，取得了较好的社会效益。

4 结论

在移动互联网下开展基于用户交互的精准农业气象服务方法研究，依托“锄禾问天”为农气象服务APP，搭建用户和气象服务端的桥梁，开发了丰富的用户交互模块，有效收集用户农业反馈信息，建立用户个人气象服务指标库；通过运用精准匹配算法，生成精准化气象服务产品“一对一”，并精准靶向推送给用户。该方法有效推进了融入式、交互性为农气象服务场景的应用，满足了山东省农业气象精细化服务需求，有效提升了农业气象服务的精细化水平；随着该方法在“锄禾问天”APP用户端的不断深入应用，更多的用户参与信息的交互反馈。通过对农业气象数据指标的采集，进行用户反馈数据的分析和加工，将用户在实际应用中的个人指标形成庞大的数据资源库，从而建立农业气象服务用户大数据系统，为进一步做好农业气象灾害预报服务、农事活动服务、农业生产关键环节应对服务等提供了有力支撑，未来的为农气象服务将会更加精准。