基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用.pdf

第 28 卷第 1 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.1 2012 年1 月Transactions of the CSAEJan. 2012127 基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用 董士伟 1，孙丹峰2，张微微1，李 红1，余 军1，周连第1 （1. 北京市农林科学院农业综合发展研究所，北京 100097；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193） 摘要：在构建北京郊区自然资源与社会经济信息管理平台基础上，针对解决农业资源与环境中实际问题的需求，该文 研发了相关专业决策模型和技术方法，完成了与平台的初步集成，形成了北京农业资源定性分析、定量计算和直观展示 相结合的空间一体化管理模式。首先简要介绍了决策应用系统模块的结构体系和决策应用交互实现，其次重点阐述了基 于综合管理平台的北京农业资源利用决策模型和技术方法研发及其应用的初步结果，最后从与专业决策模型系统集成方 法、规范化和标准化建设、制度保障体系角度对综合管理平台未来工作进行了展望。经过 4 a 建设与运行，决策应用系统 模块依托平台已经初步应用在北京市农业和农村相关业务的辅助管理中，对北京社会主义新农村建设和基层三农发展具 有重要的意义。 关键词：管理信息系统，数据融合，模型，决策应用，农业资源，综合集成 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.01.024 中图分类号：F303.4；TP311.5文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-01-0127-06 董士伟，孙丹峰，张微微，等. 基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用J. 农业工程学报，2012，28(1)： 127132. Dong Shiwei, Sun Danfeng, Zhang Weiwei, et al. Application and decisions of resource use based on agricultural resources and economic data platformJ. Transactions of the CSAE, 2012, 28(1): 127132. (in Chinese with English abstract) 0引言 建设社会主义新农村，是统筹城乡发展的重大战 略决策，是中国现代化进程中的重大历史任务，是新 时期做好三农工作的行动纲领。近年来农村基础设施 建设、产业结构宏观调整、突发事件应急快速响应、 农业资源综合利用等需求发展势头迅猛，北京社会主 义新农村建设发展取得了一些成就1，农村和农业的 信息化水平得到了一定提升2- 5。 从本世纪初开始研发 北京郊区自然资源与社会经济信息管理平台 6- 8 （简 称自然与社会平台），已经初步应用在北京市农 业和农村相关业务的辅助管理中。随着北京世界城市 化的快速发展和居住人口的急剧增加，农业资源与环 境的压力也越来越大，平台原有的数据组织管理和功 能设计需要进一步扩展和完善，提升平台的综合分析 与决策能力。为此本文在简要介绍决策应用系统模块 结构与内容后，重点梳理平台涉及的专业决策模型和 技术方法，及其在北京农业资源利用与管理中的初步 应用结果，同时展望了未来进一步工作，为资源管理 决策的信息化发展提供参考。 收稿日期：2011- 04- 27修订日期：2011- 11- 17 基金项目：北京市财政局专项 I、II 和 III 期支持 作者简介：董士伟（1984） ，男，山东泰安人，主要从事遥感与 GIS 在农 业资源中的应用研究。北京北京市农林科学院农业综合发展研究所， 100097。Email：。 通信作者：李红（1973） ，女，山东海阳人，博士，研究员，主要从 事农业资源利用与管理研究。北京北京市农林科学院农业综合发展研究 所，100097。Email： 1决策应用系统模块结构与内容 1.1结构体系 自然与社会平台采用 Oracle 数据库作为基础数据 存贮平台，ArcSDE 作为空间数据引擎，C/S 模式的智 能客户端架构。 平台的决策应用采用 3 层结构体系 （图 1），即数据层、中间层和辅助决策层。数据层实现空 间数据、属性数据和其它数据等多源异构数据的有效 融合、传输、存储、共享和管理；中间层主要是对数 据进行全面分析、再加工、生成一系列专业决策模型 和各种农业资源监测评价技术方法等；辅助决策层在 专业决策模型和技术方法基础上，开展资源利用决策 应用，用于科学指导农业资源与环境的监测、利用与 管理。 图 1基于自然与社会平台的决策应用结构体系 Fig.1Decision application structure based on natural and social platform 农业信息与电气技术 农业工程学报2012 年 128 1.2决策应用交互实现 自然与社会平台主要有 8 个功能模块，包括地块信 息、自然属性、种植业评价、社会经济、决策应用、领 导窗口、工具箱和系统管理，涉及的数据主要有基础空 间数据、自然资源数据、社会经济数据和决策分析数据 4 种类型6。 目前决策应用模块中所涉及的部分决策模型和 技术方法与平台完成了初步集成，基于 Web Service 技术 实现数据互操作和服务共享。图 2 是决策应用交互实现 架构，主要分为数据层、模型驱动层和表现层 3 层结构， 具体交互过程是通过交互窗口根据 GIS 应用逻辑组件 ArcGIS Engine 和 ArcSDE 数据引擎把客户端接收到的用 户请求转化为相应的数据库请求，模型驱动组件通过参 数调用相应数据进入分析数据库，通过与交互窗口进行 交互命令完成数据处理和模型加工后进入发布数据库， 经过审核窗口审核通过后进入成果数据库，可以通过展 示窗口进行各种形式的结果展示，把处理结果反馈给客 户端实现交互。 图 2决策应用交互实现架构 Fig.2Decision application interactive implementation architecture 2相关专业决策模型与技术方法研究 目前完成的相关专业决策模型和技术方法主要包括： 2.1基于土地适宜性评价的土地利用辅助决策 土地评价是土地利用、农业资源开发、空间布局规 划的基础。根据北京农业资源的现状及特点，制定评价 的基本过程9如下： 首先收集整理各类不同土地利用类型 对生态环境因子的要求和取值范围，建立利用要求数据 库，其次构建对各生态因子等级划分的分段函数分值， 与建立的评价单元中各生态因子的取值进行匹配计算出 该因子的函数得分，并利用加权综合模式求出所有评价 因子的综合分值，利用建立的适宜性评价体系，划分不 同等级，计算面积和绘制空间分布图。 以 SuperMap Objects 2003 全组件式系统为开发平 台，Visual Basic 6.0 为开发语言，开发了土地适应性评价 模块，集成了多种评价模型10，具体包括加权指数求和 法、灰色关联度法、模糊综合评价法、物元分析法和聚 类分析法。在各农业要素数据库和评价模型的支持下， 将适应性结果划分为 4 级， 一级适宜 （理想产出80%） ， 二级适宜（70%80%），三级适宜（50%70%）和 四级适宜（理想产出50%）。根据北京农业资源特色和 未来发展潜力，建立了 320 多种生物资源类利用数据库， 包括果树、农作物、牧草、药材、苗圃、花卉、蔬菜、 油料作物等。其中最有典型代表性应用是自主研发了北 京市郊区种植业评价触摸系统11， 把北京山区20种果树， 平原区 19 种果树和 45 种蔬菜的评价成果全面应用于北 京市经管站村务系统（俗称触摸屏系统）。图 3 是苹果 的适宜性评价结果，苹果一级和二级适宜产区面积为 527 617.8 hm2，占北京市农用地面积的 41.5%，其中主要 分布在密云县、房山区、平谷区和昌平区等区县的山前 向阳背风丘陵暖区地带。 图 3北京市苹果适宜性评价图 Fig.3Apple suitability evaluation image in Beijing city 2.2基于遥感和时空统计方法的区域水土环境评价 为掌握和比较北京水土环境质量状况及其变化趋 势，为水土环境综合治理和环境规划提供科学依据，构 建了多种北京水土环境评价相关模型： 1）耕地土壤重金属地统计与空间自回归模型：以北 京市土壤重金属背景值为标准对比分析了农业土壤 8 种 重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg）含量及累 积情况，采用单因子污染指数法和综合污染指数法进行 土壤重金属污染综合评价后发现综合污染指数处于 0.962.16 之间，平均值为 1.45，几乎所有的土壤样点都 属于轻度污染状态12，通过地统计学方法分析了重金属 空间结构的尺度效应，采用多尺度套合模型法揭示了耕 作土壤重金属的空间分布特征13；同时研究发现耕作土 壤 8 种重金属含量均存在空间自相关性14；在此基础上 进一步建立了耕地土壤重金属空间自回归模型15，揭示 了北京市耕作土壤 Cr、Ni、Zn、Hg 含量与其影响因素间 的相关关系，估计了区域土地利用与土壤重金属含量间 的相互关系； 2）土壤重金属含量遥感光谱辅助诊断模型16- 17： 利用光谱分析方法初步探究了北京地区农业土壤 8 种 重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg）含量与 可见光近红外 （3751 025 nm） 、 热红外 （813 m） 的关系， 分析了土壤重金属的特征光谱， 经主成分分析 后发现一阶微分光谱最适于获取土壤中的重金属元素 第 1 期董士伟等：基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用 129 信息，其特征光谱主要分布在可见光近红外 415 570 nm、9501 025 nm 和热红外 8.09810.231 m、 10.32212.818 m。同时在热红外建立了土壤重金属 含量的对数值与发射率标准化比值的线性回归模型， 通 过回归方程的显著性检验后发现发射率变量与土壤重 金属含量之间存在相关关系， 可以用来辅助土壤的重金 属含量估计； 3）湿地水质参数遥感分析模型18：以北京汉石桥湿 地水体水质为研究对象，通过在可见光近红外波段区间， 分析光谱仪和 ASTER 遥感影像的水质参数特征光谱， 建 立了水质参数与最佳波段及其组合的多元线性回归方 程，在分析 ASTER 遥感特征波段基础上，构建了水质参 数估算模型，并通过该模型得到目标水质参数空间分布 图，实现了对湿地水质时空变异的遥感监测； 4）基于物质流分析和水土流失的地表水质诊断模型19： 针对北京山区流域，将径流模拟、土壤侵蚀量估计和养 分负荷估算相结合，参考 SPARROW 模型将河流污染物 养分负荷与径流、土壤侵蚀以及养分来源建立关系，模 拟养分来源对污染物养分负荷的贡献量，并根据水体中 养分浓度与污染来源的时间格局关系，初步建立水体中 污染物养分负荷的分布式空间预测模型，进行污染物在 水体中的负荷模拟和预测，为流域尺度上的水质污染负 荷预测提供了方法。 2.3基于生态足迹模型的区域生态可持续诊断 生态足迹是从具体的生物物理量角度来研究自然资 本消费的空间。 选取北京山区县 19802000 年 21 a 的社 会经济统计年鉴，构建了生态足迹模型，计算各区县人 均生态足迹，并进行 2 个方面的相关分析，一是同一区 县不同时间上的变化结构和规律；二是同一年份不同区 县生态足迹的空间差异和主要原因，具体的模型和技术 方法参见文献20- 21。通过对 21 年北京山区人均生态足 迹时间序列分析可以看到，进入 21 世纪北京山区处于生 态不可持续状态，需要外界不断进行人工物质能量的输 入， 提高承载力。 表1是北京山区可持续能力简要分类10， 可以看出北京山区各区县可持续发展能力较弱，其限制 因素突出表现在生存支持系统和发展支持系统 2 个方面： 一是山区水土资源本身的限制，地形影响交通建设、生 态环境脆弱、经济发展成本很高等；二是传统经济结构 所建立的发展支持系统不具备竞争能力，需要根据山区 生态系统特征，调整产业模式。 表 1北京山区可持续能力简单分类 Table 1Classification of Beijing mountainous sustainability 指标ABC备注 可持续基础房山、怀柔 密云、门头沟、延庆、 平谷、昌平 / A 表示 20 世纪 80 年代可持续能力差；B 表示 20 世纪 80 年可持续 能力弱 发展速度 与趋势形状 门头沟、延庆、平谷密云、昌平 房山、 怀柔 A 表示可持续发展速度低、线性扩展趋势；B 是发展速度较快，线 性趋势；C 是对数扩展趋势 限制子系统昌平、密云平谷、延庆、房山 怀柔、 门头沟 A 表示智力与发展子系统有限制；B 表示发展子系统限制；C 表示 生存与发展子系统限制 优势子系统 昌平、密云、平谷、 怀柔、延庆、门头沟 房山/A 表示社会子系统有优势；B 表示智力子系统有优势 2.4农业资源监测评价相关技术方法研发 为保障平台决策模型的数据需求，开展了相关农业 资源数据更新与监测评价方法研究。董士伟等22以北京 密云县 ETM+遥感影像为例， 建立了一种利用影像的多尺 度分形特征快速高效提取耕地特征的方法；刘建光等23 通过挖掘 MODIS 数据多时相的优势，与多光谱信息优 势结合互补，运用 CART 监督决策树分类方法建立了北 京土地利用/覆被实时监测方法；孙丹峰等研究了 IKONOS 影像在大比例尺土地利用图件更新中的应用技 术，提出了基于知识的土地利用覆盖分类以及变化监测 系统方法24、利用 IKONOS 影像建立了不同方向和尺度 下景观格局的小波分析方法25、在考虑景观格局特征和 动态土地利用覆被转移规则的基础上构建了基于动态统 计规则和景观格局特征的土地利用覆被空间模拟模型26； 张微微等27通过主成分分析（PCA）和聚类方法来识别 北京山区农业土地利用强度的特征和分类，为规划和管 理人员提供强度类型信息，保证农业系统的可持续发展； 李晓琴等28利用 TM 图像对北京门头沟区植被覆被率展 开调查和制图应用研究，并对所得的植被覆盖等级图从 斑块大小、斑块数、斑块密度、斑块平均面积、分形维 数和聚集度等角度进行了空间格局的剖析；孙丹峰等29 在区域土地初级生产力构成因素理论分析基础上，通过 主成分分析建立不同作物种植模式下 MODIS 的 NDVI 年序列与区域土地自然质量和化肥投入的空间关系，建 立了化肥统计数据的空间化分配方法。 3基于平台辅助决策成果的初步应用 3.1平原区都市农业战略规划布局 2004 年实施的北京都市型现代农业“221 行动计 划”旨在摸清郊区资源底牌，深入系统地对郊区农业 资源进行大规模的清查和评价研究，在北京平原区开 展了农业战略布局应用。平原区农业主要承担平衡生 态、供给食品、丰富文化、旅游休闲、拉动周边省份、 辐射全国的功能，同时综合农业资源比较优势分区、 经济比较优势分区、区位比较优势分区、都市农业类 型比较优势和 8 大类农业类型（果树、粮食、牧草、 药材、苗圃、花卉、蔬菜和油料作物）多宜性比较优 势分区，进一步划分北京平原区都市农业战略分区和 都市农业战略类型规划布局10,30如图 4 所示，从而促 进了北京农业结构调整，提高了区域农业经济整体发 展水平，对北京生态保护、可持续发展和社会服务具 有重要的意义。 农业工程学报2012 年 130 图 4北京市平原区都市农业战略类型规划布局 Fig.4Urban agriculture strategy types layout in Beijing plain area 3.2山区土地利用覆被变化效应分析 为进一步清查和量化北京山区生态系统生产潜力和适 宜利用方式，为山区可持续发展提供相关模式和调控途径， 在平台数据库支持下，从2000 年开始，利用现代信息技术 特别是遥感技术开展了大量北京地区土地利用覆被变化及 格局分析的相关研究，尤其是完成了对北京山区 7 个区县 土地利用覆被变化状况清查与监测分析，提出了针对性的 政策和建议，同时通过量化分析土地利用覆被变化 C/N 效 应、粮食承载力和载畜量、水资源调配和土壤水蚀 4 个方 面影响来反映北京山区整体功能效应的变化。 4未来进一步工作展望 决策应用系统模块依托自然与社会平台经过 4a 的建设 与运行，在为北京农业和农村有关部门提供服务的同时，也 存在许多进一步需要扩展与完善的方面。比如数据更新不及 时、数据精度和尺度问题；并发用户数过多会导致系统瘫痪 的并发问题；部分专业决策模型和技术方法与平台还没有进 一步完成无缝集成，其次围绕资源利用与生态环境建设还需 要进一步研发相关模型和技术方法；平台标准化、规范化、 制度保障体系建设还需要进一步加强与完善等。 4.1平台与专业决策模型系统集成方法 自然与社会平台是基于 Web Service 技术进行研发的， 可以实现数据互操作和服务远程调用，使用 SOAP（simple objectaccessprotocol） 协议进行通讯， 采用XML 通用数据格 式，保证了平台和模型之间的可交互操作，实现了系统数据 交互的平台无关性。在数据安全方面，传输前对平台数据和 模型数据进行 WSE 加密，在传输过程中采用数据流检测技 术进行检验，在用户管理中采用客户端用户权限分级管理模 式，从而保证数据的安全性与可靠性。此外为保证模型的可 控性与便捷性，采用耦合松散模式进行网络发布，便于管理 与维护，同时也保证了用户使用范围的可控性。 由于各专业决策模型种类多、 类型复杂、 开发语言多样， 目前只是部分模型完成了和自然与社会平台的初步集成，部 分模型系统还没有进行有机封装， 有些功能和模型还不完善， 还有部分模型处于研发过程中，今后将进一步丰富和完善各 业务管理需求的专业决策模型，在自然与社会平台研发标准 的基础上，遵循OGC（open geo- spatial consortium）制定的 系列标准，采用 Web Service 技术封装各种专业决策模型， 完成在网络中的发布，在平台与模型间实现数据交互和服务 共享，从而实现模型在平台中的无缝集成。 该集成方法可以在网络环境中提供一种与平台无关、 与开发语言无关的模式，在机器与机器之间可以实现数据 和服务的共享，用户可以从网络中请求自己需要的专业决 策模型服务，并使用这些服务构建自己所需要的应用，同 时还可以把部分专业模型服务进一步整合构建功能更强大 的模型网络服务。然而也存在许多缺点，比如并发问题， 当并发用户数过多时，会导致系统缓慢甚至出现瘫痪现象。 4.2平台规范化和标准化建设 为进一步完善综合管理平台的数据组织结构，保障平台 的规范建设和长期运行、及下一步推广应用的顺利实施，需 要构建平台规范与标准体系。 具体内容包括： 1） 在现有工作 和研究成果基础上，统一规划、协调与整合平台的数据采集 标准、 数据处理标准、 数据更新标准、 信息资源分类标准等； 2） 为促进标准规范的应用实施， 推进平台建设的规范化发展， 需要开发一系列与标准规范相配套的测试软件与支撑工具； 3） 通过平台后续运行和开展相关标准规范培训工作， 逐步形 成一支相对固定的多部门标准化服务队伍。 4.3制度保障体系 为丰富和完善综合管理平台的管理体系，优化平台 推广应用中各农业信息业务部门的合作，保障平台的可 持续发展能力，需要建立高效的统筹协调管理机制。1） 资源建设机制：进一步融合各种信息资源，强化资源服 务能力建设，健全涉及北京各种农业资源的综合服务体 系；2）数据采集与更新机制：制定全市数据更新时间表， 定期对综合管理平台的数据进行快速采集与更新；建立 区域（区县、乡镇和村）数据更新机制，统筹协调数据 发生变化区域的更新工作；3）管理与维护机制：制定综 合管理平台日常运行管理办法，定期对综合管理平台进 第 1 期董士伟等：基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用 131 行全面的维护与管理；4）跨部门合作与推广应用制度： 建立跨部门合作的分工协调制度，明确各部门责任和义 务，建立平台推广应用的多部门协调领导小组，健全综 合管理平台制度保障体系，保障其可持续发展能力。 5结论 1）综合管理平台实现了北京农业资源与空间信息技 术的有机结合，通过多种技术整合与系统集成创新，完 成了专业决策模型和技术方法与平台的初步集成，形成 了对农业资源的定性分析、定量计算和直观展示相结合 的新型空间一体化管理模式，促进了北京农业资源由传 统粗放型向精细化和科学化的综合管理决策模式转变， 对北京社会主义新农村和三农工作具有重要的现实意 义，也为资源管理决策的信息化发展提供了参考。 2） 专业决策模型和技术方法依托自然与社会平台已经初 步应用在北京市农业和农村相关业务的辅助管理中，今后将 进一步实现平台与专业模型的无缝集成、加强平台规范化和 标准化建设、建全相应的制度保障体系，使综合管理平台能 够可持续发展，进而加快其资源利用决策应用进程。 3）综合管理平台的推广应用，尤其多部门合作时还 应该处理好数据安全与开放共享的矛盾，根据实际应用 需求设置不同的用户使用权限；同时要继续引入先进的 技术方法和专业决策模型，重点解决北京农业资源与环 境管理中出现的实际复杂问题。 参考文献 1北京市新闻办公室. 北京新农村建设“十一五”发展成就 及 “ 十 二 五 ” 发 展 展 望 新 闻 发 布 会 EB/OL. /zbft/szfxwfbh/wz/t1139257.htm,2 010- 11- 16. 2刘巧芹， 潘瑜春， 张清军， 等. 基于GIS 的北京市城郊农村土 地利用格局分析J. 农业现代化研究， 2009， 30(4)： 457460. 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( in Chinese with English abstract) 27 张微微，李红，霍霄妮，等. 基于能值分析的农业土地利 用强度J. 农业工程学报，2009，25(7)：204210. Zhang Weiwei, Li Hong, Huo Xiaoni, et al. Agricultural land use intensity based on emergy analysisJ. Transactions of the CSAE, 2009,25(7):204210.(inChinesewithEnglishabstract) 28 李晓琴，孙丹峰，张凤荣. 基于遥感的北京山区植被覆盖 景观格局动态分析J. 山地学报，2003，21(3)：272280. Li Xiaoqin, Sun Danfeng, Zhang Fengrong. Landscape pattern analysis on change in the fraction of green vegetation based on remotely sensed data in Beijing mountainous areaJ. Journal of Mountain Science, 2003, 21(3): 272280. (in Chinese with English abstract) 29 孙丹峰，王雅，李红，等. 基于 MODIS NDVI 年序列的 区域化肥投入空间化方法J. 农业工程学报， 2010， 26(6)： 175180. Sun Danfeng, Wang Ya, Li Hong, et al. Spatializing regional fertilizer input based on MODIS NDVI time seriesJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 175180. (in Chinese with English abstract) 30 李红. 北京平原区都市农业发展战略规划与分析J. 生态 经济：学术版，2006(2)：322326. Li Hong. On the strategies of developing urban agriculture in Beijing plain areasJ. Ecological Economic Academic Edition, 2006(2):322326.(inChinesewithEnglishabstract) Application and decisions of resource use based on agr