分散农户变量施肥配方系统设计与实现.doc

分散农户变量施肥配方系统设计与实现摘 要:针对当前国内农户分散经营模式下存在肥料偏施、施肥方式不科学等问题,基于地理信息系统(gis)设计实现了一种适用于分散农户的变量施肥配方系统。系统采用关系型数据库sql server 2008作为内置数据库,实现土壤变异信息、作物历年产量信息、施肥配方信息等多种相关信息的存储、更新与查询。系统实现了空间插值、栅矢转换、数据融合以及叠加分析等功能,可以对土壤属性信息进行统计分析。同时,结合产量模型、施肥模型等知识模型自动生成分散农户具体条田施肥配方,施肥配方信息可通过指令传递给smc6480控制器进行肥料的自动配比。通过实例应用,系统稳定可靠,能够很好地实现各功能模块。关键词:分散农户;变量施肥;地理信息系统;施肥配方;smc6480design and implementation of variable fertilization formula system for dispersive farmertan xu1,2, wang xiu1*, tong ling2(1.beijing research center for information technology in agriculture, beijing 100097, china;2.school of automation, university of electronic science and technology of china, chengdu sichuan 611731, china)abstract:farmers manage the cropland in a decentralized manner at present in china, and usually fertilization could not be applied rationally and scientifically. this paper presented a variable fertilization system for dispersive farmer, which was designed on the basis of geographic information system (gis). the system referred a relational database sql server 2008 as a builtin database, in order to store, inquire and update kinds of information, such as the variability of soil, the crop yields over the years, and the fertilization formulas. the statistical analysis of the soil attribute can be realized by spatial interpolation, the conversion from raster to vector, data fusion, and overlay analysis in the system. and a fertilization formula for a cropland can be generated automatically by invoking the yield model and the fertilization model. furthermore, the fertilization formula can be delivered to smc6480 to match the fertilizer scientifically. the experimental results indicate that the system is stable and reliable, and all the modules ran well.key words:scattered farmer; variable fertilization; geographic information system (gis); fertilization formula; smc64800 引言化肥是粮食增产的重要因素,其贡献率约占50%以上1,施肥作业在保证粮食安全中发挥着重要作用。目前,在我国分散型作业模式下,施肥作业还存在施肥方式不科学、施肥过量及偏施等问题。同时,由于施肥引发的环境污染、农作物有害物质超标等问题也已经日益突出2。变量施肥技术能够很好地解决施肥作业中肥料过量施入,实现科学施肥,以达到平衡土壤养分,提高施肥效率,保护环境,实现农民增收。自20世纪90年代以来,国内外对变量施肥系统的研究和开发做了大量的工作3-9,但多数都是针对农场、同一土壤类型或更大范围的尺度,适用于国营大中型农场及宏观管理部门,不适于具体条田上的施肥配方。另一方面,国内大部分变量施肥系统主要是以生成施肥处方图从而配合变量施肥机作业为目标的。但是限于规模和资金问题,我国分散经营的农户不可能独立拥有变量施肥机及使用变量施肥技术10。因此,开发一种适用于分散农户的有效可行的变量施肥系统是非常必要的。本系统立足精准农业思想,研究基于地理信息系统(geographic information system, gis)及土壤肥力变异信息的分散农户变量施肥配方的生成,并通过桌面软件加以实现。1 系统设计1.1 系统结构系统包括地理信息基础空间数据库、数据库、模型库、gis功能模块、数据处理模块、施肥配方生成模块及smc6480控制器模块等部分。其中空间数据库、数据库、模型库提供地图显示和决策分析的数据及模型支持,同时存储施肥配方决策结果;gis功能模块实现地图操作、空间查询等基础gis功能;数据处理模块负责将地理信息基础空间数据库中的数据处理成可用于生成施肥配方的数据;施肥配方生成模块自动生成施肥配方并可将配肥指令传输到smc6480控制器;smc6480控制器用于肥料的自动配比。系统结构如图1所示。1.2 数据库设计数据库设计是系统设计的基础,本系统包括空间数据库、属性数据库以及基础数据库3个部分。空间数据库包括县区划图、村行政区划图、村耕地分布图、土壤采样点分布图等基础地理信息数据。属性数据库包括县区名称、村庄名称、耕地名称、户主、编号、面积等字段。基础数据库包括作物生长参数、化肥种类、化肥氮磷钾含量等参数数据以及施肥配方结果数据。1.3 数据处理流程系统支持mapinfo、arcview shape、opengis gml、dbf数据库等多种空间数据及属性数据的导入和导出。系统以村行政区划分布、耕地分布等基础地理信息数据作为背景数据,以土壤采样数据作为施肥配方生成的原始数据。土壤采样数据导入系统后显示为随机分布的点数据,在经过一定的数据分析处理后,生成面状综合数据,用于施肥配方的生成。本文将处理流程分为如下几个部分。1.3.1 克利金插值将离散采样点数据通过空间插值的方法转换成连续面数据是变量施肥技术的基本步骤。常见的空间插值方法包括反距离加权平均插值法、趋势面法、样条函数法、克利金插值法等。克利金插值法利用样本点的统计规律,使样本点之间的空间自相关性定量化,从而在待预测的点周围构建样本点的空间结构模型。因此该方法既有空间上的整体性又有局部性,判断和评价方法比较完善,成为目前空间插值的首选方法11。1.3.2 栅矢转换栅矢转换的效果是将grid栅格图中的栅格在相同的坐标系下转换为矢量矩形面,同时将栅格值转化为矢量图的属性数据。进行栅矢转换的原因是插值后得到的grid栅格图中栅格单元的值是浮点数,其值域是一个连续变化的区间,不支持数据的提取和融合。转换过程中,栅格单元值保留小数点后5位。1.3.3 数据融合数据融合是指将多张同一区域矢量地图中含有的属性数据整合到一张地图中的过程。由前面两步得到的矢量地图仅仅包含某一种属性数据,结构单一。数据融合的方法就是为了解决这个问题。这样,系统只需要对经过数据融合后的综合数据进行统计分析就可获得科学的施肥配方,