农业气象自动观测系统.docx

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农业气象自动观测系统

附件

作物气象自动观测站

功能规格需求书

中国气象局综合观测司

2015年12月

编写说明

本功能规格需求书规定了作物气象自动观测站在组成结构、功能、性能、环境适应性和业务运行等方面的要求，是设计研制、生产和测试评估的依据。

随着科学技术的发展和进步或业务需求发生变化，本功能规格需求书将随之进行相应的修订、补充或重新发布。

本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托河南省气象局组织编写，解释权属于中国气象局综合观测司。

主要编写人员：

余卫东、张志红、张广周、刘世玺、邓天宏、徐远远、高媛媛、邹春辉、樊奇、彭记永、张红卫

目录

1前言1

1.1目的1

1.2适用范围1

1.3编写依据1

2.术语和定义2

3组成2

3.1概述2

3.2硬件结构3

3.2.1图像传感器3

3.2.2视频传感器4

3.2.3图像采集器4

3.2.4外围设备5

3.3软件结构6

4功能要求6

4.1观测项目6

4.1.1水稻6

4.1.2小麦6

4.1.3玉米7

4.1.4棉花8

4.1.5油菜8

4.1.6大豆9

4.1.7甘蔗9

4.1.8农业气象灾害9

4.2数据采集10

4.2.1作物生长状况特征采集10

4.2.2安全与环境监控信息采集10

4.3数据存储10

4.3.1作物图像数据存储10

4.3.2安全与环境监控信息存储10

4.4数据传输11

4.4.1作物图像数据传输11

4.4.2安全与环境监控信息传输11

4.5软件功能11

4.6状态监控12

4.7远程配置及系统升级13

4.8校准和定标13

4.9控制指令和数据格式13

5技术指标13

5.1传感器技术指标13

5.1.1图像传感器技术指标13

5.1.2视频传感器技术指标14

5.2作物生长状况特征识别技术指标14

5.2.1采集对象14

5.2.2采集技术指标14

5.2.3作物特征识别技术指标15

5.3安全与环境监控技术指标18

5.3.1采集对象18

5.3.2采集技术指标18

5.4环境适应性指标18

5.4.1气候条件18

5.4.2外壳防护等级18

5.4.3生物条件18

5.4.4化学活性物质19

5.4.5机械条件19

5.4.6电磁兼容性要求19

5.5可靠性指标20

5.6工作寿命20

5.7功耗要求20

6结构及材料要求20

6.1机械结构要求20

6.2机械强度要求20

6.3材料要求21

6.4外观要求21

6.5安全要求21

6.5.1电气安全21

6.5.2机械安全22

6.5.3安全标识23

7供电要求23

8防雷要求24

8.1一般要求24

8.2直接雷击的防护措施24

8.3雷击电磁脉冲的防护24

8.4电涌保护措施24

8.4.1供电系统的电涌保护措施25

8.4.2信号系统电涌保护措施25

9场地与安装要求25

9.1场地要求25

9.2仪器布局要求25

9.3安装要求26

10其它要求27

10.1技术文件27

10.2时钟精度要求27

10.3观测时制和日界27

10.4扩展性要求28

10.5互换性要求28

10.6采集器人机界面要求28

附录1.作物气象自动观测站终端命令格式29

附录2.作物气象自动观测站数据文件格式41

1前言

1.1目的

农业气象观测是农业气象业务、服务和科研的基础，是我国综合气象观测系统的重要组成部分，对保障我国粮食安全具有重要意义。

增强农业气象观测能力是新世纪和新形势下我国农业生产、防灾减灾和气象事业发展的需要，也是现代气象业务发展的需要。

随着先进传感器、通信网络和图像识别技术的发展，我国农业气象观测方式由人工观测向自动观测转变成为可能。

农业气象自动观测可以实现作物生长连续观测，提高工作效率、增强观测资料的客观性、减少人为误差、提高业务的时效性和针对性。

通过建立作物自动观测系统，对及时掌握作物生长状况、开展农事活动和现代化农田管理、科学评估气象因子对作物的影响、分析农业气象灾害实况与评估、制作作物产量预报、改进作物模型和陆面模型、提高卫星遥感应用的解译精度与验证能力等，具有重要应用价值。

1.2适用范围

作物气象自动观测站主要观测作物发育期、盖度、密度、冠层高度、生长状况、叶面积指数和干物质重等，与自动气象站、自动土壤水分观测站和农田小气候站等共同组成农业气象自动观测系统。

本功能规格需求书规定了作物气象自动观测站在结构组成、功能、性能、业务运行、环境适应性和业务软件组件等方面的要求。

主要适用于小麦、玉米、水稻、棉花、油菜、大豆、甘蔗等主要作物的自动观测。

1.3编写依据

本功能规格书编写的主要依据有：

（1）《农业气象观测规范》

（2）《农业气象自动观测技术要求（试行）》

（3）《现代农业气象业务发展专项规划（2009－2015年）》

（4）《新型自动气象（气候）站功能需求书》（修订版）

（5）《农业气象观测站上传数据文件内容与传输规范（试行）》

（6）《农林小气候观测仪》GB/T20524-2006

（7）《气象观测专用技术装备功能规格需求书编写指南（试行）》

（8）《现代农业气象服务示范县创建标准（试行）》

（9）《生态气象观测规范（试行）》

（10）《综合气象观测系统发展规划（2014-2020年）》

2.术语和定义

（1）作物气象自动观测仪：

用于作物生长要素自动采集的设备，主要包括图像传感器、视频传感器、图像数据采集器和外围设备。

（2）作物气象自动观测站：

由作物气象自动观测仪、通讯传输系统、省级中心站业务软件等共同构成，集作物生长状况观测、监控和分析于一体的综合观测站。

（3）冠层高度：

作物群体多数植株自然生长状态所能达到的平均高度，单位cm。

（4）密度：

单位土地面积上植株的数量，以株（茎）/平方米表示。

（5）盖度：

指作物群落总体地上部份垂直投影面积与样方面积之比的百分数。

（6）叶面积指数：

单位土地面积上的作物绿色叶面积的倍数。

（7）干物质重：

单位土地面积上作物植株地表部分干燥后的质量。

3组成

3.1概述

作物气象自动观测站集作物生长状况观测、监控和分析于一体，由作物气象自动观测仪和业务软件组成，其组成结构如图1所示。

其中作物气象观测仪包括图像传感器、视频传感器、图像采集器和外围设备，其中视频传感器为选装设备，可以与图像传感器合并；软件包括嵌入式软件和省级中心站综合业务软件。

图1作物气象自动观测站组成结构

3.2硬件结构

3.2.1图像传感器

图2图像传感器组成结构

图像传感器基本结构一般由光学镜头、CCD或CMOS感光元件、图像处理器、控制电路与外围接口组成。

图像传感器是作物生长状况观测的关键组成部分，是进行作物生长状况观测的基础，主要负责作物图像的采集，用于识别作物发育期、盖度、密度、冠层高度等要素。

不得采用成品相机作为图像传感器。

3.2.2视频传感器

图3视频传感器组成结构

视频传感器（选装设备），用于大田安全及环境监控，是作物气象自动观测站的辅助组成部分，一般由光学镜头、CCD或CMOS感光元件、视频编码器、主控电路与外围接口组成。

3.2.3图像采集器

图像采集器是作物生长状况观测信息采集处理的核心部件，包含高性能的嵌入式处理器、高精度的实时时钟电路、大容量程序和数据存储器、通信接口、USB接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，系统支持嵌入式实时操作系统的运行。

其结构框如图4所示。

图4图像采集器组成结构

图像采集器主要负责采集作物生长状况相关图像信息、控制管理整套系统的数据通信、电源供给及设备状态信息监控，主要功能包括：

（1）完成对图像传感器的控制与图像采集；

（2）完成对图像数据的预处理、存储，实现数据通信和传输，与终端微机进行交互。

（3）管理整套系统的电源供给方案，在设备不需要工作时进入低功耗状态。

3.2.4外围设备

（1）电源

电源采用12V蓄电池供电，须同时支持220V市电和太阳能两种充电方式，在有条件的场合应采用市电，没有市电的场合采用太阳能供电。

采用市电供电时，电源由开关电源、蓄电池构成；采用太阳能供电时，电源由太阳能电池板、PV控制器、蓄电池构成。

电源容量可以满足图像、通信设备在停电或连续阴雨天气下正常工作7天。

（2）外存储器

观测系统支持1个CF卡作为外存储器，用于存储图像数据，存储容量要能保证图像数据不少于3个月。

（3）通信系统

通信系统主要用于传输作物图像或现场视频。

图像视频通信设备与图像采集器、视频传感器通过网络口进行连接，实现与数据监控中心的远程通信，传输作物图像信息、安全与环境监控信息。

（4）机箱

机箱用于安装采集器、通信、蓄电池等模块。

要求各个功能模块布局合理，符合电气安全要求，散热性能良好。

机箱具有良好的密封性，防护等级要求达到IP65，具有安全防盗、防辐射等性能。

（5）避雷针

避雷针的长度（接闪器的高度）需达到观测站上端布设的各类传感器所需要的保护范围的要求，避雷针的制作材料、直径、接闪器材料、固定连接装置、引下线和接地电阻等应达到相关防雷的技术规范要求。

（6）防护罩

防护罩用来保护图像传感器免遭雨雪、灰尘等侵袭，并为图像传感器提供适宜的工作环境，每台图像传感器都应当配备防护罩。

（7）支架

支架主要用于装配传感器、机箱、太阳能电池板、避雷针等设备。

3.3软件结构

中心站综合业务软件由数据采集和控制模块、作物特征识别模块、质量控制模块、数据存储与传输模块、综合信息显示模块、人工订正模块等组成。

4功能要求

4.1观测项目

作物气象自动观测站的观测项目分为作物特征和实景视频两类。

其中，作物特征包括作物发育期、盖度、密度、冠层高度、生长状况评定、叶面积指数和干物质重。

带*号的发育期、叶面积指数和干物质重识别精度暂不做要求。

实景视频包括作物、农田、观测设备及农事活动的现场视频。

4.1.1水稻

（1）要求识别的发育期：

移栽期、返青期、分蘖期、分蘖盛期*、拔节期、孕穗期*、抽穗期、乳熟期、成熟期。

（2）盖度自移栽期至成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别，在移栽期、返青期、拔节期、抽穗期、乳熟期等5个发育普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自返青期至成熟期逐日识别。

拔节、乳熟普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在移栽期、返青期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期、成熟期的普遍期进行。

精度需达到5.2.3要求。

（6）叶面积指数和干物质重量在分蘖期、拔节期、抽穗期、乳熟期均需识别，成熟期也应识别干物质重。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.2小麦

（1）要求识别的发育期：

出苗、三叶期、分蘖期、越冬开始、返青期、起身期*、拔节期、孕穗期*、抽穗期、开花期、乳熟期*、成熟期。

（2）盖度自出苗期至成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别，在三叶期、越冬开始、返青期、拔节期、抽穗期、乳熟期等6个发育普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自越冬开始期至成熟期逐日识别。

在越冬开始、拔节、乳熟等3个发育普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、三叶期、分蘖期、越冬开始、返青期、起身期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、乳熟期、成熟期的普遍期进行。

精度需达到5.2.3要求。

（6）叶面积指数和干物质重量在三叶期、分蘖期、越冬开始、返青期、拔节期、抽穗期、乳熟期均需识别，成熟期也应识别干物质重量。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.3玉米

（1）要求识别的发育期：

出苗、三叶期、七叶期、拔节期、抽雄期、开花期、吐丝期、乳熟期*、成熟期。

（2）盖度自出苗期至成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别至拔节期结束，在七叶普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自三叶期至成熟逐日识别。

拔节、乳熟普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、三叶期、七叶期、拔节期、抽雄期、开花期、吐丝期、乳熟期、成熟期的普遍期进行。

精度需达到5.2.3要求。

叶面积指数和干物质重量在三叶期、七叶期、拔节期、抽雄期、乳熟期均需识别，成熟期也应识别干物质重量。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.4棉花

（1）要求识别的发育期：

出苗、三真叶期、五真叶期、现蕾期*、开花期、开花盛期*、裂铃期、吐絮期、吐絮盛期*、停止生长。

（2）盖度自出苗期至停止生长期逐日识别。

（3）密度逐日识别至五真叶期结束，在五真叶期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自三真叶期至停止生长期逐日识别。

开花、吐絮普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、三真叶期、五真叶期、现蕾期、开花期、裂铃期、吐絮期、停止生长期的普遍期进行。

精度需达到5.2.3要求。

（6）叶面积指数和干物质重量在五真叶期、现蕾期、开花期、开花盛期、裂铃期、吐絮期、吐絮盛期均需识别，停止生长期也应识别干物质重量。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.5油菜

（1）要求识别的发育期：

出苗、五真叶期、移栽期、成活期、现蕾期、抽薹期、开花期、开花盛期*、绿熟期、成熟期。

无移栽的观测地块，移栽期和成活期不需要观测。

第一次密度测定在定苗时进行。

（2）盖度自出苗期至成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别，在成活（或定苗）、绿熟普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自成活期（或定苗）至成熟期逐日识别。

抽薹、绿熟普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、五真叶期、移栽期、成活期、现蕾期、抽薹期、开花期、绿熟期、成熟期的普遍期进行。

无移栽的观测地块，移栽期和成活期不需要观测。

评定精度需达到5.2.3要求。

（6）叶面积指数和干物质重量在五真叶期、现蕾期、抽薹期、开花期、绿熟期均需识别，成熟期也应识别干物质重量。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.6大豆

（1）要求识别的发育期：

出苗、三真叶期、分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期。

（2）盖度自出苗期至成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别，在三真叶、鼓粒普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自出苗期至成熟期逐日识别。

在三真叶期、开花期、鼓粒期等3个发育普遍期达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、三真叶期、分枝期、开花期、结荚期、鼓粒期、成熟期的普遍期进行。

评定精度需达到5.2.3要求。

（6）叶面积指数和干物质重量在三真叶期、分枝期、开花期、鼓粒期均需识别，成熟期也应识别干物质重量。

精度需达到5.2.3要求。

4.1.7甘蔗

（1）要求识别的发育期：

出苗、分蘖期*、茎伸长、工艺成熟期。

（2）盖度自茎伸长期至工艺成熟期逐日识别。

（3）密度逐日识别，在茎伸长、工艺成熟普遍期达到5.2.3所要求精度。

（4）冠层高度自茎伸长至工艺成熟期逐日识别。

每旬旬末高度识别达到5.2.3所要求精度。

（5）作物生长状况评定，在出苗、分蘖期、茎伸长、工艺成熟期的普遍期进行。

评定精度需达到5.2.3要求。

4.1.8农业气象灾害

基于图像数据、气象数据及人工辅助观测数据，进行农业气象灾害自动化识别。

农业气象灾害分为作物受灾症状明显、可通过图像分析识别的显性灾害和作物受灾症状不明显、图像识别困难的隐性灾害。

显性灾害主要包括：

干旱、大风倒伏、雹灾；隐性灾害主要包括：

涝渍、连阴雨、低温冷害、霜冻、冻害、雪灾、高温热害、干热风。

根据各地的实际情况，选择1-2种主要农业气象灾害进行识别，隐性灾害识别可在图像识别的基础上，基于全国综合气象信息共享平台（CIMISS）气象数据，引入农业气象灾害气象指标，结合人工辅助观测进行。

4.2数据采集

4.2.1作物生长状况特征采集

对作物图像传感器按预定的采样频率进行扫描，并将获得的电信号转换为数字图像信号，压缩编码成图像文件。

根据农业生产实际及观测需要，作物气象自动观测仪可实时增加作物图像采集次数。

4.2.2安全与环境监控信息采集

对视频传感器按预定的采样频率进行扫描，并将获得的电信号转换为数字图像信号，压缩编码成流媒体格式数据并传输。

4.3数据存储

4.3.1作物图像数据存储

采集的作物图像数据文件存储在可移动存储器（如CF卡）上，采用文件系统管理，存储的格式为JPEG或TIFF格式。

并将图像的相关信息按照图像格式要求进行存储，例如：

图像的尺寸、水平分辨率、垂直分辨率、位深、焦距、曝光时间等信息。

4.3.2安全与环境监控信息存储

采集的安全与环境监控信息以视频文件格式保存在本地，存储视频信息不少于10天。

4.4数据传输

作物气象自动观测站应支持现有的有线通信和无线通信技术。

有线通信方式包括以太网专线（IEEE802.3）和光纤等，无线通信方式包括3G、4G、WiFi和Zigbee等。

4.4.1作物图像数据传输

作物气象自动观测站应具有作物图像数据传输的功能。

图像采集器通过有线、WiFi/3G/4G路由器等通信设备，将采集的作物图像信息传输到省级中心站，同时具有对连续缺失图片站点的告警功能。

通过有线传输的站点，数据中转软件要能按照设定的时间间隔主动向采集器获取或被动接收采集器推送的作物长势图像数据。

为保证观测数据完整、连续、准确，该软件应具有可靠的自动或手动数据采集和补收功能。

4.4.2安全与环境监控信息传输

作物气象自动观测站应具有安全与环境监控信息传输功能。

视频传感器通过有线或WiFi路由器等通信设备，将采集的安全与环境监控的视频信息传输到省级中心站。

传输方式应考虑采用TCP/IP数据通信协议，同时配备视频服务器。

视频服务器具有视频数据缓冲和对访问视频服务的用户进行权限控制等功能。

4.5软件功能

省级中心站综合业务软件是安装在省级中心站的应用软件，主要功能包括：

（1）数据的采集与存储模块

自动采集作物生长状况的图像数据，以及观测地段农田、仪器及农事活动的实时视频数据，实现数据的质量控制及采集（入库）功能。

该模块由厂家提供。

（2）作物生长状况特征自动识别模块

结合数字图像处理、模式识别与机器学习等技术完成对作物发育期、盖度、密度、冠层高度等生长特征要素的自动计算和输出。

该模块由厂家提供。

（3）识别结果的存储、订正与传输模块

发育期、盖度、密度、冠层高度、生长状况评定、叶面积指数和干物质重量等识别结果按附录2的要求存储在中心站服务器上。

每天16时—17时农业气象观测站值班人员登录中心站服务器查看识别结果，对识别误差超过要求的数据进行订正。

订正后的自动化观测资料按附录2的要求上传。

该模块由厂家提供。

（4）综合信息显示模块

综合业务软件可以实现各种农作物及其生长环境信息的显示、查询、提示和报警，包括发育期、冠层高度、盖度、密度、叶面积指数、大田环境资料等，通过全国综合气象信息共享平台（CIMISS）读取农业气象观测地段所处县市的地面气象观测站、区域气象观测站、农田小气候自动观测站及自动土壤水分观测站数据，包括气象观测数据、土壤温度、湿度要素数据等。

数据显示的方式包括列表、折线图、实时序列图像、视频等。

（5）信息管理模块

综合业务软件能够对数据库参数信息、用户权限信息、文件路径信息、台站信息、台站维护记录以及日志记录等进行保存，且具有管理维护功能。

综合业务软件具有状态监控功能，即完成作物气象自动观测站状态信息的解析及监控，并对故障信息进行提示和报警。

4.6状态监控

作物气象自动观测站可监控的状态包括：

采集器运行状态、采集箱门状态、采集器电源电压、采集器供电类型、采集器主板温度、采集器CF卡状态、采集器CF卡剩余空间、采集器LAN终端通信状态、图像传感器连接状态。

4.7远程配置及系统升级

作物气象自动观测站要求具有远程配置的功能，可配置的项目包括：

图像采集器的通讯参数（波特率、数据位、奇偶校验和停止位）、IP地址、日期与时间，作物气象自动观测站区站号、纬度、经度、观测场拔海高度、地方时差、台站作物名称编码，远程FTP服务器的网络地址、登录账户和使能标记，图像传感器使能标记、图像拍摄时间范围和图像拍摄时间间隔。

支持两种升级方式，一种在不更改任何硬件设备的前提下，通过本地终端对采集器嵌入式软件进行版本升级。

另一种为在线升级，即通过中心站软件对采集器发出升级指令，将拟升级的软件从中心站传到采集器，更新采集器上的嵌入式软件，并重启采集器，实现升级的功能。

4.8校准和定标

图像传感器安装完成或图像传感器位置发生改变后需要进行标定。

标定主要分为三个步骤：

首先是按照规格要求制作标定板；其次是在自动观测区域内拍摄不同空间位置与姿态的标定板图像；最后利用计算机自动标定程序对所拍摄的标定板图像进行自动计算，从而获得图像传感器的参数。

4.9控制指令和数据格式

见附录1和附录2

5技术指标

5.1传感器技术指标

5.1.1图像传感器技术指标

图像传感器的性能应符合下列要求：

（1）有效像素：

能够满足自动识别要求；

（2）图像预处理：

自动对焦、自动曝光、自动白平衡等；

（3）文件格式：

支持JPEG、TIFF格式；

（4）数据接口：

USB与RJ-45；

（5）电源：

DC，11.5V～14V；

5.1.2视频传感器技术指标

（1）有效像素：

≥130万像素；

（2）变焦能力：

至少20倍光学变焦；

（3）自动模式：

自动对焦、自动曝光、自动白平衡、自动增益等；

（4）云台水平角度：

0°～360º，垂直角度：

0º～90º；

（5）视频编码方式：

MPEG4、H.264等压缩编码；

（6）支持超低照度、日夜全天候工作模式；

（7）支持视频浏览、录像等功能，支持图像实时抓拍功能；

（8）网络协议：

TCP/IP、HTTP、DHCP、RTP/RTCP；

（9）接口类型：

RJ-45；

（10）防护等级：

IP65；

（11）电源：

DC，12V。

5.2作物生长状况特征识别技术指标

5.2.1采集对象

农作物（水稻、玉米、小麦、棉花、油菜、大豆、甘蔗等）。

5.2.2采集技术指标

（1）输出图像格式：

JPEG或TIFF；

（2）有效分辨率：

能够满足图像识别需求；

（3）采集高度（图像传感器与地面的垂直高度）：

可调节，最低高度≥4.5m，最高≤6m；

（4）拍摄角度：

镜头中心延长线与地面垂直间的夹角不大于45度；

（5）拍摄目标面积：

≥5m2；

（6）自动模式：

自动对焦、自动曝光、自动白平衡；

（7）采集频率，每天自动采集次数不少于4次（固定图像采集时次为10:

00、12:

00、14:

00和16:

00），可根据业务需要，实时增加作物图像采集频次。

5.2.3作物特征识别技术指标

利用省级中心站综合业务软件进行作物发育期、冠层高度、密度、盖度、叶面积指数和干物质重量的识别。

凡需逐日统计百分率的发育期，第一次大于或等于10%的日期为发育始期，大于或等于50%的日期为发育普遍期。

所有作物发育期、密度标准参照《农业气象观测规范》。

省级中心站综合业务软件能够识别的项目及识别单位见表1：

表1作物自动观测项目及单位

识别项目

发育期

冠层高度

密度

盖度

叶面积指数

干物质重

生长状况

项目

单位

日期

cm

株（茎）/m2

%

0.1

g/m2

0～2

5.2.3.1水稻