农业地理信息系统的总体设计与实现.pdf

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收稿日期:

2005206203基金项目:

浙江省科技厅2004年重大攻关项目（2004C12012）作者简介:

郑可锋（1963-）,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。

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,许松,朱旭斌（浙江省农业科学院数字农业研究中心,浙江杭州310021）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,为GIS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;WebGIS;数字农业;总体设计中图分类号:

P208;S17文献标识码:

A文章编号:

052829017（2005）0420244203地理信息系统（GeographicalInformationSystem,简称GIS）是20世纪60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100多个领域1。

20世纪70年代GIS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。

90年代以后,GIS在农业领域的应用不断深入和普及,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。

近10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,GIS与GPS、RS、DSS、Internet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。

为更有效地利用GIS技术构筑数字农业技术体系,笔者在实施浙江省科技厅2004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GIS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GIS）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MSSQLServer2000+ESRIArcSDE;系统管理、数据维护和信息服务等功能集合采用BS与CS相结合的方式;系统开发采用ESRIArcGIS+MapObjectErdas;信息发布与服务采用ESRIArcIMS+MSASPServer（或ASP.net）。

系统的总体结构如图1所示。

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GIS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2442005年第4期图1农业GIS系统结构及其与数字农业基础平台的关系研究的农业GIS系统的实际应用不会有影响。

2系统功能分析农业GIS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4,5;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入。

211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。

212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。

213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。

214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。

215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阈值范围,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。

216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GIS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GIS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。

217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郑可锋,等:

农业地理信息系统的总体设计与实现245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CS或BS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GIS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。

311空间数据库采用110000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（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）、数字栅格地图（DRG）（即4D产品）,以及地名数据（GN）、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。

312属性数据库31211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。

31212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）。

31213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。

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GIS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ArcSDE+MSSQLServer2000实现GIS数据存取;利用ArcGIS+MapObjectErdas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ArcIMS+MSASP.net,实现基于Web的农业GIS信息发布和远程维护。

图2基于数字农业基础平台的农业地理信息系统5小结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GIS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GIS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（Web、GPS、RS、EP、DSS、MIS等）的有机整（下转至258页）2462005年第4期表2各处理对小白菜产量和品质的影响处理代号产量（thm2）糖（%）Vc（mgkg）粗纤维（%）蛋白质（%）硝酸盐（mgkg）

（1）CK77110019316171518251062250

（2）81100019620181519251061800（3）78180019620181517261302172（4）79135019720181516261061800白菜品质的影响主要是降低硝酸盐的含量和增加Vc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315%,Vc含量则增加了2416%;处理

（2）植株硝酸盐含量减少了2010%,Vc含量增加了2416196;处理（4）植株硝酸盐含量减少了2010%,Vc含量增加了2416%。

214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5000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114010751171041140106

（1）CK910010711061051193106

（2）119710871501042153106（3）113710861701042125106（4）115010881071042153106与CK相比,其细菌和放线菌的数量分别提高了11819%和3111%,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6617%、3111%和5212%、1616%;3个处理的真菌数量较CK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肥对晚粳稻后期叶源质量的效应J.浙江农业科学,2004,（5）:

268-270.（上接第246页）合,实现信息共享,功能互补增强,并使GIS技术应用得以优化;同时,“数据与程序模块相互分离”以及“开发平台和应用平台与应用系统相互独立”的设计方法,实现了平台与系统开发的优化与高效。

就系统具体实现而言,元数据、数据字典及其对应数据库创建、属性与空间数据库的设计与开发是重点;数据、资料和信息的采集、加工,即数据源的创建是难点;而数据方便有效的更新维护、系统的稳定运行和结构与功能的可扩展性是系统研究开发成败的关键。

参考文献:

1褚庆全,李林.地理信息系统（GIS）在农业上的应用及其发展趋势J.中国农业科技导报,2003,5

（1）:

22-26.2孙成明,王登荣,王余龙.地理信息系统的农业应用与进展J.上海农业学报,2004,20（3）:

99-101.3贾敬敦.中国数字农业与农村信息化发展战略研讨会文集C.北京:

中国农业出版社,2003.4沙宗尧,边馥苓.广州市农业地理信息系统的设计与应用开发J.测绘通报,2004,（3）:

49-50.5黄昆.信阳市农业信息系统的构建与功能设计J.信阳师范学院学报（自然科学版）,2004,17

（1）:

92-95.2582005年第4期