SMCS?支持下土壤墑情自動測報系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王鳳瑞，張英駿

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000）

SMCS?支持下土壤墑情自動測報系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王鳳瑞，張英駿

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000）

SMCS 系統(tǒng)基于 C/S 模式、采用 PowerBuilder 平臺開發(fā)完成，面向 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，滿足全國各?。ㄊ校勄橘Y料整編工作的需求。在實現(xiàn)常規(guī)手段采集的墑情信息完成整編的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善自動監(jiān)測站墑情信息的實時計算、存儲、整編、分析等功能，使墑情信息服務(wù)的數(shù)據(jù)可靠性得到提高。自 2011年在全國墑情監(jiān)測部門推廣應(yīng)用后，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為抗旱減災(zāi)部門的科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。

土壤墑情；自動測報；資料整編；信息系統(tǒng)

我國水資源短缺，旱災(zāi)頻繁。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來的用水需求增加，以及受全球氣候變暖影響，干旱缺水問題越來越嚴(yán)重，干旱災(zāi)害呈現(xiàn)頻次加快、范圍擴(kuò)大、損失加重的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，20 世紀(jì) 50年代以來，我國年平均受旱面積2 160 萬hm2，成災(zāi)面積 950 萬hm2，因旱災(zāi)減產(chǎn)的糧食約 154 億kg[1]。為有效解決旱情信息的服務(wù)化水平，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)在全國 27 個省建設(shè)了旱情分中心 267 個。旱情分中心采用自動測報系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、入庫可實現(xiàn)無人值守，但因儀器設(shè)備的可靠性及不可預(yù)見的外界環(huán)境因素干擾，使自動測報數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常值，需要對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。由于自測報數(shù)據(jù)量大，時效性強(qiáng)，如果采用人工進(jìn)行整編處理，投入大、效率低，不能滿足墑情信息服務(wù)工作的需要，要求通過計算機(jī)實現(xiàn)墑情信息的自動整編處理。

SMCS（Soil Moisture Compilation System）面向SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》，已在全國各?。ㄊ校┧牟块T部署運(yùn)行，通過對系統(tǒng)進(jìn)一步的完善，不僅實現(xiàn)了對原有常規(guī)監(jiān)測方式墑情信息的處理，同時兼容了目前的自測報監(jiān)測方式采集的墑情信息，實時進(jìn)行土壤墑情資料的整編處理工作[2]。

1 SMCS 的基本功能

SMCS 系統(tǒng)采用 C/S 模式，PowerBuilder 開發(fā)平臺，SQL Anywhere 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)完成。系統(tǒng)通過對墑情監(jiān)測站點基本信息的初始化，自動對墑情監(jiān)測信息進(jìn)行識別、分類；采用“四舍五入”“四舍六入五留雙”的方法，實現(xiàn)了墑情數(shù)據(jù)的規(guī)范化計算；集成了全國各行政區(qū)劃，實現(xiàn)了不同行政區(qū)的精細(xì)化管理；集成了烘干類、探針類、放射類等土壤墑情監(jiān)測方法，實現(xiàn)了墑情數(shù)據(jù)的接收、分析計算、整編存儲、報表輸出、數(shù)據(jù)共享等功能，其功能如圖1 所示。

圖1 SMCS 的功能

1.1 對于多種分析方法及監(jiān)測方式的支持

系統(tǒng)支持人工取土烘干法、張力計法、中子水分儀法等主要土壤墑情監(jiān)測的基本方法，同時納入了多種分析計算方法供用戶選擇。系統(tǒng)為每個監(jiān)測站預(yù)留了 4 個監(jiān)測地塊，每個地塊預(yù)留了 6 個取土層，這些均作為監(jiān)測站的屬性供用戶選擇。例如，土壤含水率的分析計算 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求是以土層厚度加權(quán)，而實際工作中很多監(jiān)測機(jī)構(gòu)采用算術(shù)平均法，計算結(jié)果的數(shù)字修約方式“四舍五入”和“四舍六入五留雙”也不盡相同，于是系統(tǒng)在借鑒有關(guān)文獻(xiàn)成果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了各種方法的任意設(shè)定[2]。

系統(tǒng)對監(jiān)測方式進(jìn)行自動識別。每個測站的每個監(jiān)測地塊的監(jiān)測方式可以任意注冊和變更，系統(tǒng)將根據(jù)已注冊的方式自動分配對應(yīng)的目標(biāo)表格，整理 SL 364—2015《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》要求的各種原始記載表形式，設(shè)計了烘干類、探針類、放射類3 類記載表格和自動測報數(shù)據(jù)接收窗口，滿足各種監(jiān)測方式的需要。

1.2 智能化分析計算

原始數(shù)據(jù)的錄入分析計算，如圖2 所示，通過PB 的 EditChanged（）事件編寫處理代碼實現(xiàn)了“即錄即算”的智能化，實時檢查分析原始數(shù)據(jù)，即時看到系統(tǒng)的每一步處理過程，幫助用戶做到原始數(shù)據(jù)的零錯誤率。土壤類型、土壤質(zhì)地、取樣深度、取樣容器質(zhì)量等信息是在監(jiān)測站基本信息中設(shè)置的，不需要用戶每次錄入。系統(tǒng)為每個土層預(yù)留了 3 個平行樣，也允許是 1 或 2 個，采用自定義函數(shù)進(jìn)行識別并自動計算；在用戶錄入每一個測次的數(shù)據(jù)完成計算后，繪制出本監(jiān)測站本監(jiān)測地塊當(dāng)年各測次的土壤含水量過程線、降雨量柱狀圖和地下水埋深過程線 3 個統(tǒng)計圖，隨時對數(shù)據(jù)合理性的自動檢查；在土壤含水量與田間持水量相等時，實現(xiàn)“地塊狀態(tài)”轉(zhuǎn)化為“飽和”的自動標(biāo)記；用戶在數(shù)據(jù)錄入過程中，出現(xiàn)邏輯性錯誤，如“取樣容器 + 濕土重量”小于“取樣容器+干土重量”時，對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行自動提示。

1.3 成果資料的規(guī)范化輸出

墑情資料整編包括原始、數(shù)據(jù)、圖表、統(tǒng)計等資料，整編成果要求做到項目完整，圖表齊全；考證清楚，說明完備；數(shù)字準(zhǔn)確，符號無誤。SMCS通過用戶對篩選條件的設(shè)定，自動對墑情資料進(jìn)行整編處理，生成年度資料成果表、摘錄成果表、年度特征值統(tǒng)計表、監(jiān)測站信息一覽表等，并實現(xiàn)報表的打印、輸出、共享等功能。根據(jù)地方旱情服務(wù)的需要，實現(xiàn)旱象的自動識別，生成旱情日報表，并根據(jù) SL 330—2011《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》的格式要求，生成墑情報文，實現(xiàn)墑情信息的即時報送[3]，如圖3 所示。

圖2 原始數(shù)據(jù)錄入計算

圖3 土壤墑情日報表

2 SMCS 支持的自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集、傳輸、接收處理等系統(tǒng)和輔助設(shè)備設(shè)施組成。信息采集系統(tǒng)以固定埋設(shè)自動墑情站建設(shè)為主，主要環(huán)節(jié)為信息監(jiān)測、記錄與存儲，需要的設(shè)備有傳感器、數(shù)據(jù)線、固態(tài)存儲器等。信息傳輸系統(tǒng)主要完成信息傳輸控制，并通過通信設(shè)備（GPRS/Internet）、信道完成數(shù)據(jù)傳輸。需要的設(shè)備有遙測終端機(jī)、通信模塊、電源和天饋線等。信息接收處理系統(tǒng)主要完成節(jié)點信息接收、存儲，信息處理、信息服務(wù)等工作內(nèi)容，需配置通信接收設(shè)備、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以及信息接收處理、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)視管理和信息服務(wù)等軟件。輔助設(shè)備設(shè)施是指固定埋設(shè)自動墑情站建設(shè)時配置的必要設(shè)施、設(shè)備，主要有蓄電池、太陽能板、圍欄、避雷設(shè)備、立桿、儀器箱等。

2.2 自測報數(shù)據(jù)的處理

2.2.1 固定文本方式的數(shù)據(jù)處理

墑情自動監(jiān)測站信息通過 GPRS/Internet 傳輸至旱情分中心，完成數(shù)據(jù)存儲的前提下，在 SMCS 安裝目錄的文件夾內(nèi)生成 *.zcb 文件，*.zcb 文件名的命名規(guī)則為 8 位測站編碼 + 地塊號，如 357512362.zcb指測站編碼為 35751236、地塊號為 2 的自測報站，其數(shù)據(jù)內(nèi)容和順序為監(jiān)測日期，監(jiān)測時間，土層 1～6 體積含水率，如表1 所示，允許每站一次傳送多次監(jiān)測記錄信息。系統(tǒng)利用 timer （ ）事件每隔 30 s 對該文件夾進(jìn)行讀取，根據(jù)文件內(nèi)容進(jìn)行檢測，測站名稱、地塊和收報時間由系統(tǒng)根據(jù)文件名稱和當(dāng)前時間自動添加。對于 1 d 內(nèi)接收的多組數(shù)據(jù)，選擇每日8:00 的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行整編[4]。如果當(dāng)日 8:00的數(shù)據(jù)未接收，則選取當(dāng)日接收到的第 1 條信息代表當(dāng)日的含水量。同時，系統(tǒng)自定義了“代表日量的測次”字段，由用戶任意指定，選擇當(dāng)日內(nèi)任 1 條數(shù)據(jù)作為日量數(shù)據(jù)參與存儲計算。如果因自測報裝置故障或人為因素出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送，系統(tǒng)會依據(jù)監(jiān)測時間判斷予以提示并覆蓋上次信息。在完成 1 次數(shù)據(jù)接收后，系統(tǒng)將收到信息的情況記入 zcb.log 的日志文件中，供用戶后期查閱。

2.2.2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的信息處理

對于早期建設(shè)的自動監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)項目需要都建立了數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫當(dāng)中信息存儲格式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)共享的難度較大。SMCS 通過數(shù)據(jù)窗口技術(shù)，建立 DataStore 讀取項目數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出的固定格式文本文件，判斷輸入的數(shù)據(jù)格式是否符合系統(tǒng)要求。符合系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整編處理；不符合系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提醒用戶進(jìn)行格式修訂，直到達(dá)到系統(tǒng)要求為止。以實時雨水情數(shù)據(jù)庫為例，由 SQL Server 系統(tǒng)通過 DTS 導(dǎo)出為固定格式的墑情文本信息，通過 SMCS 系統(tǒng)的“讀取雨水情數(shù)據(jù)”菜單，導(dǎo)入由 DTS 導(dǎo)出的文本文件進(jìn)行整編處理，生成整編成果報表。

2.2.3 基于手機(jī)短信的信息處理

手機(jī)已成為現(xiàn)代人不可缺少的通信工具，借助這一通訊資源，采用 USB 接口的短信群發(fā)設(shè)備，即短信貓及其二次開發(fā)包，實現(xiàn)了土壤墑情信息的收發(fā)功能，并由 SMCS 進(jìn)行整編處理。監(jiān)測站人員根據(jù)統(tǒng)一定制的短信模板，編輯短信填寫監(jiān)測到的墑情信息，發(fā)送到 SMCS 管理平臺指定文件夾。信息內(nèi)容包含土壤含水量監(jiān)測、地下水、蒸發(fā)、降雨等信息，SMCS 每隔一段時間（10，20，30 s）對文件進(jìn)行讀取，并對文件進(jìn)行 2 個方面的校驗：1）是否為報文短信；2）報文短信格式是否符合預(yù)設(shè)要求。對非報文格式短信校核、入庫。數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 手機(jī)短信數(shù)據(jù)的處理

3 系統(tǒng)的實際應(yīng)用

3.1 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收

以河北省滄州市土壤墑情監(jiān)測現(xiàn)狀為例，該市共建設(shè)土壤墑情監(jiān)測站 50 處，其中省級監(jiān)測站 19 處，市級監(jiān)測站 31 處。分別采用人工取土烘干法和自測報系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。每次數(shù)據(jù)監(jiān)測完成后，通過 SMCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理。對于人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時錄入計算、分析輸出；自測報數(shù)據(jù)，通過點擊【外部數(shù)據(jù)—啟動自測報數(shù)據(jù)接收器】開始接收監(jiān)測站發(fā)送的土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)。用戶在墑情數(shù)據(jù)接收完成后，其他如時段降雨量、蒸發(fā)量、灌溉等相關(guān)要素需要人工添加，系統(tǒng)在打開相應(yīng)測站數(shù)據(jù)錄入界面后對未添加的其他要素測次給予提示。各監(jiān)測站同一日期完成 1 次統(tǒng)測后，對本次監(jiān)測資料進(jìn)行整理，點擊【資料管理—墑情日報、簡報、信息編碼】，完成墑情日報、簡報、信息編碼 3 項工作，及時向上級用戶、政府抗旱部門傳遞墑情信息。墑情日報中，容納所屬各站各地塊的資料，既能讓用戶縱覽本次監(jiān)測的大部分必要的信息，也能生成一個包括全部監(jiān)測數(shù)據(jù)的外部文件（.HQT）；墑情簡報以 4 種不同作物類型制成的表格，按照《墑情等級標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，把各監(jiān)測站劃分為正常、輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱 5 個等級[5]。

3.2 生成年度整編資料成果

在全年的墑情監(jiān)測資料收集完成后，通過點擊【資料管理—瀏覽/操作資料成果】對數(shù)據(jù)進(jìn)行整編處理。在數(shù)據(jù)庫管理員口令驗證完成后進(jìn)入年度整編成果統(tǒng)計界面，如圖5 所示。

系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定，以監(jiān)測站基本信息為基礎(chǔ)，統(tǒng)計某年度起止監(jiān)測時間等，生成年度監(jiān)測站一覽表、監(jiān)測資料成果表和特征值統(tǒng)計表。系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，分別按照行政區(qū)劃或流域水系生成不同的數(shù)據(jù)表，供上級用戶瀏覽匯總。

4 結(jié)語

根據(jù)土壤墑情自動監(jiān)測站的運(yùn)行現(xiàn)狀，分別針對土壤信息的多種采集傳輸方式，采用 PowerBuilder平臺實現(xiàn)了對墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸及存儲的規(guī)范，成功實現(xiàn)了墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動接收、處理、整編、成果輸出等功能，改變了原有的人工整編的模式、流程，大大提高了墑情資料整編的效率，系統(tǒng)在全國推廣應(yīng)用尤其是北方地區(qū)，如河北、山東、吉林等省市取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了大量的人力、物力成本，提高了當(dāng)前土壤墑情信息服務(wù)的水平和效率。

圖5 年度整編成果統(tǒng)計

[1] 章樹安，林祚頂. 土壤墑情監(jiān)測與分析預(yù)測應(yīng)用技術(shù)[M].長春：吉林大學(xué)出版社，2017: 1-5.

[2] 張英駿，王鳳瑞，王慧. 土壤墑情信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012 （2）: 106-107.

[3] 中華人民共和國水利部. 水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)：SL 330—2011[S]. 北京：中國水利水電出版社，2011: 42-43.

[4] 中華人民共和國水利部. 土壤墑情監(jiān)測規(guī)范：SL 364—2015[S]. 北京：中國水利水電出版社，2015: 17-20.

[5] 中華人民共和國水利部. 旱情等級標(biāo)準(zhǔn)：SL 424—2008 [S]. 北京：中國水利水電出版社，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

王鳳瑞（1978-），男，河北滄縣人，高級工程師，主要從事水文水資源研究工作。

10.19364/j.1674-9405.2017.03.014