商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

崔新建，陳羅成，王素杰，檀艷靜#

1.河南省周口市氣象局，河南周口 466000; 2.河南省氣象局, 河南鄭州 450000;3.河南省商水縣氣象局, 河南商水 466100

1 商水縣概況

商水縣位于河南省東南部，總面積1 270 km2，耕地面積約926.7 km2，全縣總?cè)丝?25.36萬人，轄11個(gè)鎮(zhèn)、9個(gè)鄉(xiāng)、3個(gè)辦事處、1個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)、1個(gè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和1個(gè)特色商業(yè)區(qū)，575個(gè)行政村。商水縣是全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣、全國(guó)生豬調(diào)出大縣、全國(guó)雙擁模范縣、全國(guó)國(guó)土綠化模范縣、全國(guó)科技示范縣、國(guó)家扶貧連片開發(fā)縣。商水縣地處南北氣候過渡帶，屬暖溫帶季風(fēng)氣候。干旱、低溫、干熱風(fēng)、大風(fēng)、暴雨、暴雪、雷電等氣象災(zāi)害多發(fā)頻發(fā),對(duì)地方經(jīng)濟(jì)造成的影響較為嚴(yán)重。近年來，商水縣按照習(xí)近平總書記要求河南“加快推動(dòng)藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略落實(shí)落地”的指示精神和省市安排部署，充分發(fā)揮平原農(nóng)業(yè)大縣的優(yōu)勢(shì)，以高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)為突破口，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的綜合效益，在確保國(guó)家糧食安全的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興探索出一條新道路。

2019年以來，商水縣著力打造高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田。商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范規(guī)劃面積約33.3 km2，總投資1.5億元，建設(shè)內(nèi)容包括灌溉與排水工程、輸配電工程、田間道路工程、農(nóng)田防護(hù)與生態(tài)環(huán)境保持工程、水肥一體化及物聯(lián)網(wǎng)等工程。隨著商水縣約33.3 km2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，全縣近70%耕地都已經(jīng)流轉(zhuǎn)給新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體，原來的小麥種植分散的承包生產(chǎn)，氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)警服務(wù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，常規(guī)服務(wù)效益不佳，社會(huì)影響不大。隨著生產(chǎn)向機(jī)械化集中，管理向?qū)I(yè)化集中，經(jīng)營(yíng)向市場(chǎng)化集中，為保障商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的高質(zhì)量，在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田中科學(xué)設(shè)置苗情、墑情、蟲情（AI慧眼智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）、災(zāi)情智慧氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，提升遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用水平。

商水縣重點(diǎn)打造的張莊約33.3 km2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田核心區(qū)，將網(wǎng)格化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智慧氣象服務(wù)平臺(tái)等融入其中[1-3]。商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行廣度集成、深度融合，充分應(yīng)用氣象AI探測(cè)、人工智能算法、智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)智能互聯(lián)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣象為農(nóng)服務(wù)“從離散到網(wǎng)格”“從人治到物治（科技）”的轉(zhuǎn)變，形成網(wǎng)格化的智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[4]。依托智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)將對(duì)田間小氣候、土壤肥力、生態(tài)監(jiān)測(cè)以及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、常見病蟲害進(jìn)行智能識(shí)別，將衛(wèi)星、無人機(jī)等多源數(shù)據(jù)引入氣象大數(shù)據(jù)中心，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街腔蹥庀蟊O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，與智能網(wǎng)格天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接融合，利用精準(zhǔn)預(yù)報(bào)預(yù)警模型，在“云”上對(duì)干旱、洪澇、干熱風(fēng)等災(zāi)害發(fā)生位置、程度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，動(dòng)態(tài)生成網(wǎng)格化災(zāi)害預(yù)警和防控措施服務(wù)產(chǎn)品，進(jìn)入服務(wù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)“超市”[5]。網(wǎng)格化智能氣象服務(wù)產(chǎn)品改變了以往一種服務(wù)產(chǎn)品“包打天下”的常規(guī)方式，顯著提升了農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)能力[6-8]。智慧氣象服務(wù)平臺(tái)根據(jù)用戶需要，自動(dòng)將服務(wù)產(chǎn)品“大數(shù)據(jù)平臺(tái)”中定制的內(nèi)容精準(zhǔn)推送到手機(jī)、顯示屏等服務(wù)終端，指導(dǎo)用戶適時(shí)開展“靶向作業(yè)”，達(dá)到節(jié)水灌溉和病蟲害防治的目的，有效防范氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)作物減產(chǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 智慧氣象服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用

智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，獲得實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，提供未來一周天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)、墑情信息、農(nóng)氣周報(bào)、農(nóng)業(yè)氣象專題服務(wù)材料等詳盡氣象服務(wù)資料。氣象部門根據(jù)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田需求，運(yùn)用了人工智能與氣象、農(nóng)業(yè)的深度融合的理念，建成了商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田內(nèi)布設(shè)多要素氣象觀測(cè)站、土壤水分站、AI生態(tài)氣象監(jiān)測(cè)站等現(xiàn)代化自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備（圖1）,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田雨量、溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象條件，智能識(shí)別苗情（圖2、圖3）、墑情、發(fā)育期、病蟲害（圖4）等農(nóng)情信息，融合衛(wèi)星遙感和智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)，建成高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)[9]。集氣象要素監(jiān)測(cè)（圖5、圖6）、農(nóng)情信息研判、農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警發(fā)布（圖7）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)、人工影響天氣等功能于一體，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析作物不同發(fā)育期敏感氣象因子的發(fā)生發(fā)展情況，精準(zhǔn)定位影響糧食生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源頭及影響因素（圖8、圖9），精準(zhǔn)推送氣象影響預(yù)報(bào)預(yù)警及生產(chǎn)管理措施建議，為基層政府部門、涉農(nóng)企業(yè)及農(nóng)業(yè)合作社、種植農(nóng)戶等提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理全鏈條的精細(xì)化、針對(duì)性的氣象服務(wù)，打通氣象信息傳遞的“最后一公里”[10]。

圖1 河南省商水縣張莊鎮(zhèn)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備

圖2 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布銹病警報(bào)

圖3 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)銹病

圖4 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蚜蟲

圖5 商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

圖7 商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田智慧氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布大風(fēng)預(yù)警信號(hào)

圖8 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)火災(zāi)隱患

圖9 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)城市內(nèi)澇

依托AI慧眼智能識(shí)別系統(tǒng)，可在病蟲害發(fā)展初期及時(shí)察覺，結(jié)合精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)，農(nóng)戶可掌握蟲情實(shí)況和發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)治“已病”，更扎實(shí)地防“未病”。商水縣小麥即將進(jìn)入抽穗開花期等重要時(shí)期，氣象與農(nóng)業(yè)農(nóng)村局協(xié)同聯(lián)動(dòng)，共同提醒農(nóng)戶重點(diǎn)防治赤霉病條、條銹病、麥蜘蛛等病蟲害。氣象部門需要安裝升級(jí)版的AI慧眼智能識(shí)別系統(tǒng)，讓“慧眼”可多角度旋轉(zhuǎn)，更精準(zhǔn)地捕捉病蟲害。

3 小結(jié)與討論

隨著商水縣約33.3 km2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的不斷推進(jìn)，當(dāng)?shù)亟?0%耕地都已經(jīng)流轉(zhuǎn)給新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體。生產(chǎn)向機(jī)械化集中，管理向?qū)I(yè)化集中，經(jīng)營(yíng)向市場(chǎng)化集中。為保障商水縣高標(biāo)準(zhǔn)大田建設(shè)的升級(jí)與完善，氣象部門建立精準(zhǔn)及時(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)體系，為耕耘著糧安天下的新農(nóng)人、新農(nóng)企提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，助力糧食生產(chǎn)安全及鄉(xiāng)村振興。

由于原來的小麥種植是分散的承包生產(chǎn)，氣象服務(wù)一直多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，常規(guī)服務(wù)效益不佳，社會(huì)影響不大。在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田升級(jí)的過程中，氣象系統(tǒng)緊跟形勢(shì)，抓住機(jī)會(huì)，建設(shè)了網(wǎng)格化氣象大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控平臺(tái)。對(duì)旱情、病蟲害暴發(fā)區(qū)域進(jìn)行AI監(jiān)測(cè)和前端GPU數(shù)據(jù)處理，通過基于機(jī)器視覺的人工智能算法，機(jī)器自我深度學(xué)習(xí)，建立有效的網(wǎng)格化預(yù)報(bào)預(yù)警模型，成功解析出基于商水縣區(qū)域自動(dòng)氣象站和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田生態(tài)站的多源GRIB數(shù)據(jù)，形成實(shí)況專報(bào)和麥?zhǔn)掌陂g氣候評(píng)價(jià)決策，對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田實(shí)行網(wǎng)格化農(nóng)情風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，提供靶向氣象服務(wù)，有效防范各種氣象災(zāi)害暴發(fā)對(duì)小麥減產(chǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

“智慧氣象保障工程”的建設(shè)能夠?yàn)樯趟h高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，積極建設(shè)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)和預(yù)警服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地把握商水縣農(nóng)田多源氣象因子的變化狀況，精準(zhǔn)定位影響糧食安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源頭及因素，為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及糧食安全生產(chǎn)提供科學(xué)有效的決策支持，做到由點(diǎn)到面，讓農(nóng)戶掌握多源氣象因子實(shí)時(shí)暴發(fā)趨勢(shì)。在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中精準(zhǔn)施策，同時(shí)體系融合農(nóng)業(yè)部門物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)共享對(duì)接，減少重復(fù)建設(shè)，部門聯(lián)動(dòng)，精準(zhǔn)高效地為農(nóng)服務(wù)。而且通過對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田不同地塊的持續(xù)監(jiān)測(cè)調(diào)查、建設(shè)平臺(tái)和數(shù)據(jù)顯示對(duì)比，實(shí)現(xiàn)LED顯示屏幕對(duì)農(nóng)戶的建議，增強(qiáng)農(nóng)戶科學(xué)種田的意識(shí)，促使商水氣象服務(wù)與時(shí)俱進(jìn)，為氣象為農(nóng)服務(wù)高效賦能，推進(jìn)商水縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工作從人治到物治的轉(zhuǎn)變。