基于移动云计算技术的农用天气预报服务平台研发——以宁夏酿酒葡萄农事活动预报为例*

高国弘，刘 垚，马力文，缑晓辉，刘建宏

基于移动云计算技术的农用天气预报服务平台研发——以宁夏酿酒葡萄农事活动预报为例*

高国弘1, 2，刘 垚1, 2**，马力文1, 2，缑晓辉1, 2，刘建宏1, 2

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002）

传统TCP/IP 协议的FTP 文件传输方式和服务产品一次性制作、统一分发的服务方式已无法满足现有服务针对性、多样性、高时效性的要求。为减少冗余农用天气预报服务产品的产生，提高运算效率及服务针对性，本研究以宁夏酿酒葡萄为例，采用移动互联网与云计算技术，研发了基于用户地理位置及关注农事活动的宁夏农用天气预报云服务平台，实现了在线实时制作并发布服务产品。平台主要由资料加工软件、产品云制作软件、农气服务APP三部分组成。通过将气象业务网内的基础数据及必要的中间数据上传至云服务器数据库，利用资料获取、指标比较、预报制作等子程序，通过已建立云服务网站API接口方式，获取相关农用天气预报。其次，还可利用开发的APP获取具有很强专业性、时效性和针对性的、基于用户地理位置的农用天气预报产品。平台有力提升了宁夏农用天气预报业务的客观化、自动化水平及业务产品质量，可为国内农用天气预报技术向专业化和精细化发展提供参考。

农用天气预报；云计算；地理位置；宁夏

“以信息化驱动气象现代化，建设智慧气象”是气象行业落实国家信息化发展战略的重要举措，气象领域的信息化新技术应用和研究越来越得到重视[1]。面对海量气象数据的储存、管理和服务需求，国家气象信息中心开发了国省统一的气象数据环境“全国综合气象信息共享系统（China Integrated Mete- orological Information Service System, CIMISS）”[2]，以支持气象业务与相关科学研究。沈文海等[3−4]提出通过信息化规划，促使新技术和理念向气象业务领域渗透，加快智慧化业务体系建设，研发智能化业务平台及服务产品，促进气象信息化转型发展。

农用天气预报是天气预报在农业生产上的解释应用[5]，与作物生长发育进程、关键农事活动以及相关技术措施等农业生产实际相结合。在农业气象业务应用领域中，农业气象管理系统、测报业务系统的研发与推广应用[6−10]实现了农业气象观测业务的信息化和自动化，为推动农业气象现代化建设打下了基础。王建林等[11−12]以天气预报和农业气象指标为基础，经过天气影响评估、指标判断、模型模拟和统计分析模式等技术，定量分析或预估未来天气气候变化对农业生产的影响，并总结出农用天气预报的技术流程。在此基础上，农气与计算机专家协作研发了农用天气预报制作系统，实现了农用天气预报的自动化、智能化制作[13−15]。目前，农业气象服务内容已由单一的粮食作物增至粮食、蔬菜、果树、林木畜牧等多方面，对农业气象服务的精准度和时效性要求越来越高，特色的、个性化服务需求增长越来越快，然而，传统的人工和人机交互制作的业务服务产品已无法满足用户日益增长的需求[16]，以往的农用天气预报产品均为事先制作，再进行分发，产生了“无需也生产”的额外作业。如何利用现代信息化新技术，将智能化农用天气系统制作出的成千上万份服务产品传递给真正有需求的用户，这无疑是农业气象服务发展亟需解决的问题。

农用天气预报与用户所处地理位置以及气候条件呈现强相关，且具有指标相对稳定、预报更新迅速等特点。现今云计算技术相比原有计算模式具有易管理、灵活、可靠性高、成本低廉以及安全性强的显著优势[17−21]，互联网和云计算技术的推广应用能够有效满足农业气象服务领域大数据快速处理与传播的需求。本研究以云计算与移动互联网技术为基础，将农用天气预报的制作过程建立到云服务环境中，研发基于用户地理位置及所关注农事活动的农用天气预报云服务平台，由用户移动终端（如手机）调阅，云服务器依据用户地理位置信息及所关注的农业生产活动项目，结合最新的智能网格天气预报、农业气象指标数据库预报模型等，在线实时制作相应的农用天气预报服务产品交付用户。

1 农用天气预报云服务平台构建

1.1 总体框架

移动互联网是移动通信和互联网融合的产物，通过移动互联网用户可以随时、随地、随身获取互联网服务，而对于服务提供者而言，移动互联网与之前的互联网最大的区别是可以获取到用户的准确地理位置，进而能够向用户提供各种更具针对性的基于位置的服务（LBS）。云计算简单地说，就是通过远端网络（云）提供快速创新、弹性资源和规模经济的计算服务，其服务可分为以下几个层次，即基础设施服务（IaaS）、平台服务（PaaS）和软件服务（SaaS）[20]。

在线制作农用天气预报并通过移动互联网向用户直接交付，是一种LBS应用软件服务，适用SaaS范畴。宁夏农用天气预报云服务系统申请自治区政府建设的宁夏电子政务云平台建设（采用阿里云技术建设），其中IaaS与PaaS部分由政务云平台提供，SaaS部分及其属于客户端的手机APP、PC机应用网页等软件自行研发，其系统架构见图1。

1.2 业务流程

作为一个农用天气预报云服务平台，其用户可分为三类：第一类是公众用户（如涉农部门、种植大户及其他农户），即通过手机客户端软件（APP）从云平台获取农用天气预报服务的用户；第二类是专业用户（如其他部门的相关应用软件、网站等新媒体），即通过云平台提供的接口，直接获取农用天气预报结果数据的用户；第三类是专家用户（如农业气象专家、农牧业专家等），即提供农用天气预报指标成果，利用云平台提供的通用算法、云+端服务能力提供服务的用户。

农用天气预报云服务平台的技术业务流程包括，（1）研发智能网格天气预报、实况数据自动入库软件，实时更新天气数据；（2）收集现有《农用天气预报服务工作方案》即各种农作物、设施农业、经济作物、牧草农用天气预报服务细则、农业气象周年服务方案，研究农事活动规律，将各类气象指标抽象形成尽可能简洁的数据结构，建立“农用天气预报指标库”；（3）基于智能网格天气预报、天气实况及其他统计资料，研究农用天气预报反演算法；（4）研发农业气象指标与模型库管理程序，供农业气象服务专家录入或调整指标或模型；（5）研发相应的云计算软件及公共数据接口，通过互联网对外公布“农用天气预报数据接口（API）”；（6）研发“农业气象服务智能手机客户端软件（APP）”，用户通过手机APP调阅自己所关注的农作物，APP通过气象服务云Web API接口向农用天气预报制作程序发出请求，程序先基于用户关注的农作物向农业气象指标模型数据库查询指标或模型，再基于用户地理位置信息向智能网格天气预报和（或）实况数据库查询本地气象资料，然后依据相应的算法计算制作出农用天气预报产品，最后再通过Web API接口分发给用户（图2）。

1.3 关键技术

移动APP开发的特点是用户界面开发类似电脑桌面软件，业务数据完全来自云端服务器，因此，平台引入微软的Web API（网络应用程序接口）软件编程技术开发API接口与云计算产品制作软件，并以Json（一种轻量级数据交换国际标准）格式向APP提供云数据服务，同时采用Json格式也能方便地向其他应用终端或系统提供数据云共享服务。

图1 宁夏农用天气预报云服务平台框架

图2 农用天气预报云服务平台业务流程

将农用天气预报产品制作过程搬到云上实时完成，面临的最大挑战是用户响应速度。即用户从发出请求到获得预报结果的时间不能过长，以免影响用户体验。通过整体分析与实际编程测试，发现影响整体响应速度的关键点有两处，一是智能网格天气数据查询，二是依据指标或模型运算出产品的过程。

气象部门分发的智能网格预报、实况业务产品是一种压缩二进制编码格式GRIB2文件，从一个庞大的GRIB2文件中检索读取一个点的全要素数据所需时间接近秒级，无法满足产品实时制作的要求。为提高实时服务时并发访问的响应速度，选用PostgreSQL数据库，利用元数据表+三维数组建立时空格点气象数据存储方案。PostgreSQL是开源的对象−关系型数据库系统，通过支持并行性，可伸缩性，冗余/地理冗余和高效的容错机制、大数据集、文本数据的灵活索引等，具有高可用性、高效率和更好的海量数据处理能力。同时，PostgreSQL具有GIS扩展PostGIS，可以实现空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符等空间信息服务功能。因而，非常适合具有海量与时空属性的格点化气象数据的存储与快捷访问，实测检索速度可提高到毫秒级。

为提高运算环节速度，在将《农用天气预报服务工作方案》文稿翻译入农气指标库时，应尽可能应用一些简洁的符号表示各参数之间的逻辑关系，为之后能编写出尽可能简洁、高效的软件提供便利。与指标类农用天气预报服务方案一般只有一张表不同的是，模式类农用天气预报服务方案一般会有多张表，如参照国标GB/T 36743−2018《森林火险气象等级》制定的牧草火险等级预报模式就多达5张表。将这些并不复杂的数据表存放在SQL Server数据库中进行联合查询并不高效，为此将这5张表都保存在一个XML[16]（可扩展标记语言）文件中，使运算速度得到了提升。

载有农用天气预报的农业气象服务APP，选择MUI[22]网站前端框架技术开发，它是一种国内优秀的Hybrid App（混合模式移动应用）开发技术，可实现一套代码覆盖Android（安卓）、iOS（苹果），以及微网站、小程序等多平台应用。网站开发人员沿用已掌握的Web编程技术就可开发APP，自建APP研发团队更具备依据农户反馈不断迭代升级APP软件的能力。

2 农用天气预报云服务平台实现

2.1 功能研发

农用天气预报云服务平台主要分为“资料加工软件”、“产品云制作软件”、“农气服务APP”三大块（图3）。

在气象业务网内设立资料加工服务器，研发定时运行的网格资料入库软件，分解GRIB2格式数据上载到位于云服务器的PostgreSQL数据库；研发积温、极值、均值、降水或无降水日数等统计数据上载云数据库软件，为提高产品云制作效率提供必要的数据基础。资料加工软件以C#编程语言的控制台模式开发，各项功能编写独立软件以Windows计划任务定时启动运行。

图3 农用天气预报云服务平台功能模块

在云服务器提供的Windows Server 2019系统平台上自行建立PostgreSQL及SQL Server数据库，通过IIS 10（互联网信息服务器）建立云服务网站，研发“农气指标库管理软件”网页，通过网页建立指标库并向农气专家提供指标调整渠道。应用C#编程语言研发“资料获取”、“指标比较”两个公共类（子程序），以及各种农作物农用天气预报制作类，并研发“Web API控制器”软件，对外以API接口方式提供网址导航，以获取不同作物的农用天气预报。

研发的APP软件从用户手机GPS模块读取经纬度信息，以及用户点击选择的农作物信息，通过云API接口提供给产品制作软件，制作软件依据用户所在位置的天气数据，以及所选农作物的指标或模型计算出农用天气预报产品，回传给用户手机APP向用户展示。

2.2 实现技术

依据中国气象局农用天气预报业务服务暂行规定，农用天气预报主要开展农作物重要发育期、关键期农事活动的气象适宜性等级预报，预报结果划分为Ⅰ级（气象条件适宜）、Ⅱ级（气象条件较适宜）、Ⅲ级（气象条件不适宜）指导农户开展该农事活动。以酿酒葡萄农事活动气象适宜性等级预报为例，展示农用天气预报云计算软件开发的细节。

首先，将《酿酒葡萄农用天气预报业务服务工作细则》中的主要指标文字描述（表1中的“服务细则预报指标”项），翻译成如表2“指标库数据表”项简洁、精巧的符号算法。将众多作物指标加上预报时段汇集在一个数据表保存在云数据库中，就形成了农业气象指标库，简洁、精巧的指标库数据结构设计，将会极大地提高云计算速度。

抽取表2中逻辑判断部分编写一个公共类（子程序）即可为所有作物专有处理类调用。如图4所示，Web API接收到用户手机发来的包括经纬度+作物种类（酿酒葡萄）信息的Url（网址）访问请求后，首先提取用户地理位置及所关注作物信息，判断该种作物是否处在服务时段，不在服务时段时向用户发送相关提示（如小麦“冬歇期”无农事活动不提供预报服务）。若处在服务时段，则基于用户地理位置信息从“气象基础数据库”提取天气预报、实况资料、积温等气象信息；根据用户所关注作物农事活动，从“农气指标数据库”提取该农事活动的气象指标数据，数据准备工作完成后，即对气象数据与相应指标数据进行比较判断。若满足“适宜”条件，向用户反馈指数1及提示语“适宜开展农事活动”；不满足“适宜”条件时，继续判断是否满足“不适宜”条件，若满足“不适宜”条件，向用户反馈指数3及提示语“不适宜开展农事活动”；若“不适宜”和“适宜”条件都不满足，则向用户反馈指数2及提示语“较适宜开展农事活动”。将指数、提示语及其他辅助信息组合成一个Json数据字符串传发送给用户，调阅该服务的手机APP获得该数据后以图文形式向用户展示农用天气预报结果。以模型数据结构计算农用天气预报，除在判断部分更加复杂外，其程序流程与基于指标数据结构的农用天气预报制作流程大致相同。

表1 酿酒葡萄农用天气预报服务细则

在所有作物云计算软件研发完成后，即可对外公布各种作物的Web API接口Url，供APP及其他应用软件调用。图5是手机APP页面选择“酿酒葡萄”调用相应接口，获得数据并展示“酿酒葡萄农事活动预报”与农气服务周年服务方案结合页面的实例。

3 农用天气预报云服务平台应用

3.1 软硬件条件

宁夏农用天气预报云服务平台申请宁夏回族自治区政府建设的“电子政府云”服务器建设，读者也可以租用阿里、亚马逊等商业云服务器。服务器配置为Intel Xeon（英特至强）2.4GHz双核CPU、32GB内存、400GB硬盘，独享20M互联网带宽；服务器操作系统为云平台提供的Windows Server 2019加Internet Information Services 10，数据库为自行建设的MS SQL Server 2014加PostgreSQL 4.24。云服务平台软件采用C#语言，基于ASP.NET框架下的 Web API应用软件编程接口开发模式研发，API接口输出数据格式为Json。智能手机APP软件，基于可跨Android与iOS平台的MUI前端框架APP编程技术研发。

表2 酿酒葡萄农用天气预报指标库数据表

注：1. &、|、（）、＞、｝、＜、｛分别代表与、或、数值区间、大于、大于等于、小于、小于等于；Ｘ代表无此项。

2. 天气字段中的数值代表天气符号代码，如0代表晴、2代表阴、3代表小雨等；风速、气温均为实际值。

Note: 1. &, |, (), >, }, <, { represents and, or, a numerical interval, more than, greater than or equal to, less than, less than or equal to, respectively. X represents none.

2. The number in the weather field represents the weather symbol code, such as 0 represents fine, 2 represents cloudy, 3 represents light rain, etc. Wind and temperature are in actual values.

图4 农用天气预报指标算法云计算程序框图

图5 手机APP农用天气预报页面实例

3.2 注意事项

以云计算方式在线制作气象服务产品所采用的编程技术，都要围绕着提高计算效率这一核心目的选择，因为缩短产品反馈时间是提升用户体验的关键。为此，将云计算软件集成在Web API接口软件中开发，将能极大提高计算效率；其次，将更新频率一天以上的气象统计资料在后台提前准备好，也可为提高计算效率做出贡献。

农用天气预报产品有一定的适用范围，宁夏农用天气预报云服务平台制作的产品，自然只在宁夏范围内适用，宁夏的酿酒葡萄服务产品只在贺兰山东麓葡萄产区适用，小麦、蔬菜等还分南北不同的茬口。因此，在农用天气预报制作软件中还应引进不同的地理参数，对提供给不同区域用户的服务产品加以区分。

3.3 服务效果

农用天气预报服务作为一项气象专业服务，以天气预报、农业气象指标判断、模型数据判别为基础，多基于Windows或B/S结构实现农用天气预报的自动化和智能化[13−15]，服务对象以党政决策层和农业部门为主，对农业生产具有很强的指导性。但对农业企业、种植大户和农民等个体用户来说，服务的针对性、及时性较弱。本研究研发的平台通过移动互联网与云计算技术相结合，基于用户地理位置与需求（即通过提取用户地理位置及所关注作物信息），在线制作服务产品并实时分发反馈给用户，做到“有需才有应”。该平台解决了农业气象服务产品海量生产难以分发的痛点，可使计算资源合理化布局、集约管理、按需分配、充分利用，很大程度上节约了人力成本和计算资源，使农业气象服务业务的布局变得更加高效和专业，是一种气象服务产品制作方式的创新。

目前，宁夏气象部门已应用移动互联网和云计算技术，在宁夏电子政务云上布设了宁夏气象科技兴农网（xnw.nx121.net），以Web API方式对外提供酿酒葡萄、水稻、小麦、玉米、大棚番茄、黄芪、畜草等以及森林草原火险等农用天气预报云计算数据产品服务。通过网站提供特定点与格点化农用天气预报服务，并自行研发了农业气象服务APP“致富宝”，向农业种植大户提供基于地理位置及所关注作物的农用天气预报调阅服务，服务惠及宁夏全区农村两千多家种养殖大户及一百多家农业生产企业，取得了良好的效益。此项技术有望推广到更多的公共气象服务领域，提升气象服务的精确性与有效性。

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Development of Farming Weather Forecast Service Platform Based on Mobile Cloud Computing Technology—A Case Study on Forecasting of Wine-Grape Farming Activities

GAO Guo-hong1, 2, LIU Yao1, 2, MA Li-wen1, 2, GOU Xiao-hui1, 2, LIU Jian-hong1, 2

(1.Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions, CMA, Yinchuan 750002, China; 2.Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction, Yinchuan 750002)

The FTP file transfer method based on traditional TCP/IP protocol and the service mode with one-time production and unified distribution of service products no longer meet the pertinence, diversity, high efficiency requirements of the existing services. In order to reduce redundant farming weather forecast service products, improve the operational efficiency and services pertinence, by adopting internet and cloud computing technology, authors took wine grapes in Ningxia hui autonomous region as an example and developed Ningxia farming weather forecast cloud services platform based on user location and farming activities. Online real time production and distribution of service products were realized in this research. This platform was mainly composed of three parts: data processing software, farming product cloud producing software and agriculture meteorological service APP. The workflow of this platform was as follows: basic data and necessary intermediate data in the Meteorological Service Network were uploaded to the cloud server database, then subroutines such as data acquisition, index comparison and forecast making were used, and finally related farming weather forecast were obtained through the API interface of the established cloud service website. In addition, farming weather forecast products with strong professionalism, time-validity and pertinence based on the user's geographical location were acquired through the developed APP. This platform can greatly improve the objectification, automation level and service product quality of farming weather forecast in Ningxia, as well as can provide references for specialization and fine development in farming weather forecast technology in China.

Farming weather forecast; Cloud computing; Geographical location; Ningxia

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.01.006

高国弘,刘垚,马力文,等.基于移动云计算技术的农用天气预报服务平台研发:以宁夏酿酒葡萄农事活动预报为例[J].中国农业气象,2022,43(1):61-71

收稿日期：2021−04−29

宁夏回族自治区重点研发计划项目（2018BEG03068）

通讯作者：刘垚，高级工程师，从事应用气象服务，E-mail: liuyao314@163.com

高国弘，E-mail: wybggh@163.com