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基于GIS的玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取系統(tǒng)

2014-04-29 17:06:02米春橋張曉東彭小寧趙嫦花
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年19期
關(guān)鍵詞:特征提取

米春橋 張曉東 彭小寧 趙嫦花

(1.懷化學(xué)院,湖南懷化 418000;2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南懷化 418000;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100083)お

摘要

借助SuperMap平臺(tái)的GIS功能,利用.NET平臺(tái)和C#語(yǔ)言,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取系統(tǒng),共包括原始?xì)庀髷?shù)據(jù)預(yù)處理、空間氣象信息提取、氣象特征專題圖制作和圖形化顯示4個(gè)功能模塊,不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)大量氣象數(shù)據(jù)的高效管理,更能方便地進(jìn)行玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取,并借助GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行專題制圖與相關(guān)的決策分析。該系統(tǒng)既可以為玉米種植戶提供精確的玉米種植環(huán)境氣象特征信息,又可為玉米種子企業(yè)各級(jí)管理者提供各種決策分析支持,對(duì)有效降低玉米生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)踐應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞 玉米種植環(huán)境;氣象信息;特征提??;GIS

中圖分類號(hào) SB127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611(2014)19-06465-03

Maize Planting Environment Meteorology Feature Information Extracting System Based on GIS

MI Chun瞦iao et al

(Huaihua University, Huaihua, Hunan 418000)

Abstract A maize planting environment meteorology feature information extracting system based on SuperMaps GIS capabilities, .NET platform, and C# language was designed. The system comprises four functional modules: source data preprocessing, spatial meteorological information extracting, meteorology feature thematic map producing and graphical displaying. It can not only manage massive meteorological data effectively, but also extract valuable maize planting environment meteorology feature information and support some related decision瞞aking with GIS spatial analysis technology. It can provide accurate maize planting environment meteorological information for farmers and various decision supports for relevant managers in seed industry, which is of practical significance in reducing maize planting risk. Our application results have shown good usability of the system.

Key words Maize planting environment; Meteorological information; Feature extraction; GIS

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301084);湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13JJ6075)。

作者簡(jiǎn)介

米春橋(1983-),男,湖南懷化人,講師,博士,從事地理信息系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)研究。

收稿日期 20140506

玉米是主要的糧食作物之一,其生產(chǎn)狀況直接影響到全世界的糧食安全,在影響玉米生長(zhǎng)的諸多因素中,氣象是最主要的環(huán)境因素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化關(guān)鍵是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用,尤其是信息技術(shù)的運(yùn)用,因此,研究玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前關(guān)于農(nóng)業(yè)氣象信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)建設(shè),許多學(xué)者進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。一方面,一些學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)氣象信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、氣象信息共享平臺(tái)建設(shè)等技術(shù)進(jìn)行了研究與思考[1-3],同時(shí),一些學(xué)者還結(jié)合具體應(yīng)用區(qū)域開(kāi)發(fā)了相關(guān)的省級(jí)氣象信息應(yīng)用系統(tǒng),如趙杰明等設(shè)計(jì)了陜西省農(nóng)業(yè)氣象信息服務(wù)系統(tǒng)[4],張?jiān)坪5乳_(kāi)發(fā)了遼寧省大氣環(huán)境信息管理系統(tǒng)[5];另一方面,由于氣象要素具有明顯的地域性,因此一些學(xué)者還將地理信息系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)進(jìn)行了結(jié)合[6-8],如劉麗等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于GIS組件的農(nóng)業(yè)氣象信息服務(wù)系統(tǒng)[9]。這些研究在當(dāng)時(shí)條件下都具有一定的代表性與實(shí)用性,但隨著技術(shù)進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展,有的研究顯示出明顯的時(shí)域局限性,不能滿足用戶對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)、多類別及針對(duì)特定作物的氣象特征信息服務(wù)要求。為此,筆者設(shè)計(jì)基于GIS的玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取系統(tǒng)。該系統(tǒng)專門(mén)針對(duì)玉米種植而設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)全國(guó)近57年的氣象日值數(shù)據(jù)(共包含12個(gè)指標(biāo))的統(tǒng)計(jì)計(jì)算與分析,基于玉米物候期進(jìn)行玉米生長(zhǎng)環(huán)境氣象特征信息的挖掘與提取,并結(jié)合GIS的空間分析與制圖功能方便、快速地生產(chǎn)各種實(shí)用的玉米種植氣象信息專題圖。應(yīng)用表明,該系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合,在玉米種植業(yè)領(lǐng)域具有很好的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)采用C/S模式,開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005、SQL Server 2000及SuperMap Objects 5.2,開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C#。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮乃枷?,整體架構(gòu)分為3層[10]:用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。系統(tǒng)功能主要包括4大模塊:①原始?xì)庀髷?shù)據(jù)預(yù)處理模塊,完成對(duì)原始?xì)庀笕罩禂?shù)據(jù)和玉米物候期數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、入庫(kù)等預(yù)處理;②空間氣象信息提取模塊,結(jié)合空間地理位置,對(duì)經(jīng)預(yù)處理的氣象日值數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)計(jì)算、空間插值、概率分析及回歸分析等,提取出用戶指定位置處與玉米生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的氣象特征信息、空間分布規(guī)律以及未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)等;③玉米種植環(huán)境氣象特征信息專題圖制作模塊,根據(jù)用戶的需求,對(duì)經(jīng)計(jì)算或回歸分析得到的各種與玉米生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的氣象特征信息結(jié)合空間地理數(shù)據(jù)制作各種形式的專題圖;④圖形化顯示模塊,以圖形化的方式直觀地顯示各種特征信息提取結(jié)果及專題地圖顯示等。系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工作流程如圖1所示。

圖1系統(tǒng)工作流程

2原始?xì)庀髷?shù)據(jù)預(yù)處理

系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)主要有3類:①全國(guó)742個(gè)基本氣象站點(diǎn)近57年的氣象日值數(shù)據(jù)(包括日平均溫度、日降水量等12個(gè)氣象指標(biāo));②全國(guó)玉米生長(zhǎng)發(fā)育物候期數(shù)據(jù);③全國(guó)1∶400萬(wàn)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)及全國(guó)742個(gè)基本氣象站點(diǎn)地理位置空間數(shù)據(jù)。對(duì)原始?xì)庀?shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)的篩選和檢驗(yàn)兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)篩選主要是剔除掉其中錯(cuò)誤的和缺失嚴(yán)重的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)檢驗(yàn)包括極值范圍的檢驗(yàn)(如溫度的極值范圍為-55~50 ℃)和邏輯關(guān)系的檢驗(yàn)(如日最低溫度、日平均溫度、日最高溫度三者應(yīng)滿足日最低溫度≤日平均溫度≤日最高溫度)等。所有原始?xì)庀?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)處理后均存儲(chǔ)到系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取

3.1 氣象特征信息提取方法

對(duì)玉米種植地區(qū)的氣象站點(diǎn)的氣象日值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,再經(jīng)GIS插值分析,從而得到玉米種植地區(qū)的氣象特征信息。該系統(tǒng)在提取氣象特征信息時(shí)主要基于統(tǒng)計(jì)分析原理,用到的方法主要有求平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、累計(jì)值、線性回歸分析及時(shí)間序列分析等。其中,線性回歸分析主要用于對(duì)缺失值和未來(lái)值的預(yù)測(cè),而時(shí)間序列分析主要用于氣象特征信息的潛在趨勢(shì)規(guī)律的分析。

3.2 氣象特征信息提取類別

該系統(tǒng)能夠提取多種類別的玉米種植環(huán)境氣象特征信息,分別適合不同場(chǎng)合的需求。從統(tǒng)計(jì)分析的層次不同可分為階段特征(單層次統(tǒng)計(jì))和年際特征(多層次統(tǒng)計(jì)),前者指氣象指標(biāo)在年內(nèi)某個(gè)時(shí)間階段內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征值,后者指氣象指標(biāo)在年內(nèi)某個(gè)時(shí)間階段內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征值在多年中的統(tǒng)計(jì)值,它是統(tǒng)計(jì)值的統(tǒng)計(jì)值。

從應(yīng)用階段的不同可將其分為日歷特征、農(nóng)事特征和物候特征,其中日歷特征是按日歷時(shí)間(如2007-01-01~12-31)直接劃分統(tǒng)計(jì)階段,農(nóng)事特征是結(jié)合玉米生產(chǎn)的農(nóng)事安排(如溫度穩(wěn)定>0 ℃的無(wú)霜期階段)來(lái)劃分統(tǒng)計(jì)階段,而物候特征是根據(jù)玉米生長(zhǎng)發(fā)育實(shí)際物候期來(lái)劃分階段(比如播種到出苗)。

從應(yīng)用目的的不同可以分為常規(guī)特征、災(zāi)害特征和風(fēng)險(xiǎn)概率特征,其中災(zāi)害特征是指對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育構(gòu)成嚴(yán)重威脅的特征(如極端高溫、大風(fēng)、大雨等)。風(fēng)險(xiǎn)概率特征指某一氣象特征在指定地點(diǎn)和時(shí)間出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)概率。

從特征的復(fù)雜程度可以分為簡(jiǎn)單特征和復(fù)雜特征,其中復(fù)雜特征指在多個(gè)條件限制下計(jì)算得到的特征。3.3 氣象特征信息提取流程

提取的流程主要分為3步:氣象指標(biāo)值計(jì)算、對(duì)計(jì)算結(jié)果所得的特征信息進(jìn)行提取及特征信息專題圖制作。在指標(biāo)值計(jì)算時(shí):①選擇待分析地區(qū)的氣象站點(diǎn)(如果待分析地區(qū)內(nèi)沒(méi)有氣象站點(diǎn),則選擇其最鄰近的氣象站點(diǎn));②選擇要計(jì)算的氣象指標(biāo)(包括自定義指標(biāo));③設(shè)置計(jì)算的條件,包括年際的起始年和終止年、階段的起始點(diǎn)(月、日)和終止點(diǎn)(月、日)或者玉米的起始物候期和終止物候期、指標(biāo)的限制條件、階段的特征名、年際的特征名。具體操作方法及界面如圖2所示。氣象指標(biāo)值計(jì)算完成后便開(kāi)始特征信息提取,這一過(guò)程也叫區(qū)域化處理,其目的主要是將計(jì)算所得的氣象站點(diǎn)的氣象特征信息通過(guò)GIS的空間插值方法擴(kuò)展到目標(biāo)研究區(qū)域中去,從而得到目標(biāo)區(qū)域的玉米種植環(huán)境氣象特征信息值,該過(guò)程的處理方法與流程如圖3所示。特征信息提取以后即可按用戶指定的參數(shù)生產(chǎn)特征信息專題圖。

圖2 氣象特征值計(jì)算界面

圖3氣象特征信息提取流程

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用分析

系統(tǒng)提供兩類用戶模式:普通用戶和高級(jí)用戶。普通模式用于實(shí)現(xiàn)一鍵式自動(dòng)信息提取;而高級(jí)模式則提供參數(shù)調(diào)整的交互式特征信息提取。選擇相應(yīng)的用戶模式后即可進(jìn)入玉米種植環(huán)境氣象特征信息提取模塊,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主界面如圖4所示。

圖4系統(tǒng)主界面

該系統(tǒng)不但可以為種植人員提供與玉米種植生產(chǎn)相關(guān)的各種氣象特征信息,指導(dǎo)其進(jìn)行精確的玉米生產(chǎn);同時(shí)也可以為各玉米種子企業(yè)提供相關(guān)的決策分析支持,如不同氣候特征下玉米品種銷售地區(qū)的選擇及在玉米制種基地選址中氣象因素的分析等。在實(shí)踐應(yīng)用中,以全國(guó)742個(gè)基本氣象站點(diǎn)近57年的日值風(fēng)速(氣象指標(biāo))數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)分析方法,采用該系統(tǒng)為北京金色農(nóng)華種業(yè)科技有限公司制作了玉米拔節(jié)—抽雄期因風(fēng)倒伏(折)風(fēng)險(xiǎn)概率分布專題圖,如圖5所示,為其在全國(guó)各地選址建立玉米制種基地提供了良好的決策支持。

圖5 玉米拔節(jié)—抽雄期因風(fēng)倒伏(折)風(fēng)險(xiǎn)概率分布專題圖

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)的特點(diǎn):①不僅具備氣象特征信息提取功能,同時(shí)支持空間專題圖制作,在空間計(jì)算上以縣域?yàn)樽钚∮?jì)算單元,計(jì)算精度較高;②基于玉米物候期進(jìn)行玉米生長(zhǎng)環(huán)境氣象信息的提取,與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)密切結(jié)合,實(shí)用性大;③具有較好

的擴(kuò)展性,稍微加以改造即可用于其他方面,如加入水稻生

長(zhǎng)物候期的數(shù)據(jù),即可將該系統(tǒng)用于水稻生長(zhǎng)環(huán)境氣象特征

信息的提取。對(duì)于將來(lái)的擴(kuò)展:①可以增加更多的氣象日值數(shù)據(jù)及氣象站點(diǎn)數(shù),這樣在特征提取時(shí)空間插值計(jì)算的效果會(huì)更好;②可以將其他的環(huán)境因素如土壤等集成到該系統(tǒng)中,則會(huì)更有利于玉米生產(chǎn)方案的定制。

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