基于空间信息技术的数字农业研究

基于空间信息技术的数字农业研究基于空间信息技术的数字农业研究 【摘要】：在上海市农业现代化进程中，上海市政府决定把现代农 业园区建设作为重要抓手。通过政府引导，企业化运作，使现代农 业园区成为农业科技创新的基地、农业高新技术转化的基地、利用 外资和先进技术的基地、先进农业装备推广的基地。论文是在数 字农业示范基地空间信息管理平台开发项目工作基础上完成的。 该项目是上海市科学技术委员会 2003 年度第一批重大科研攻关课题 “数字农业若干关键技术”中的 01 子课题，课题编号为： 03DZ19301，于 2006 年 9 月完成。数字农业就是用数字化技术，在 现代农业理论(农业与农业生态理论、农业工程技术理论、农业经济 与农业管理理论)、现代管理方法的支持下，按人类需要的目标对农 业所涉及的对象和全过程进行数字化表达、设计、控制、管理，其 本质是把信息技术作为农业生产力重要要素，将工业可控生产和计 算机辅助设计的思想引入农业，通过计算机技术、空间信息技术、 网络通讯、电子工程技术与农业机械技术的融合，在数字水平上对 农业生产管理、经营、流通、服务以及农业资源环境等领域进行数 字化设计、可视化表达和智能化控制，使农业按照人类的需求目标 发展。通过大量国内外文献调研，追溯“数字农业”概念的根源，研 究了“数字农业”与“精准农业”等概念的联系和区别，明确了“数字农 业”概念、内涵和外延，提出了数字农业理论、技术体系框架，为数 字农业研究奠定扎实且合理的基础。论文基于空间信息技术，结合 经典统计学方法、地统计学、多元统计分析、农业供养模型、决策 支持模型，进行了数字农业地理信息系统空间分析与建模，分析了 农业土壤养分的空间变异与空间分布特征，建设了库存最优化分析、 番茄病虫害专家知识系统、变量推荐施肥、农业生产多要素多元回 归分析等决策支持模块。基于 Geodatabase 数据模型构建了数字农业 数据库，将数字农业园区分为 50 个图层进行管理。在此基础上，根 据中枢神经控制模型的框架结构，基于 COMGIS、WebGIS，以及农 业园区实际需要，建设了数字农业空间信息管理平台和数字农业决 策支持系统。在论文的研究工作中，得出以下结论与创新：(1)基于 Geodatabase 数据模型的农业空间数据库建设基于 Geodatabase 数据 模型，以及数字农业园区生产实践的需要，根据数据图元、要素、 属性及关系类数据之间的关系，用 UML 类图表示图层之间的逻辑 关系。将数字农业园区的空间数据共分为 50 个图层，为其它的数字 农业空间数据库建设提供借鉴。(2)构建了基于 GIS 的变量推荐施肥 农业模型对传统施肥模型“某肥料需要量=(目标产量下作物总吸收量 -土壤当季供应量)(肥料的养料含量当季利用率)”进行扩展，与 GIS、GPS 结合，构建变量推荐施肥模型。利用农工商现代农业园 区的碱解氮、速效磷、有效钾数据，用 Kriging 插值方法进行内插， 对比半变异函数模型的拟合结果，使用拟合最优的模型进行 Kriging 插值，生成土壤养分空间分布图。根据目标产量下作物生长的吸收 养分模型、以及基于土壤养分空间分布的土壤供养模型，确定田间 任意一点施肥量，也可以划分小区域进行指导施肥。(3)不同采样间 距情况下的土壤特性空间相关性与空间变异分别采用了三种不同间 距在园区进行规则采样，分别是：57.7m；横向(东西方向) 57.7m2，纵向(南北方向)57.7m；57.7m2。研究结果表明，在不 同间距采样情况下，土壤养分具有纵向(南北方向)分布趋势，与园 区内田块方向一致；各种土壤特性在不同采样间距情况下空间相关 性强度排序基本一致，其中当间距为 57.7 米时，土壤特性空间相关 性强度排序为 SOMPNPHSALTK；但在采样间距增大情 况下，空间分布的纵向趋势逐渐降低，空间变异程度越来越小，当 以 57.7m2 为间距采样时，空间变异较小，已不适用于小区域变量 推荐施肥。(4)数字农业决策支持系统的建设与开发基于变量推荐施 肥模型、 “报童问题”、多元回归分析、前向推理等方法构建了变量推 荐施肥图的生成方法、库存最优化分析模型、粮食产量预测分析、 番茄病虫害专家知识系统等决策支持模型，通过网络平台集成各决 策支持模型，实现了数字农业决策支持系统，用户可通过互联网使 用该系统指导农业生产。(5)基于 Web 服务的权限控制方法基于 Web 服务的权限控制方法是涉及一种网络权限控制与管理的机制级 实现模块，该机制通过数据库、WebService、客户端技术，以及用 户交互界面协作建立起来的方便、安全、易扩展的网络用户权限管 理与控制的应用系统。WebService 作为后台服务用于登录验证及权 限管理功能，以及负责和数据库的通讯，采用 JSF 技术作为 WebService 的调用客户端，降低了开发、维护和扩展的难度，并且 提供良好的用户交互界面。WebService 可提供一套用以管理权限和 用户权限验证的接口，这些接口能被 VB、VC、JAVA 等多种语言 编写的各种应用调用，包括网络应用程序和桌面应用程序，另一方 面，可调用这些接口的设备也是多样的，从 PC 到 Mobiledevice 都 是可行的。论文共分为八章，第一章主要综述了数字农业研究的背 景和意义、数字农业国内外现状、拟解决的问题、主要研究内容和 创新点；第二章详细地论述了数字农业概念、数字农业理论体系、 数字农业技术体系与研究方法；第三章简要介绍了研究的关键技术 与研究方法；第四章针对数字农业数据库建设的问题，简要介绍了 数字农业数据的获取方法，以及数据库建设；第五章主要利用 GIS、经典统计和地统计学等方法对土壤养分进行了空间分析与建模， 建设了变量推荐施肥、库存最优化分析和专家知识系统等模型；第 六章和第七章是在前面研究的基础上，建设了数字农业空间信息管 理平台和数字农业决策支持系统；第八章为结论与展望。 【关键词】： 地理信息系统数字农业空间变异决策支持系统农工商现代农业园区 【学位授予单位】：华东师范大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2007 【分类号】：F327 【目录】：摘要 6-9ABSTRACT9-12 图表目录 12-16 第一章绪论 16-331.1 研究意义 17-191.2 国内外研究现状 19-251.3 拟解决的问题 25-261.4 研究内容 26-281.5 贡献与创新 28-29 参考文献 29-33 第二章 数字农业理论体系研究 33-562.1 数字农业的概念研究 33-372.2 数字 农业与农业信息化关系 37-402.3 数字农业理论体系的构成 40-452.4 数字农业技术体系 45-54 参考文献 54-56 第三章关键技术与研究方 法 56-823.1 关键技术 56-773.2 研究方法 77-80 参考文献 80-82 第四 章数据获取与数据库建设 82-994.1 上海市农工商现代农业园区 82- 834.2 数据获取 83-864.3 数据流程分析 86-874.4 数据库设计与建设 87-954.5 上海市农工商现代农业园区土壤养分数据分布状况 95-97 参考文献 97-99 第五章农业地理信息系统空间分析与建模 99-1315.1 土壤要素空间分析研究 99-1155.2 变量推荐施肥研究 115-1185.3 水 稻施肥决策支持模型 118-1245.4 库存最优化分析 124-1255.5 专家知 识决策支持 125-1285.6 经济分析与粮食产量预测模型 128-129 参考 文献 129-131 第六章数字农业空间信息管理平台实现 131-1476.1 需 求分析 131-1326.2 数字农业空间信息管理平台框架设计 132-1376.3 数字农业空间信息管理平台实现与应用 137-146 参考文献 146-147 第七章数字农业决策支持系统研究 1