SMCS 支持下土壤墒情自动测报系统研究与应用

王凤瑞，张英骏

（河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000）

SMCS 支持下土壤墒情自动测报系统研究与应用

王凤瑞，张英骏

（河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000）

SMCS 系统基于 C/S 模式、采用 PowerBuilder 平台开发完成，面向 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》，满足全国各省（市）墒情资料整编工作的需求。在实现常规手段采集的墒情信息完成整编的基础上，进一步完善自动监测站墒情信息的实时计算、存储、整编、分析等功能，使墒情信息服务的数据可靠性得到提高。自 2011年在全国墒情监测部门推广应用后，取得良好的经济和社会效益，为抗旱减灾部门的科学决策提供技术支撑。

土壤墒情；自动测报；资料整编；信息系统

我国水资源短缺，旱灾频繁。近年来，随着经济社会发展带来的用水需求增加，以及受全球气候变暖影响，干旱缺水问题越来越严重，干旱灾害呈现频次加快、范围扩大、损失加重的趋势。据统计，20 世纪 50年代以来，我国年平均受旱面积2 160 万hm2，成灾面积 950 万hm2，因旱灾减产的粮食约 154 亿kg[1]。为有效解决旱情信息的服务化水平，国家防汛抗旱指挥系统在全国 27 个省建设了旱情分中心 267 个。旱情分中心采用自动测报系统，从数据采集、传输、存储、入库可实现无人值守，但因仪器设备的可靠性及不可预见的外界环境因素干扰，使自动测报数据出现异常值，需要对异常数据进行剔除。由于自测报数据量大，时效性强，如果采用人工进行整编处理，投入大、效率低，不能满足墒情信息服务工作的需要，要求通过计算机实现墒情信息的自动整编处理。

SMCS（Soil Moisture Compilation System）面向SL 364—2015《土壤墒情监测规范》，已在全国各省（市）水文部门部署运行，通过对系统进一步的完善，不仅实现了对原有常规监测方式墒情信息的处理，同时兼容了目前的自测报监测方式采集的墒情信息，实时进行土壤墒情资料的整编处理工作[2]。

1 SMCS 的基本功能

SMCS 系统采用 C/S 模式，PowerBuilder 开发平台，SQL Anywhere 数据库系统开发完成。系统通过对墒情监测站点基本信息的初始化，自动对墒情监测信息进行识别、分类；采用“四舍五入”“四舍六入五留双”的方法，实现了墒情数据的规范化计算；集成了全国各行政区划，实现了不同行政区的精细化管理；集成了烘干类、探针类、放射类等土壤墒情监测方法，实现了墒情数据的接收、分析计算、整编存储、报表输出、数据共享等功能，其功能如图1 所示。

图1 SMCS 的功能

1.1 对于多种分析方法及监测方式的支持

系统支持人工取土烘干法、张力计法、中子水分仪法等主要土壤墒情监测的基本方法，同时纳入了多种分析计算方法供用户选择。系统为每个监测站预留了 4 个监测地块，每个地块预留了 6 个取土层，这些均作为监测站的属性供用户选择。例如，土壤含水率的分析计算 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》要求是以土层厚度加权，而实际工作中很多监测机构采用算术平均法，计算结果的数字修约方式“四舍五入”和“四舍六入五留双”也不尽相同，于是系统在借鉴有关文献成果的基础上实现了各种方法的任意设定[2]。

系统对监测方式进行自动识别。每个测站的每个监测地块的监测方式可以任意注册和变更，系统将根据已注册的方式自动分配对应的目标表格，整理 SL 364—2015《土壤墒情监测规范》要求的各种原始记载表形式，设计了烘干类、探针类、放射类3 类记载表格和自动测报数据接收窗口，满足各种监测方式的需要。

1.2 智能化分析计算

原始数据的录入分析计算，如图2 所示，通过PB 的 EditChanged（）事件编写处理代码实现了“即录即算”的智能化，实时检查分析原始数据，即时看到系统的每一步处理过程，帮助用户做到原始数据的零错误率。土壤类型、土壤质地、取样深度、取样容器质量等信息是在监测站基本信息中设置的，不需要用户每次录入。系统为每个土层预留了 3 个平行样，也允许是 1 或 2 个，采用自定义函数进行识别并自动计算；在用户录入每一个测次的数据完成计算后，绘制出本监测站本监测地块当年各测次的土壤含水量过程线、降雨量柱状图和地下水埋深过程线 3 个统计图，随时对数据合理性的自动检查；在土壤含水量与田间持水量相等时，实现“地块状态”转化为“饱和”的自动标记；用户在数据录入过程中，出现逻辑性错误，如“取样容器 + 湿土重量”小于“取样容器+干土重量”时，对错误数据进行自动提示。

1.3 成果资料的规范化输出

墒情资料整编包括原始、数据、图表、统计等资料，整编成果要求做到项目完整，图表齐全；考证清楚，说明完备；数字准确，符号无误。SMCS通过用户对筛选条件的设定，自动对墒情资料进行整编处理，生成年度资料成果表、摘录成果表、年度特征值统计表、监测站信息一览表等，并实现报表的打印、输出、共享等功能。根据地方旱情服务的需要，实现旱象的自动识别，生成旱情日报表，并根据 SL 330—2011《水情信息编码标准》的格式要求，生成墒情报文，实现墒情信息的即时报送[3]，如图3 所示。

图2 原始数据录入计算

图3 土壤墒情日报表

2 SMCS 支持的自动监测系统

2.1 自动监测系统建设

土壤墒情自动监测系统主要由信息采集、传输、接收处理等系统和辅助设备设施组成。信息采集系统以固定埋设自动墒情站建设为主，主要环节为信息监测、记录与存储，需要的设备有传感器、数据线、固态存储器等。信息传输系统主要完成信息传输控制，并通过通信设备（GPRS/Internet）、信道完成数据传输。需要的设备有遥测终端机、通信模块、电源和天馈线等。信息接收处理系统主要完成节点信息接收、存储，信息处理、信息服务等工作内容，需配置通信接收设备、计算机、网络设备，以及信息接收处理、数据管理、监视管理和信息服务等软件。辅助设备设施是指固定埋设自动墒情站建设时配置的必要设施、设备，主要有蓄电池、太阳能板、围栏、避雷设备、立杆、仪器箱等。

2.2 自测报数据的处理

2.2.1 固定文本方式的数据处理

墒情自动监测站信息通过 GPRS/Internet 传输至旱情分中心，完成数据存储的前提下，在 SMCS 安装目录的文件夹内生成 *.zcb 文件，*.zcb 文件名的命名规则为 8 位测站编码 + 地块号，如 357512362.zcb指测站编码为 35751236、地块号为 2 的自测报站，其数据内容和顺序为监测日期，监测时间，土层 1～6 体积含水率，如表1 所示，允许每站一次传送多次监测记录信息。系统利用 timer （ ）事件每隔 30 s 对该文件夹进行读取，根据文件内容进行检测，测站名称、地块和收报时间由系统根据文件名称和当前时间自动添加。对于 1 d 内接收的多组数据，选择每日8:00 的土壤含水量数据进行整编[4]。如果当日 8:00的数据未接收，则选取当日接收到的第 1 条信息代表当日的含水量。同时，系统自定义了“代表日量的测次”字段，由用户任意指定，选择当日内任 1 条数据作为日量数据参与存储计算。如果因自测报装置故障或人为因素出现数据重复发送，系统会依据监测时间判断予以提示并覆盖上次信息。在完成 1 次数据接收后，系统将收到信息的情况记入 zcb.log 的日志文件中，供用户后期查阅。

2.2.2 现有数据库系统的信息处理

对于早期建设的自动监测系统，根据项目需要都建立了数据库。这些数据库当中信息存储格式不统一，数据共享的难度较大。SMCS 通过数据窗口技术，建立 DataStore 读取项目数据库导出的固定格式文本文件，判断输入的数据格式是否符合系统要求。符合系统要求的数据，系统读入数据库进行整编处理；不符合系统要求的数据，系统提醒用户进行格式修订，直到达到系统要求为止。以实时雨水情数据库为例，由 SQL Server 系统通过 DTS 导出为固定格式的墒情文本信息，通过 SMCS 系统的“读取雨水情数据”菜单，导入由 DTS 导出的文本文件进行整编处理，生成整编成果报表。

2.2.3 基于手机短信的信息处理

手机已成为现代人不可缺少的通信工具，借助这一通讯资源，采用 USB 接口的短信群发设备，即短信猫及其二次开发包，实现了土壤墒情信息的收发功能，并由 SMCS 进行整编处理。监测站人员根据统一定制的短信模板，编辑短信填写监测到的墒情信息，发送到 SMCS 管理平台指定文件夹。信息内容包含土壤含水量监测、地下水、蒸发、降雨等信息，SMCS 每隔一段时间（10，20，30 s）对文件进行读取，并对文件进行 2 个方面的校验：1）是否为报文短信；2）报文短信格式是否符合预设要求。对非报文格式短信校核、入库。数据处理流程如图4所示。

图4 手机短信数据的处理

3 系统的实际应用

3.1 实时监测数据的接收

以河北省沧州市土壤墒情监测现状为例，该市共建设土壤墒情监测站 50 处，其中省级监测站 19 处，市级监测站 31 处。分别采用人工取土烘干法和自测报系统进行监测。每次数据监测完成后，通过 SMCS系统进行数据接收、处理。对于人工监测数据，实时录入计算、分析输出；自测报数据，通过点击【外部数据—启动自测报数据接收器】开始接收监测站发送的土壤墒情监测数据。用户在墒情数据接收完成后，其他如时段降雨量、蒸发量、灌溉等相关要素需要人工添加，系统在打开相应测站数据录入界面后对未添加的其他要素测次给予提示。各监测站同一日期完成 1 次统测后，对本次监测资料进行整理，点击【资料管理—墒情日报、简报、信息编码】，完成墒情日报、简报、信息编码 3 项工作，及时向上级用户、政府抗旱部门传递墒情信息。墒情日报中，容纳所属各站各地块的资料，既能让用户纵览本次监测的大部分必要的信息，也能生成一个包括全部监测数据的外部文件（.HQT）；墒情简报以 4 种不同作物类型制成的表格，按照《墒情等级标准》规定，把各监测站划分为正常、轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱 5 个等级[5]。

3.2 生成年度整编资料成果

在全年的墒情监测资料收集完成后，通过点击【资料管理—浏览/操作资料成果】对数据进行整编处理。在数据库管理员口令验证完成后进入年度整编成果统计界面，如图5 所示。

系统根据用户设定，以监测站基本信息为基础，统计某年度起止监测时间等，生成年度监测站一览表、监测资料成果表和特征值统计表。系统可根据用户需求，分别按照行政区划或流域水系生成不同的数据表，供上级用户浏览汇总。

4 结语

根据土壤墒情自动监测站的运行现状，分别针对土壤信息的多种采集传输方式，采用 PowerBuilder平台实现了对墒情监测数据的传输及存储的规范，成功实现了墒情监测数据的自动接收、处理、整编、成果输出等功能，改变了原有的人工整编的模式、流程，大大提高了墒情资料整编的效率，系统在全国推广应用尤其是北方地区，如河北、山东、吉林等省市取得了良好的经济效益，节约了大量的人力、物力成本，提高了当前土壤墒情信息服务的水平和效率。

图5 年度整编成果统计

[1] 章树安，林祚顶. 土壤墒情监测与分析预测应用技术[M].长春：吉林大学出版社，2017: 1-5.

[2] 张英骏，王凤瑞，王慧. 土壤墒情信息管理系统设计与实现[J]. 水利科技与经济，2012 （2）: 106-107.

[3] 中华人民共和国水利部. 水情信息编码标准：SL 330—2011[S]. 北京：中国水利水电出版社，2011: 42-43.

[4] 中华人民共和国水利部. 土壤墒情监测规范：SL 364—2015[S]. 北京：中国水利水电出版社，2015: 17-20.

[5] 中华人民共和国水利部. 旱情等级标准：SL 424—2008 [S]. 北京：中国水利水电出版社，2008: 4-8.

Research and application of soil moisture automatic measuring system under support of SMCS

WANG Fengrui, ZHANG Yingjun

（Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of Cangzhou, Cangzhou 061000, China）

Based on C/S mode, using PowerBuilder development platform, SMCS system intends for Soil Moisture Monitoring Standards, to meet the provinces （cities） soil moisture data processing work demand. On the basis of completing the soil moisture information reorganization collecting by the conventional means, it improves the functions of real-time computing, storage, integrating and analysis of soil moisture information in autormatic monitoring stations, and promotes soil moisture data reliability of the information service. Since 2011, after the popularization and application in soil moisture department throughout the country, it has achieved good economic and social benefits, provided technical support for scientific decision-making of drought relief departments.

soil moisture; automatic measuring and reporting; data compilation; information system

S152.7

A

1674-9405（2017）03-0060-05

2017-05-04

王凤瑞（1978-），男，河北沧县人，高级工程师，主要从事水文水资源研究工作。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.014