农业地理信息系统的总体设计与实现.pdf

翻方 is 容 时 考2 0 0 5 年 第 4 期 农业地理信息系统的总体设计与实现 郑可锋 祝利莉 胡为群 李志凌 叶少挺 许 浙江省农业科学院 数字农业研究中心 浙江 杭州 松 朱旭斌 3 1 0 0 2 1 摘要 对农业地理信息系统的总体结构 基本功能 底层数据库结构 系统实现方案以及系统与数字农 业基础平台的有机整合进行了初步的研究 提出了浙江数字农业基础平台中农业地理信息系统的总体设计 G I S 技术在数字农业中的整合应用提供一套可行的实现方案 关键词 农业地理信息系统 W e b G I S 数字农业 总体设计 中图分类号 P 2 0 8 S 1 7文献标识码 A文章编号 0 5 2 8 9 0 1 7 2 0 0 5 0 4 0 2 4 4 0 3 地理信息系统 G e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o n S y s t e m 简称G I S 是2 0 世纪6 0年代开始迅速发展起来的 集地理空间数据处理与计算机技术于一体的一门边 缘技术学科 它也是在计算机软 硬件支持下 对 空间对象的地理分布以及与之相关的属性实现采 集 存储 管理 处理 检索 分析和显示等功 能 为用户解决各种应用问题的技术系统 随着计 算机技术 信息技术 空间技术的发展 地理信息 系统技术不断与其它技术有机结合 得到了广泛的 应用 到目前为止 已成功地应用到 1 0 0多个领 域 1 o 2 0 世纪7 0 年代G I S 开始应用于农业领域 在土地资源调查 土地资源评价 农业资源信息的 管理分析等方面取得了重大进展 9 0年代以后 G I S 在农业领域的应用不断深人和普及 广泛应用 于区域农业可持续发展研究 土地的农作物适宜性 评价 农业生产信息的管理 农田土壤侵蚀与保护 研究 土地的农业生产潜力研究 农业系统模拟与 仿真研究 农业生态系统监测与定量研究 区域农 业资源的调查 规划 管理及农业投入产出效益与 环境保护研究 森林病虫害控制等 2 1 近1 0 年来 随着信息技术的飞速发展 以信息技术与农业技术 有机结合为特征的数字农业得到了迅速发展 G I S 与G P S R S D S S I n t e rn e t 等高新技术结合 成为 数字农业技术体系的核心技术 在农业尤其在 精 确农业 中得到了广泛应用 3 1 0 为更有效地利用G I S 技术构筑数字农业技术体 系 笔者在实施浙江省科技厅 2 0 0 4年度重大攻关 项目 浙江秀城农业高科技园区数字农业基础平台 建设 时 对农业地理信息系统的总体结构 基本 功能 底层数据库结构 系统实现方案以及系统与 数字农业基础平台的有机整合进行了初步的研究 提出了浙江数字农业基础平台中农业地理信息系统 的总体设计 同时为 G I S 技术在数字农业中的整合 应用提供一套可行的实现方案 1 系统总体结构设计 农业地理信息系统 简称农业 G I S 是数字农 业基础平台中的一个重要应用系统 其底层数据库 管理系统通过数据库接口软件实现与平台中其它应 用系统的共享 空间与属性数据的处理采用 M S S Q L S e r v e r 2 0 0 0 E S R I A r c S D E 系统管理 数据维 护和信息服务等功能集合采用 B S 与C S 方式 E r d a s S e r v e r 尔 系统开发采用 E S R I A r c G I S十 相结合的 M a p O b j e c t 信息发布与服务采用 E S R I A r c I M S M S A S P 或 A S P n e t 系统的总体结构如图 1 所 整个数字农业基础平台是一个通用的二次开发 平台 在结构上具有定制与自动生成能力 在被包 封输出后的应用平台 可以独立与通用开发平台运 行 同时与平台中的其它应用系统也可以实现独立 或协同运行 总之 农业 G I S 的空间与属性等数据 的处理上采用 数据与程序模块相分离 技术 在 整个平台结构上采取 开发平台和应用平台与应用 系统相互独立 的方式 虽然这种结构使系统结构 更加复杂 但在开发上更加灵活有效 而对开发出 的特定应用平台和平台中加载的应用系统 如本文 收稿日 期 2 0 0 5 0 6 0 3 基金项目 浙江省科技厅2 0 0 4 年重大攻关项目 2 0 0 4 0 1 2 0 1 2 作者简介 郑可锋 1 9 6 3 一 男 浙江浦江人 副研究员 硕士 从事数字农业与农业信息技术研究 郑可锋 等 农业地理信息系统的总体设计与实现 困 a 面 A M G 6D m lto p 口 图I 农业G I S系统结构及其与数字农业 基础平台的关系 研究的农业 G I S 系统的实际应用不会有影响 2 系统功能分析 农业G I S 的功能模块不是固定不变的 它应随 着系统应用的不断深入而不断扩展 功能模块包括 应用服务模块和系统管理维护模块两大类 其中应 用模块包括 农业资源与环境管理 农作物优化布 局 土地承包与流转管理 精准农业示范 农情及 农作物动态监测 综合查询与统计等 6个模 块 系统维护模块包括 远程信息采集 局域 网信息采集 遥感影像处理 系统安全维护等4 个 模块 由于系统采用模块化结构 功能模块可以逐 步按需开发加人 2 1 农业资源与环境管理模块 农业资源包括自 然资源和社会经济资源 可分 成土地 水 气候 人口和农业经济资源五大类 本模块对特定农区的农业资源实现可视化管理 包 括报表定制 查询 专题图显示与打印输出 基本 统计与趋势模型分析和基本辅助决策等功能 2 2 农作物优化布局模块 本模块根据区域农业资源特点 在环境调查与 检测积累的大量农业环境和资源数据的基础上 作 出作物种植的适宜性评价和土壤适宜性等评价 实 现农用地分级信息管理 土壤适宜性分析 作物种 植分析 农田变更监控 统计 查询等功能 并在 此基础上显示与打印输出布局图件等 2 3 土地承包与流转管理模块 通过本模块实现土地承包经营权证和土地承包 合同的查询 档案管理 确保及时签发到户 实现 农户 方案 地块 土地承包经营权证书 承包合 同五个相符 土地征用信息的查询 征用登记 同 时 为了加强基本农田保护 搞好农用地管理 促 进农业生产结构调整 满足科学规划 统筹安排的 需要 实现监控耕地总量动态平衡 2 4 精准农业示范模块 精准农业示范模块主要是对选定的示范区域 通过修正严格规范的农田格网划分为任意可操作的 非连续自然农田地块分布 以可视化方式实时采集 农业示范基地的农田地块土壤水分含量 土壤养分 元素含量 作物营养状况 作物生长发育阶段 病 虫害发生与流行等信息 直观地确定是否需要实施 施肥 灌溉 病虫害防治等措施 2 5 农情及农作物动态监测模块 农情及农作物动态监测模块主要针对用户关心 的农田水肥 农业自然灾害 农作物长势三类情况 进行实时跟踪 每类监测内容又分为若干子项目 要求用户可以选择任意监测项目 监测子项目及监 测时间 监测区域进行监测 农情动态监测的基本 原理是由系统管理员预设一个监测项目 参数的阂值 范围 当特定农田地块的监测项 目值处于此范围 时 在农田专题图上以特殊颜色显示 同时 模块 还提供了按区域动态监测报告的输出功能 2 6 综合查询与统计模块 该模块是各应用模块的一个信息处理与发布的 核心模块 其目标是为系统用户提供准确实时的农 业资源 农作物优化布局 农情监测等空间与属性 数据和决策支持信息 实现农业 G I S 的实时 综合 和可视化信息查询服务 其主要功能包括 综合 报表制作与分析 采用电子报表技术开发报表管理 系统 实现各空间与属性数据的动态查询 制表 以及诸如相关分析 结构分析 趋势分析等统计分 析功能 为管理决策提供动态统计信息 可视化 图件制作与分析 利用 G I S 技术将土地利用及作物 布局 土壤及适宜性评价 地形地貌等空间信息及 其属性数据统一建立数据库并制成各类图层 实现 快速查询 汇总 以及农业资源与环境的计算机管 理 基本情况展示 利用多媒体 流媒体技术动 态演示当地的区位 发展现状与规划目标 优势资 源与支柱产业 基础设施与科技实力 农业技术与 市场信息等 为管理决策提供基础信息 2 7 系统管理维护类模块 系统管理维护类模块包括 远程信息采集模 块 局域网信息采集模块 遥感影像处理模块和系 统安全维护模块 其中 远程信息采集模块和局域 如方 仁 容 杆 4 2 0 0 5 年第4 期 网信息采集模块主要实现农业资源和环境 农情及 农作物动态监测 土地承包和流转等信息的更新与 维护 信息维护可采用远程和本地的US 或B S 方 式实现 遥感影像处理模块主要从遥感影像中提取 农情信息 自动实现实时动态更新与处理 由于遥 感影像提取信息的精度和准确度问题 在实际应用 时需要进行必要的实地矫正 系统安全维护模块的 功能包括系统用户角色分类 权限划分 用户管 理 数据备份 软件系统恢复等 3 系统数据库设计 数据库设计是农业 G I S 系统有效运行和功能发 挥的关键 除了系统控制结构 元数据与结构等与 软件开发相关的设计遵从整个数字农业基础平台数 据库系统的设计外 本系统的数据库设计主要包括 空间数据库和属性数据库两方面 其中属性数据库 的内容分类与结构设计是系统开发成败的关键 3 1 空间数据库 采用1 1 0 0 0 1 比 例尺的电子地图构建 空间数 据库主要内容包括 数字高程模型 D E M 数字 正射影像图 D O M 数字线划图 D L G 数字栅 格地图 D R G 即4 D产品 以及地名数据 G N 土地利用现状图 基本农田保护图 标准 农田图 耕地地力调查和质量评价的系统成果图 等 基本农田保护图和标准农田分布图可考虑以村 民小组或自然村为单元 3 2 属性数据库 3 2 1 农业资源数据库 以县 乡为行政单位的土地 水 气候 人口 和农业经济等农业资源数据 以及基本农田划区定 界 标准农田 土地二轮承包 耕地地力调查与质 量评价研究中的土壤养分 重金属和农药残留等 制定元数据库 数据字典和数据表结构系列 同时 制订配套的属性数据采集标准与规范 并以此为基 础设计属性数据库 3 2 2 农业决策专家知识库 农业决策专家知识库是进行农业决策的基础 通过与土壤数据库 农作物数据库信息比较分析 给出具体的农作决策措施 如施肥 灌溉 病虫害 诊断防治等 4 系统实现方案 根据上述的系统设计 基于数字农业基础平台 的农业 G I S 结构与功能如图2 所示 在数字农业基 础平 台统一 的数据库接 口系统控制下 通过 A r c S D E M S S Q L S e r v e r 2 0 0 实现G I S 数据存取 利 用A r c G I S M a p O b j e c t E r d a s 对空间 属性数据 遥 感影象的处理 编程 实现系统的各类系统维护和 应用功能 通过 A r c I M S M S A S P n e t 实现基于 W e b 的农业 G I S 信息发布和远程维护 系统管理员本网用户 远 程 用 户一 MARfffANOVIIM c Bream igswak3m 农业地理信息系统 重 一州 直 刃 一 I Ii 6XRh r 9E招 巨 系 统管理维护类模块系统应用服务模块 絮 壤黯 农作物优化 布局 综合查询 与统计 土地承包与 流转管理 鹿 祖户 卿 厂A r d M S S e r e r 尸 决 曰 农川 口蛤 息发布与远程维护 浓虹 蛤息网 络 应用与 远 程采 典 噩l sD eskto p 巨 O bject 巨 a s 农 匕脚刁 发与维护 漏性 空间数据 遥感影像处理 MS A S P a S e rve r E M dDE 一薰 蒸 沪I 数字农业基础平台 3tfs7 徽t 平台数据库管理系统 阅L S e rv e r 2 0 0 0 平台数据库接口 系统 图2 基于数字农业基础平台的农业 地理信息系统 5 小结 3 2 3 系统维护数据库 主要是初始化参数的设置 用户信息 日志信 息的存储等 农业地理信息系统的设计与开发是一项复杂的 信息系统工程 在现今G I S 技术业已成熟和标准化 的条件下 系统构建的关键是如何充分利用G I S 技 术 最大限度地应用于农业领域 本文提出的基于 数字农业基础平台的设计方案 就是在底层数据库 系统的构建上实现各类成熟信息技术 W e b G P S R S E P D S S M I S 等 的有机整 下转至2 5 8页 翻 表 2 布 is 容 杆 考2 0 0 5 年 第 4 期 各处理对小白菜产量和品质的影响 产量 t h m 2 糖 V c m g k g 粗纤维 蛋白质 硝酸盐 m g k g 2 2 5 0 18 JJ 2 1 7 2 1 8 0 0 肠肠30肠 25252626 川洲15 715 6 8 8 8 202D20 9396 97 0000 10008D35 了 卫89 0卜77 处理代号 1 C K 2 3 4 白菜品质的影响主要是降低硝酸盐的含量和增加 V c 的含量 而对糖分 粗纤维 蛋白质含量的影 响不明显 与对照相比 处理 3 植株硝酸盐含 量减少了3 5 V c 含量则增加了2 4 6 处理 2 植株硝酸盐含量减少了2 0 0 V c 含量增加 了2 4 6 9 6 处理 4 植株硝酸盐含量减少了 2 0 0 V 含量增加了2 4 6 2 4 根际土壤微生物 从表3 可见 使用粉状固体肥和有机液肥均能 增加根际中细菌和放线菌的数量 其 中 添加 5 0 0 倍粉状固体肥的处理 2 作用效果较明显 表3 各处理对小白菜根际土壤微生物的影响 处理 代号 细菌 个 g 真菌 个 g 放线菌 个 g 原始土样 1 C K 2 3 4 1 4 0 x 1 护 9 0 o x 1 护 1 9 7 x 1 0 8 1 3 7 x 1 0 8 1 5 0 x 1 0 8 5 1 7 x 1 0 0 1 0 6 x 1 护 7 5 0 x 1 了 6 7 0 x 1 了 8 0 7 x 1 了 1 4 0 x I 护 1 9 3 x 1 护 2 5 3 x 1 护 2 2 5 x I 护 2 5 3 x 1 护 与C K相比 其细菌和放线菌的数量分别提高了 1 1 8 9 和3 1 1 而粉状固体肥 有机液肥处理 4 和有机液肥处理 3 分别提高了6 6 7 3 1 1 和5 2 2 1 6 6 3 个处理的真菌数量较 C K均有所减少 这表明使用粉状固体肥和有机液 肥能减少土传真菌病害的发生 3 小结与讨论 本试验结果表明 和常规施肥相比 施用欧西 莎姆生物肥料能促进小白菜植株的生长 提高小白 菜的产量和品质 但粉状固体肥和有机液肥对小白 菜植株的生长有不同的影响 添加粉状固体肥能促 进小白菜植株根系的生长 根变长 根茎变宽 而 施用有机液肥的小白菜植株变矮 叶柄变厚 此 外 施用欧西莎姆生物肥料能增加小白菜植株根际 中的细菌和放线菌数量 减少真菌的数量 从而可 减少土传真菌病害的发生 参考文献 1 王润屹 徐素琴 沈铭 等 生物固氮菌G 肥对晚梗稻后期 叶源质量的效应 7 l 浙江农业科学 2 0 0 4 5 2 6 8 2 7 0 州 卜一 叫 卜 1 卜加 州 卜一 州 卜 司 卜一 州 卜 州 卜一 州 卜一 卜 斗 州 卜场 习 卜 叫 卜