柑橘生产精准化管理系统的建立和研究.doc

柑橘生产精准化管理系统的建立和研究 以重庆市为例苟喻1 颜家均2 刘洪斌3 李伟4 戴亨林4 武伟5* 重庆市科委重点攻关项目(CSTC,2006AB1015)* 通讯作者。作者简介：苟喻（1979-），女，重庆市人，西南大学园艺园林学院助教，研究方向：3S技术开发及应用。（1西南大学园艺园林学院, 重庆 400716）(2江津市农业局，江津 402266)（3西南大学资源环境学院, 重庆 400716）（4重庆市农业技术推广总站，重庆400020）(5西南大学计算机与信息科学学院, 重庆 400716)摘要：建立柑橘生产精准化管理系统，是实现柑橘生产科学管理和提高产量的关键。本研究以ArcGIS Server为开发平台，综合运用空间数据库引擎技术与空间元数据技术，设计出市、县（区/市）、乡、重点示范区四个层次的柑橘生产精准化管理系统，系统包括用户管理、数据管理、数据查询与分析、专题制图和模型管理等五大模块，具有柑橘空间分布信息查询与分析、病虫害辅助诊断、柑橘分布适宜性评价和产量预测的功能，为当前柑橘的生产布局和科学管理提供了技术支持和辅助决策。关键词：柑橘生产；精准化管理；空间数据；重庆Establishment And Research of Citrus Planting Precision Management System Take Chongqing for exampleGou Yu1,Yan Jiajun2, Liu Hongbin3, Li Wei4,Dai Henglin4,Wu Wei5*(1.College of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400716,china; 2. Jiangjin Agriculture Bureau, Jiangjin 402266,china; 3.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716,china； 4.Chongqing Agricultural Technology Extension Station, Chongqing 400020,china; 5.College of Computer and Information Science, Southwest University, Chongqing 400716,china)Abstract: To establish a precision management system for citrus cultivation is a key to to increase fruits yield and realize scientific management. Based on Arcgis Server, spatial metadata and spatial database engine, a precision management system for citrus cultivation at four different levels involving municipality, county, township and key demonstration zone is designed. The system consists of user management, data management, inquiring and analyzing, special drawing and model management. It has many functions such a the spatial query for citrus distribution, disease diagnose, planting suitability evaluation and yield prediction, and provides the technical support and the auxiliary decision-making for the productive layout and scientific management of the current Citrus.Key words: Citrus Planting ; Precision Management ; spatial metadata ; Chongqing柑橘是世界第一大宗水果，有近100个国家生产。我国是全球三大柑橘生产国(巴西、美国及中国)之一1。近年来，虽然柑橘生产发展很快，但在生产水平、品种结构、果实品质上均存在不足。这与生产管理不合理和生产布局不合理有直接关系，一方面由于橘农缺乏科学知识和正确的引导，造成施肥和病虫害防治的盲目性；另一方面柑橘生产在宏观上缺乏统筹规划及品种的合理布局，在不适宜栽种的地区盲目种植，造成产量低、品质差。所以采用先进的GIS技术、数据库技术、网络技术和分布式计算机等技术，研究建立柑橘生产精准化管理系统，将有利于柑橘生产的合理布局和提高柑橘生产的效率。目前，国内已经开展了这方面的研究，例如史舟等人研究建立了网络化柑橘生产布局与管理决策咨询系统2、基于GIS的县级柑橘适宜性评价咨询系统3，完成了中国南方(1：400万)和黄岩区(1：5万)两个尺度的咨询系统；徐胜祥等人研究建立了基于Web的柑橘生产专家系统4为柑橘的生产过程中病虫害防治问题提供了决策支持。由于柑橘的生长与地形、土壤、气候环境密切相关，区域性差异十分显著。这些系统也只能在特定的地区满足当地柑橘生产、管理和决策的需要。本研究结合重庆市柑橘生产管理和分布的特点，分市级、县级、乡镇、重点示范区域四个层次收集整理了与柑橘生产相关的信息。将现代信息技术、地理信息系统（GIS）技术、网络技术和柑橘生产有效的结合起来研究建立了重庆市柑橘生产精准化管理系统，探索出一条柑橘生产合理布局和在小气候区域科学管理的道路。1 研究区概况重庆市位于我国西南部，地处嘉陵江和长江交汇处，跨川中方山丘陵、川东平行岭谷和盆南边缘山地三大自然地理区。该地区以山地、丘陵为主，是我国典型的丘陵山区。属中亚热带湿润季风气候，冬暖春早、秋短夏长、雨热同季，是我国重要的柑橘产区。三峡工程竣工后形成的巨大水体产生的温室效应，使其发展柑橘产业的生态优势更加明显5。重庆市有31个区县(市)种植柑橘，集中分布在永川到巫山长江流域的l8个区县(市)，其种植面积约占全市柑橘的89，产量占75。目前，全市柑橘种植面积超过l8.23万hm2，产量超过l00万t，总产值112266.9万元6。2 系统开发平台与关键技术2.1 软件开发平台与AO技术特点在软件开发平台方面，本文选择了ESRI公司的新一代服务器产品ArcGIS Server作为整个系统的开发平台。ArcGIS Server是一个发布企业级GIS应用程序的综合平台，包含AO(ArcObjects)中心函数库。它支持的GIS软件可以集中管理并且支持多用户，从而降低在客户端机器上安装和管理桌面应用程序的成本。AO是ESRI公司开发的基于COM（Component Object Model）技术所构建的一系列COM组件集。除具备一般组件式GIS的优点外，还支持全关系数据库统一管理图形数据和属性数据，并具有支持分布式数据库操作和远程并发控制的能力。2.2 空间数据库引擎技术多比例尺地理空间数据，涉及到图形数据、属性数据、DEM 数据和图像等，将复杂的空间数据存储在关系数据库中，是目前的研究热点7。但是多尺度空间数据库分布式存储与管理的理论和技术强调空间特性及拓扑关系，这些在关系数据库中是难以直接表示和查询的，所以本文在采用大型关系数据库Oracle的基础上，引入了空间数据库引擎（SDE）技术。空间数据引擎（SDE）位于关系数据库管理系统和客户端GIS应用软件的中间层，它遵循两方面的标准，即数据库标准和GIS标准。它采用高效空间目标模型对空间实体进行完整组织，避免了大数据量情况下，按照传统拓扑模型组织数据时所需要的大量的硬盘访问操作。2.3 空间元数据技术空间元数据（Metadata），是关于地理空间数据的描述性信息，它反映了空间数据自身的特征规律，实现空间数据的规范化管理，使用户对空间数据进行准确、高效和充分的开发和利用8。所以通过空间元数据能较好地解决现有的柑橘生产管理相关数据格式不统一的问题，将不同地区、不同部分的各种类型的数据有效地组织起来，实现数据的共享。3 系统设计3.1 系统结构设计重庆市柑橘果园管理系统的总体框架结构按纵向来分如图1所示，系统由三个主体部分组成：数据库、模型库、柑橘GIS基础信息共享平台。数据库为整个系统提供数据支持，包括空间数据、属性数据、多媒体数据；模型库为柑橘布局和生产过程中的各种问题进行规划、预测、分析和评价。柑橘GIS基础信息共享平台又包括市级、区县级、乡镇级和重点示范区域的各级精准化管理系统。市级柑橘生产精准化管理系统数据管理功能数据查询分析功能专题地图制图功能用户管理功能模型管理功能乡镇级柑橘生产精准化管理子系统数据查询分析功能专题地图制图功能重点示范区域数据查询分析专题地图制图三维展示区县柑橘生产精准化管理子系统数据更新功能数据查询分析功能专题地图制图功能县级用户管理功能模型管理功能数据库（空间数据、属性数据、多媒体数据）模型库（预测、规划、分析、评价）管理管理管理 Internet Internet Internet 图 1 系统总体框架Fig.1 System general framework3.2 数据的组织与数据库的建立3.2.1数据的组织（1）空间数据的组织通过原始地图扫描数字化、已有数字化图层完善、野外调绘、GPS观测点和遥感等手段，比较全面地收集整理了与柑橘生产相关的各种数据，数据以市级区县乡镇重点示范区域四个层次进行组织，市级空间数据的比例尺为1：25万，区县级空间数据比例尺为1：10万，乡镇级空间数据比例尺为1：1万，对于重点示范区域则采用的是1:2000的大比例尺空间数据。空间数据库包括基础信息数据、地形数据、大气环境数据、土地利用现状数据、土壤养分信息数据、实验点观测数据、重点示范区域三维果园图等。其中基础信息数据包括行政区划图（市、县（区）、镇（乡）、村四级行政边界）、水系分布图和道路分布图；大气环境数据主要包括年均温、日照、降水、春旱、伏旱、夏旱、二氧化硫、氮氧化物、氟化物以及悬浮颗粒物的采样点空间插值图，这些插值图都是由相应的采样点（GPS定位）测试数据得到；土壤养分信息数据包括土壤类型分布图、土壤养分含量分布图，如有效氮、有效磷、有效钾、土壤pH值等分布图，数据来源于第二次土壤普查；实验点数据则包括大气实验点、灌溉用水、坡面取样点、新果园土样、老果园土样等。重点示范区域三维果园图（如图2），则是利用地理信息系统软件将通过实地调绘的所得的1：2000地形图处理生成的，真实再现了果园的三维地貌，并可对果树进行定位分析。图 2 三维果园效果图Fig.2 Effect picture of three-dimensional orchard（2）属性数据与多媒体数据属性数据库则包括地区编码库、柑橘栽培技术、病虫害库、品种库、灾情库、农情库、柑橘生长最适宜的土壤养分指标库、柑橘生长最适宜的大气条件指标库。多媒体数据包括病虫害、果树等一些图片数据和果园保花保果、果园土肥水管理、柑橘扭枝、果园的建立等一些影音资料，可为橘农和农技人员随时提供良好的声像教材服务。3.2.2数据库的建立数据库的建立如图3所示，分为空间数据库建立和属性数据库建立。空间数据库的建立主要是对纸制图件扫描并矢量化，为了保证数据的精度，地形图和土地利用现状图等采用的是屏幕鼠标跟踪的矢量化方法(基础图件是TIF格式的数字文件)，对数据进行分层录入。然后，在ArcMAP中对录入的数据进行编辑，最大可能地改正录入中的错误。对编辑完毕的数据进行Build或Clean操作，若无错误则完成拓扑的建立，然后入库。对于属性数据的建立，首先是对已有的数据收集整理，纸制数据需要手工录入，然后进行核对，改正录入中的错误，完成后入库。最后需要做的就是建立空间数据和属性数据的连接。在相关数据的属性表中增加一个关键字段，该字段作为空间数据和属性数据连接的标识符，通过识别该字段来完成连接。图3 数据库建立流程图Fig.3 Flow chart of databases establishing3.3功能设计3.3.1 用户管理市级柑橘生产精准化管理系统和区县柑橘生产精准化管理子系统都有用户管理功能，市级柑橘生产精准化管理系统中的用户管理功能存在两种类型的用户，即系统管理员和区县管理员，在此系统管理员可以对区县管理员进行添加、删除、修改。在各个区县子系统中也只存在两类用户，即区县管理员和柑橘科研服务人员。区县管理员可以对柑橘科研服务人员进行添加、删除、修改。但是系统管理员不能跨级对柑橘科研服务人员数据进行操作。3.3.2 数据管理数据管理主要涉及到数据的更新问题。数据更新服务采用局部、分散更新的原则，以用户授权的方式，给分散在研究区域内的柑橘科研服务人员一定的权限对小范围的图形数据、属性数据以编辑，更改，添加等操作。一经授权，柑橘科研服务人员就可以在客户端直接对一定范围的数据进行维护，同时系统自动记录维护人员的信息。拥有最高权限的系统管理员和各区县管理员（仅对本区县的数据具有操作权限）可以根据这些信息来源随时监控数据的更新情况，如果哪一部分的数据出了问题可以及时的找到相关的操作人员进行解决。3.3.3 数据查询与分析根据用户需求，任意查询某一样点或图斑的属性。也可以通过属性数据来反查空间数据，检索出相应的图形信息。同样的，该系统还将为用户提供空间数据多层面叠加分析、缓冲区分析、选址分析等多种空间分析。3.3.4 专题制图针对某一区域的数据进行统计分类，将最后统计分类所得的数据按不同范围设定颜色，用户就可以制作个性化的专题地图。另外，用户对某一区域的专题信息制作专题图表：包括柱状图、饼状图、折线图等。专题地图服务在柑橘生产精准化管理中的应用非常广泛。例如在某种病虫害的统计中，利用柱状图能够很形象的表现出病虫害的增长比例和数量在不同地区之间的差异。3.3.5 模型管理通过对地形图、土壤类型、土壤Ph值、年均温、年积温等图叠加分析和柑橘生长最适宜的土壤养分指标库、柑橘生长最适宜的大气条件指标库中的内容综合研究，建立了柑橘布局适宜性评价模型，根据该模型可划分出柑橘生产适宜区（例图4），也可对现有的柑橘布局进行评价，提出改良方案。通过分析和提炼柑橘栽培理论与技术方面的大量文献资料，结合田间试验, 综合研究解析了柑橘一大气一土壤，生理和生态过程之间的动态关系，建立了基于柑橘生理和生态过程的生长模型。该模型可以预测不同品种柑橘在不同的大气环境不同土壤条件下的生长、发育、产量和品质的形成情况。图4 重庆市柑橘生长适宜区Fig.4 Fitting area of citrus planting in Chongqing4 结语柑橘生产精准化管理系统的建立，一方面使得柑橘生产管理更趋于定量化和定点化；另一方面使得成果的表达和用户的使用更为方便、直观，成果更新变得更方便。在这项研究中所建立的大量的基础数据也是重庆市其他农业资源信息化建设的宝贵资料，整个信息系统的建立也