精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计

1、第21卷第10期2005年10月农业工程学报T ran sacti on s of the CSA E V o l .21N o.10O ct .2005精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计仇焕广1,2,邓祥征1,2,战金艳1,郭兆成1(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.中国科学院农业政策研究中心,北京100101摘要:田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节。长期以来,困扰该环节的一个技术瓶颈是客户端实时数据采集与服务器端联动式决策的一体化处理。本文利用A rc I M S 的技术框架,利用A rcX M L 语言,开发了适用于精准农业分布式数

2、据采集、可独立运行、能实现空间决策分析的技术系统。系统由数据采集、数据处理、信息分析与智能决策4个模块组成。本文结合该系统在莱西市高科技农业示范园区的应用实例,揭示了这一系统的逻辑设计、物理实现、技术特色及主要功能。该系统的逻辑设计为精准农业园区高效采集、传输、处理信息和数据提供了一套可行的技术框架。关键词:精准农业;数据采集;空间决策分析;A rc I M S中图分类号:T P 274.2文献标识码:A 文章编号:100226819(20051020109204仇焕广,邓祥征,战金艳,等.精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计J .农业工程学报,2005,21(10:109-112.

3、Q iu H uanguang ,D eng X iangzheng ,Zhan J inyan ,et al.D esign of a distribu ted data acqu isiti on and spatial decisi on m ak ing system fo r p recisi on agricu ltu re J .T ran sacti on s of the CSA E ,2005,21(10:109-112.(in Ch inese w ith English ab stract 收稿日期:2004212203修订日期:2005203227项目基金:国家自然科

4、学基金项目(70333001和70021001资助作者简介:仇焕广(1976-,男,汉族,山东青岛人,博士生,中国科学院地理科学与资源研究所,100101。Em ail :hgqiu .ccap igsnrr .ac .cn0引言随着人口增长对农业生产和环境压力的不断增加,如何以最少的要素投入和环境污染实现最大化的产出越来越受到人们的重视1。精准农业由于有效地利用了现代信息技术,定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理技术,达到可持续农业生产的目的,日益受到国内外的重视2-6。目前,精细农业在中国甚至世界范围内还处在研究和应用的初始阶段,许多技术还不完善。其中,如何准确反映参数的空间分

5、布、如何实现田间信息的快速采集和处理等技术的研究在精细农业相关的技术研究中相对滞后,需要进一步深入研究7,8。实现田间数据的快速采集和处理需要解决的一个关键问题是实现数据的分布式采集和浏览器对矢量数据的显示,以实现联动式决策9-11。本文采用A rc I M S 的技术结构体系,开发了适用于精准农业工程中的分布式数据采集系统12。通过在莱西市高科技农业示范园区的试用,发现该系统移植性强,对硬件的要求低。其基于W eb 的特征,尤其是在数据采集与空间分析决策的实时操作,以及基于矢量的数据传输技术具有一定创新性,适宜在农业工程设计与实践中推广。1系统总体设计系统是基于In ternet 、面向对象

6、的分布式数据采集、处理与智能决策系统。其技术内核是A rc I M S 核心技术。长期以来,数据的分布式采集与空间决策问题一直是制约精准农业发展的技术瓶颈,系统主要技术突破是利用A rc I M S 的技术框架,解决了这一技术难题,为精准农业的数据采集与决策服务。系统基本模块有4个:数据采集模块、数据处理模块、信息分析模块与智能决策模块(图1。数据采集模块包括设备配置、信息读取与格式设置3个子模块;数据处理模块在W eb 页面上实现了A rcG IS 的大部分空间分析功能,包括基于空间位置或属性信息的选择功能,W eb 页面上信息的放大、缩小与平移等,所有这些功能由3个子菜单管理:图幅裁减与空

7、间合并、信息显示、格式转换;信息分析模块有2个子菜单:缓冲区分析菜单与邻域分析菜单,这两个空间分析功能是该系统实现数据采集与分析过程的基础,也为该系统拓展其它功能奠定了基础;智能决策模块主要包括日常管理决策、优化管理决策两个子菜单,智能决策模块实际上实现的功能是一种应急处理,主要应对突发事件的处理。2系统的功能实现与数据格式利用A rcXM L 语言与面向对象的开发策略,通过二次开发(利用A rcXM L 编写超文本文件,并提交到系统编译,调试与运行实现了系统4个功能模块的功能。为实现精准的、基于空间的智能决策,选择了矢量格式作为数据的存储格式,使空间定位信息仅仅依赖于数据采集与记录精度的制约

8、,提高了智能决策的精度与效率。2.1系统功能实现该系统充分利用了A rc I M S 本身负载的客户端功能。H TM L V iew er 用来获取基于图像的地图和表格数据,通过它可以实现图形和属性的交互,并可以嵌入到任何H TM L 站点来为用户提供动态、集中、互动的地图服务。Java V iew er 包含了丰富的G IS 工具,都支持要素流,因此可以使用一些G IS 功能,如移动地图显示窗口、查询空间及属性数据等。当使用的是标准客户端浏览器,且在服务器端设定该页面使用Featu re Service 时,上述两个功能的实现可以分两种情况:1如果操作901所需要的数据已经传递给客户端并位于

9、客户端缓存中了,则依靠浏览器自身读取数据并按照要求予以显示;2如果数据还没有或者没有完全传递给客户端,则客户端向服务器发送新的请求,完成这一操作。当在服务器端设定该页面使用I m age Service 时,则每一次操作都要向服务器发送新请求,由服务器生成新的图像传回客户端予以显示,如缓冲区分析、距离量算、增加诸如文本、图像或图形一类的M ap N o tes , 都可以传到客户端并显示在地图上,以供实时察看。同时,该系统还可以创建Edit N o tes ,保存成地图的空间和属性数据并提交服务器,向服务器端提供决策信息。由于所采集的数据都是基于空间的,这为实时空间定位与对采集到的数据进行图形

10、化表征提供了一个运行效率高、操作简便的接口。A rcXM L 技术在系统中作为一条“链子”,把客户端、W eb 服务器、应用服务器端、空间数据服务器端紧密链接在一起。图1莱西市高科技农业示范园区分布式数据采集与空间决策分析系统主界面F ig .1M ain w indow of the distribu ted data acqu isiti on and spatial decisi on m ak ing systemof L aix i H igh 2tech A gricu ltu ral D emon strati on Zone2.2矢量数据格式系统使用Shap e F ile 的

11、数据文件格式。具体数据的调用过程是Featu re Server 服务器从Shap e 文件数据集读取数据,并转换为经过数据压缩和流化的矢量格式(A rcXM L 传递给客户端;Q uery Server 查询功能用来返回对空间和属性数据的查询结果。系统同时利用了Ex tract Server 的功能,根据客户端的请求,从服务器端(Shap e 文件抽取指定的数据,把该数据以压缩过的Shap e 文件格式返回给客户端,就可以实现信息的职能决策。3系统功能与应用实例莱西市高科技农业示范园区占地320亩,其中40亩的花卉和苗圃作为精准农业示范区,本系统的设计目标是为实现该苗圃的精准种植、信息化管理

12、服务。花卉、绿化林木对土壤的要求较高,土壤的环境、质地以及微量元素的含量直接影响了花卉和林木的生长状况。土壤信息的采集和花卉、苗木的生长状态实时监测是该系统在功能设计上优先考虑的重点。从土壤信息的采集上看,该系统可以采集土壤无机盐、金属离子、阴阳离子及其酸碱度信息,并将该信息与样点的位置信息结合起来(表1,为精准决策提供基础信息。表1系统采集的部分土壤信息及其与位置信息的配准T ab le 1Spatial registrati on fo r the co llected so il info rm ati on样点编码经度 s纬度 s硫酸根阳离子阴离子pH 值铁离子5.2058.091.0

13、73.602.758.2135.14注:经度与纬度栏分别省略了120°28与36°56的经纬度信息。011农业工程学报2005年3.1系统的分布式数据采集功能基于A rc I M S 的软件的C lien t -Server 信息应答与传输机制,系统可以实现分布式数据采集。信息采集的对象包括作物生长环境、作物从播种、施肥、灌溉一直到收获的全部信息。以土壤环境参量的相关分析为例,采用该系统可以便捷地实现土壤两类信息的采集:对土壤质地、微量元素含量等一些长期相对稳定的土壤变量参数,利用基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营养元素测定仪,进行月度与季度的抽样测量,并将获得的信息输

14、入到利用GPS 获得的定位矩阵中,形成空间决策的背景知识。系统通过菜单设置,预留了与信息采集硬件的接口。实际应用中,该菜单包括了设备配置等相关配置信息,实现了与GPS 多天线数据采集与控制系统的接驳。GPS 多天线数据采集控制系统,是基于PC104嵌入式计算机控制系统。一点或者多点信息采集完成后,定位信息被转存到系统的定位矩阵中。图2显示了系统在服务器端对莱西市高科技农业示范园区一个地块进行数据采集(土壤硫酸根离子含量的实时界面。图中将探测地块的硫酸根离子的含量分成了10个级别(0.000.10,0.100.22,0.2120.32,0.320.43,0.430.54,0.540.64,0.6

15、40.75,0.750.86,0.860.97,0.971.08,并分级显示出来。从图上可以看出,探测地块的硫酸根离子的含量有从西南向东北递减的态势。对于氮、磷、钾、土壤水分等中短期土壤变量参数,系统主要利用GPS 定位实时实地监测,并 结合遥感(R S 技术和地面分析,操作中利用了光谱探测技术与遥感理论。图3显示了系统在客户端进行属性查询, 并将查询信息实时提交到服务器端,获取查询结果的过程。系统查询的是硫酸根离子含量大于0.50的地块,首先在系统的客户端设置查询设计器内输入查询条件(图3 ,然后,点击“运行”按钮,符合条件的查询结果就被汇总出来,图3显示符合条件的记录一共有9条。对土壤pH

16、 值的测量也大致遵循同样的的流程,利用GPS 获得土壤采样点的空间信息,并与利用土壤电极E W 205992262测量土壤的pH 值实现空间配准,再比对决策库中的储存的专家信息。当测定地块的土壤pH 范围在7.488.21之间,说明该地块土壤呈偏碱性,需要采取措施进行排碱。3.2系统的空间决策功能服务器端的决策信息可以实时完成,决策过程一般需要两类信息:一类是从客户端采集到的信息,另一类是智能决策模块中专家知识库中储存的专家信息。图4显示了在客户端监测到的示范田块土壤有板结迹象的地块范围。当在对土壤板结地块进行绘图时,服务器端的智能决策模块中因为储存了一条专家信息(板结:硫酸根离子浓度0.50

17、的判断信息会将图3中查询到的信息一并汇总,并一起显示到客户端(图5。这种快捷的信息采集、传输与决策机制提高了处理问题的效率,使该系统可以有效地服务于客户端的灾害防控、农事活动与作物的长势监测等。图2系统服务器端基于地块水平的数据集成F ig .2P lo t 2based data in tegrati on on Server side图3系统客户端信息查询F ig .3Q uery bu ilding w indow on C lien t side图4系统客户端监测到一定水平的硫酸根离子分布范围F ig .4M on ito ring the distribu ti on of su l

18、fatei on con ten ts on C lien t side111第10期仇焕广等:精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计 图5系统基于硫酸根离子分布水平与专家知识形成的关于土壤板结信息的判定过程F ig .5D ecisi on m ak ing p rocedu re fo r so il compacti onbased on the su lfate i on con ten ts on C lien t side4结论本文利用A rc I M S 的技术框架,设计了适用于精准农业分布式数据采集和可独立运行并可辅助空间决策分析的系统。系统具有几个突出优点:第一,在拓

19、扑结构上属于一个分布式系统,实现了信息的分布式采集、实时传输与实时决策。第二,系统所有采集到的数据都附有高精度的空间位置信息,空间位置信息与属性信息的集成采集与传输不仅提高了数据采集与传输的效率,同时保障了系统的实时决策能力。第三,该系统实现了从客户端的数据采集与传输到服务器端的集成、智能决策、反馈与实时调控的一体化作业流程。系统具备较强的应用性,可以实现田块内动态信息的实时监测,并依赖该系统实现实时决策和动态调控。该系统可以用于田块内病虫害发生、对土壤信息、作物的生长态势等进行监测,为精确把握作物的生长状态,合理地调控整个生长过程提供决策参考。参考文献1H uang J ikun ,Sco

20、tt Rozelle ,Carl P ray .Enhancing thecrop s to feed the poo r J .N atu re ,2002,418:678-684.2Zhang N aiqian ,W ang M aohua ,W ang N ing .P recisi onagricu ltu re a w o rldw ide overview J .Compu ters and E lectron ics in A gricu ltu re ,2002,36:113-132.3潘瑜春,赵春江.地理信息技术在精准农业种的应用J .农业工程学报,2003,19(4:1-6

21、.4Earl R ,T hom as G ,B lackmo re B S .T he po ten tial ro le ofG IS in au tonomou s field operati on s J .Compu ters and E lectron ics in A gricu ltu re ,2000,25:107-120.5汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新J .农业工程学报,1999,15(3:1-8.6刘爱民,封志明,徐丽明.现代精准农业及我国精准农业的发展方向J .中国农业大学学报,2000,5(2:20-25.7赵春江,薛绪掌,王秀,等.精准农业技术体系的研究进展

22、瑜展望J .农业工程学报,2003,19(4:7-12.8汪懋华.关于精细农业试验示范与发展研究的思考J .中国农业科技导报,2003,5:7-12.9孟志军,赵春江,王秀,等.基于GPS 的农田多源信息采集系统的研究与开发J .农业工程学报,2003,19(4:13-17.10阎君.地理信息共享与开放式地理信息系统技术研究J .中国图象图形学报(A 辑,1998,3(2:140-145.11孟鲁闽,朱庆伟.互联网上地理信息系统的发展J .测绘通报,2000,(7:9-10.12邓祥征,庄大方,战金艳,等.环境监测网络信息系统的开发及其应用J .地球信息科学,2002,(3:68-73.D e

23、sign of a d istr ibuted data acquisition and spati al dec isionmak i ng system for prec ision agr icultureQ iu Hua ngua ng1,2,D e ng Xia ngzhe ng 1,2,Zha n J inya n 1,G uo Zha oche ng 1(1.Institu te of Geog rap h ic S ciences and N a tu ra l R ecou rses R esea rch ,Ch inese A cad e m y of S ciences

24、,B eij ing 100101,Ch ina ;2.Cen ter f or Ch inese A g ricu ltu ra l P olicy ,Ch inese A cad e m y of S ciences ,B eij ing 100101,Ch ina Abstract :O ne of the key techno logies fo r i m p lem en ting p recisi on agricu ltu re is to co llect and p rocess ti m ely sp atial 2tem po ral info rm ati on fr

25、om vari ou s sou rces that affect crop p roducti on in the field .T hat m ean s the system m u st in tegrate the C lien ts data acqu isiti on and Servers sp atial analysis functi on s ,and tran sfer data rap idly via In ternet ,by w h ich differen t decisi on m akers can realize dynam ic comm un icati on m u tually .U sing A rc I M S te