基于B/S架构的土壤墒情自动监测系统

周伟　叶杰　沈伟　张莹　叶剑　周紫阳

摘要：为连续监测土壤墒情变化，提高农业气象灾害应急观测能力，宿迁市气象局从2009年开始进行土壤水分观测仪的建设试点工作，在硬件建设的同时，开发了基于B/S架构的土壤墒情自动监测系统。该系统可提供实时浏览、图表、色斑图等多种查询方式，查询各站点各时段土壤水分变化、分布情况，更好地发挥了土壤水分观测资料的应用价值，可为各级政府及农业部门提供科学的决策依据。

关键词：B/S架构：土壤墒情：自动监测系统

土壤水分是气候、生态和农业系统的关键要素，随着近年来全球变暖气候异常的加剧，各种极端天气现象不断增多，特别是干旱、洪涝对农业生产带来很大的影响。传统的土壤墒情观测往往以人工为主，准确率较低，时效性也不好，为满足新时期抗旱工作的需要，连续观测土壤墒情变化，宿迁市共建成7个DZN1型土壤水分观测仪，在土壤墒情监测中发挥着越来越重要的作用。如何使用土壤水分观测仪所采集的数据为农业生产服务，开发基于WEB页面的土壤墒情自动监测系统，已成为当务之急。

1.DNZ1型自动土壤水分观测仪

上海长望气象科技有限公司生产的DXN1自动土壤水分观测仪，应用频域反射法（FDR）原理来测定体积含水量，它由传感器发出100 MHz高频信号，传感器电容（压）量与实测层次土壤的介电常数呈函数关系。由于水的介电常数比一般的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分变化时，其介电常数也相应变化，测量时传感器给出的电容（压）值也随之变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，得出土壤水分观测值，并按一定的格式存储在采集器中。

自动土壤水分观测仪能实时自动采集8个土层深度的土壤水分数据，分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、70～80、90～100 cm，每隔1min读取测量结果，每10个测量数据作质量控制后的算术平均即为该10min的观测值，1 h内6个10min观测值的算术平均即为该小时观测值。自动土壤水分观测仪可以方便、快速地在同一地点进行不同层次的土壤水分观测，获取具有代表性、准确性和可比较性的土壤水分连续观测资料。

2.土壤墒情自动监测系统的技术结构

宿迁市土壤墒情自动监测系统采用分层和模块化的设计方法，依托DzNl自动土壤水分观测仪的采样数据，按照B/S（浏览器/服务器）架构设计，服务端是系统数据库，采用SQL Server 2008 R2开发，数据库中存放各种土壤信息资料，包括体积含水率、相对湿度、重量含水率和水分贮藏量等数据，服务端维护升级方便，适合多用户同时在线访问。系统数据从架构上分为源数据层、基础质控层、基础数据层和产品数据层（图1）。

3.系统主要功能

用户输入具有权限的用户名和密码，进入宿迁市土壤监测系统，主界面左边为导航栏，点击可以切换不同的界面功能，分别有实时数据查询、历史数据查询、土壤图表对比分析、色斑图等6部分功能模块。

3.1实时和历史数据查询功能

根据业务工作需要，选择所需查询的站点、土壤信息和时间区间，系统将显示所需时段的土壤体积含水量、相对湿度、重量含水量和水分贮藏量等数据。并按气候极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查对原始数据作质量控制，剔除错误数据，使输出的数据更加贴近真值（图2）。

3.2土壤数据对比分析功能

根据业务工作需要，可以选择多时次、多站点的土壤观测数据，系统将自动形成各个站点变化曲线图，直观地输出每个站点的变化趋势以及站点间的土壤信息对比，并可输出到Excel表格，便于对观测数据的后续使用和分析。

3.3土壤墒情色斑图功能

为了更直观地反映宿迁市土壤墒情分布状况，系统采用了色斑图方式来标注土壤墒情特性（图3）。干旱指标依据中国气象局农业气象观测规范的标准，即以20 cm土层的土壤相对湿度分别降至60%、50%、40%以下作为轻、中、重旱的标准。系统利用编程调用Golden software surfer 8.0函数来实现色斑图的绘制，具有很强的移植性。

气象服务人员可以根据全市土壤相对湿度色斑图和土壤相对湿度表，结合当前农作物所处发育期进行作物生长影响评价，并根据未来天气形势，提出针对农业生产的分析建议，以文字、图形、表格形式定期发布全市土壤墒情监测信息。

3.4干旱预警功能

系统根据全市各土壤水分站点进入不同干旱等级的时间为截点，以短信、界面提示等方式提醒相关业务人员，业务人员依据预警信息和系统监测资料，及时向相关部门和领导发布干旱预警信息，确保气象部门能够在第一时间发现旱情，提高气象部门在旱情发生时的预警时效性。

4.土壤墒情自动监测系统的应用

土壤墒情自动监测系统的建成可以快速准确地收集土壤墒情信息，提高了观测时效，消除了人工读数误差，减轻了基层气象台站工作人员劳动强度，符合气象观测现代化的发展方向，对提高观测资料汇集的自动化、规范化、业务化程度，起到极大的推动作用。近一年来，土壤墒情自动监测系统已应用于农业气象周报、干旱服务材料、冻土深度、降雨渗透深度服务等方面，在实际应用中，得到了当地政府和农业部门的高度肯定，进一步提升了宿迁市气象为农服务水平，有效发挥了观测资料的应用价值。