基于WebGIS的农业空间信息管理及辅助决策系统研究_百度文库

1、中国农业工程学会 2005年学术年会论文集 145 基于 WebGIS 的农业空间信息管理及辅助决策系统研究刘小军,曹卫星,朱 艳,姚 霞,田永超(南京农业大学 /江苏省信息农业高技术研究重点实验室,农业部作物生长调控重点开放实验室,南京 210095摘 要:在总结和提炼区域农业信息管理和评价理论与技术研究成果的基础上,以 WebGIS 为空间信息管理平台,构建了种植制 度评价、农产品生态区划、农作生产潜力分析和精确农作管理的定量化动态知识模型,并运用软构件的技术特点、基于 B/S结构 的分布式网络平台,建立了网络化、数字化的农业空间信息管理及辅助决策系统。系统实现了基本地图操作、农业空间信息

2、查询 与分析、种植制度评价、农产品生态区划、农作生产潜力分析、精确农作管理、可视化输出以及系统维护等功能。以江苏省为案 例区,对系统进行了实例应用,结果表明,系统能有效地管理区域性农业空间信息,并在基于空间信息的农业生产管理决策方面 具有较好的适用性和指导性。关键词:WebGIS ; 农业空间信息;知识模型;管理;辅助决策0 引 言农业信息管理系统作为农业信息技术的载体,对 促进农业的现代化和数字化起着越来越重要的作用。 近年来,国内外已研制出多种农业信息管理系统,并 在示范应用中取得了显著的社会经济效益 13。 但是现有的农业信息管理系统主要用于传统的信息管理,不具有辅助决策功能。 近年来兴

3、起的农业管理知识模型,通过解析农业生产管理方案与环境之间的定量化关系,为区域农业的管理决策和数字化设计提供了辅助工具 4。 同时, WebGIS 和网络技术的发展为管理具有时空性和动态性特点的区域农业信息提供了良好的数据管理平台 46。目前国内外关于 GIS应用于农业信息管理系统方面的报道虽然较多 4, 7,但是综合应用WebGIS 、网络技术和知识模型等研制开发基于网络化、数字化的农业信息管理及辅助决策系统的研究尚未见报道。本研究的目的是运用系统学方法和数学建模技术,构建具有较强科学性和通用性的区域农业管理知识模型,并基于 B/S结构的分布式网络平台及 WebGIS 技术,设计开发网络化和数

4、字化的区域农业空间信息管理及辅助决策系统,为智能化、综合性农业空间信息管理提供技术平台, 促进数字农业的发展。1 系统组织结构与内容 本系统总体设计思想是采用 ASP (Active ServerPage 语 言 和 模 型 组 件 技 术 相 结 合 的 策 略 , 根 据WebGIS 的特点 8, 9,由基于 B/S结构的用户浏览层、业务服务层、 模型库和数据库服务层四层结构组成 (图1 。1.1 用户浏览层:用户浏览层即客户端,为一个标准的 Web 浏览器(如 IE/Netscape浏览器 ,用于向业务服务层提交请求,并接收和解析由服务器端返回的HTML 文件。用户浏览层和业务服务层之间

5、通过Internet 相互连接。1.2 业务服务层:业务服务层包括 Web 服务器和 GIS应用服务器。本系统采用微软 IIS 5.0作为 Web 服务器,采用北京超图公司开发的 SuperMap IS 2003软件作为 GIS 应用服务器 10, 网络化 GIS 地图应用服务功能采用 ASP 语言开发实现。图 1 系统设计思路与流程Fig.1 Layout and flow of system design146 中国农业工程学会 2005年学术年会论文集1.3 模型库:该库主要包括一套用于农业生产管理决 策的知识模型组件 (dll 。 模型组件采用 Visual Basic 6.0语言开发

6、实现,符合 COM 标准。组件注册后,就可以 在网络环境下调用。 模型的主要内容见图 2。1.4 数据库服务层:数据库服务层包括属性数据库和 空间数据库 2类数据库,两库之间通过关联字段 (SmID 来实现关联 11。属性数据库由农业资源信息等基础数据组成,包 括以下几类信息数据(表 。气象数据表 存储不同年份全年主要气象数据, 包括地区名称、 SmID 、日期、日最高气温、日最低气 温、日照时数、辐射量、降雨量、蒸发量、相对湿度、 平均风速、气温日较差及地温等。土壤数据表 存储反映不同地区土壤特征的数 据,包括地区名称、 SmID 、土壤类型、土壤肥力、土 壤含水量、有机质含量、全氮含量、速

7、效氮含量、速 效磷含量、速效钾含量、 pH 值、土壤阳离子交换量、 含盐量、 耕层深度、 物理性粘粒含量、 容重、 孔隙度、 裸土反射率、凋萎系数、田间持水量、饱和含水量、 坡度及硼含量等。品种数据表 存储不同作物品种的遗传特征参 数,包括作物名称、品种名称、品种类型、产量及产 量结构、主要品质指标、收获指数、抗病性、生育期 天数、主要种植区域及育种单位。农资行情信息表 存储农机具、农膜、肥料、农 药、种子、农用柴油等相应的价格和供应商信息。 病虫草害信息表 存储不同作物全生育期主要病 虫草害的典型发病区域、发病症状,发生规律、测报 办法及防治措施信息。农村种植经济信息表 存储农村人口、劳动力

8、, 农业各行业产值、增加值,农作物种植面积、产量、 市场价格,林业、渔业产品产值,农业生产条件,农 副产品收购价格和价格指数,农村经济收入,农民收 入、消费和生活情况及 SmID 。空间数据库主要存储描述区域所处位置的空间信 息。根据 SuperMap IS 2003软件所支持的空间数据格 式, 本系统的空间数据库由 SuperMap Deskpro桌面软 件通过电子地图应用 SuperMap SDX+引擎创建, 具体 包括面数据表和文本数据表 2类数据表。2 系统主要功能及技术原理系统实现了区域性农业空间信息的规范化管理及 不同层次下农业生产的管理决策, 包括基本地图操作、 农业空间信息查询

9、与分析、种植制度评价、农产品生 态区划、农作生产潜力分析、精确农作管理、可视化 输出以及系统维护等主要功能(图 2 。2.1基本地图操作主要包括地图的放大、缩小、漫游,面积量算、 地图编辑与地图下载等操作。2.2 信息查询与分析信息查询:系统具有 3种形式的信息查询和检索 功能,包括:(1 点 位查询。利用交互方式通过点选或拉框选择 指定位置,查询相应地理位置的信息;(2 专 题查询。可按不同的专题(品种信息、种植 信息等进行分类查询;(3 逻 辑条件查询。根据用户给定的一个或多个条 件,查询符合条件的属性信息,并在地图上标 注出符合条件的区域位置。数据分析:用户可以对查询到的农业信息数据进

10、行统计分析,如对某地某一时段内的各种积温、平均 气温、日较差等数据进行距平分析。2.3 种植制度评价该功能模块以优化利用种植业资源为目标,通过 解析和综合种植制度指标与生态环境、品种类型及社 会经济条件之间的定量化关系,构建了种植制度评价 动态知识模型,实现了以下功能。作物适应性评价:作物适应性评价是种植制度评 价和优化的前提,系统首先根据决策地的气象和纬度 数据确定该地可种植的作物;然后根据中国农业工程学会 2005年学术年会论文集 147决策地具体的光照、温度、水分、土壤及社会投 入状况等,进行具体作物的气候及土壤适应性评价, 并给出综合适应性评价结果。作物组合设计及优化:基于复种知识原理

11、,从热 量、水分和水热综合 3个水平分别计算不同熟制类型 下的复种指数,结合作物种植适应性评价结果,为用 户进行合理的作物组合设计;并根据种植业生产水平 和农产品需求,进行作物结构以及空间布局的优化。 种植制度效益分析:根据线性趋势分析等数学模 型原理, 进行种植业系统的风险分析、 比较优势分析、 种植结构及种植模式的效益分析等。 图 2 系统功能简图Fig .2 Function of WGASIMS2.4 农产品生态区划安全农产品区划:依据模糊综合评价方法,以国 家农业环境质量标准为依托,根据决策地的主要种植 方式 (水田、 旱地、 蔬菜地等 及环境质量监测数据, 为用户进行土壤、灌溉水和

12、大气环境质量评价,并能 给出综合评价结果及该地农产品生产基地环境质量优 劣的等级区划图。优质农产品区划:该功能通过对作物品质与气候 生态环境因子的相互关系予以解析和量化,以决策地 的气象数据及作物品种遗传参数为基础,再根据该品 种在决策地预期的开花和成熟期,为用户进行品质生 态预测并给出该品种在该地的品质等级区划图。 2.5 农作生产潜力分析层次生产潜力分析:该功能包括单作生产潜力分 析和多作生产潜力分析。首先根据决策地的气象、土 壤及社会投入等信息,调用生产潜力估算模型,进行 主要种植作物的光合、 光温、 社会等生产潜力的分析; 再根据该地主要的作物种植模式,进行多作生产潜力 分析。农业生产

13、力评价:基于时序和空间分析法,进行 农业生产力的效率、结构和趋势分析;以区域优势和 线性规划为优化方法,进行农业资源配置的优化。148 中国农业工程学会 2005年学术年会论文集 2.6 精确农作管理空间差异分析:对某区域状态因子在空间位置上 进行差异比较与分类,即以具体区块为空间管理的基 本单元,可以生成基于管理单元的作物生长状况、土 壤养分状况、前茬产量等分布图。管理处方生成:以土壤、气象数据及作物遗传参 数为基础,以作物管理知识模型为支撑,为用户生成 基肥处方、密度处方(包括播种量及追肥处方等。 2.7 可视化输出利用 SuperMap IS软件的网络 GIS 功能,以系统 生成的结果数

14、据为基础,结合管理区域的电子地图, 实现农业生产管理决策结果的专题图显示(包括单值 专题图、 范围分段专题图和标签专题图 , 以及统计报 表输出等功能。 2.8 系统维护系统根据不同的用户授予不同的访问权限,用户 可以在权限范围内进行数据的浏览、查询、增删及修 改等操作, 并在一定周期内进行数据的备份, 形成历 史数据的存储。3 系统实现与应用3.1 系统开发环境与工具系统在 AMD Athlon(tm XP 2500+、 1G 内存计算机, 中文 Windows 2000 Server操作平台上开发, 利用SuperMap IS 2003软件 6作为 WebGIS 开发平台,选用 SQL S

15、erver 2000设计数据库,模型组件采用 Visual Basic 6.0语言按 COM 标准进行开发,选用 ASP 语言 作为系统集成开发语言, 应用 HTML 语言进行界面设 计。3.2 系统应用以江苏省为案例区,对所建系统中的信息查询与分 析、种植制度评价、农产品生态区划、农作生产潜力 分析等功能进行了应用。首先应用 SuperMap Deskpro软件和江苏省分县市行政区划电子地图建立了江苏省 的空间数据库,以各县市的气象、土壤、品种、农村 种植经济信息等数据为基础数据建立了江苏省的属性 数据库。系统在江苏省的应用表明,系统的组织结构 和功能设计符合农业空间信息管理及辅助决策系统的

16、 规程思想,并表现出较好的可靠性和普适性。通过使 用该系统,实现了江苏省农业信息的规范化管理及高 效、便捷的查询,运用知识模型生成的决策结果与当 地常规管理方案及实际状况基本符合,且系统的决策 结果可以不同专题图和统计报表等形式进行显示。并 于 2003年在江苏省南京市江宁区土桥镇农业科技示 范区建立了精确农作管理的实例区,运用本系统对该 区进行了水稻的精确农作管理。结果表明,应用本系 统可以节本增效,示范区的总施纯氮量为 183.46 kg·ha-1,比邻近的非示范区相比节省 36.54kg·ha-1,并 显著提高了产量水平,示范区产量达到 9225 kg·ha

17、-1, 较邻近的非示范区相比增产 600 kg·ha-1,农户平均增 收 720元 ·ha-1。系统的部分应用结果如图 36所示。 图 4江苏省小麦品质区划图Fig .4 Wheat quality layout map of Jiangsu Province图 3 系统查询界面Fig .3 Query interface of WGASIMS中国农业工程学会 2005年学术年会论文集 149 4 讨论与结论4.1 讨论农业信息具有时空性和动态性的特点,农业生产 又受气候、土壤和社会经济投入等综合因素的影响, 因此科学规范地管理区域农业信息及对农业生产进行 辅助管理决策显得

18、尤其重要。为此,本文在总结、归 纳和提炼农业生产管理决策及评价理论与技术成果的 基础上,运用系统学方法和数学建模技术,构建了具 有较强科学性和通用性的区域农业管理知识模型,并 根据信息管理系统的发展趋势及农业信息的特点,构 建了基于 B/S的具有“双库”数据库结构的四层系统 结构框架,在此基础上,应用基于 SuperMap IS的 WebGIS 技术, 结合 SQL Server 2000数据库和模型组 件技术, 采用 ASP 语言作为系统集成开发语言, 设计 实现了网络化和数字化的基于 WebGIS 的农业空间信 息管理及辅助决策系统。系统实现了农业空间信息的规范化管理及高效、 便捷的查询,

19、农业生产的辅助管理决策,以及结果的 可视化输出等功能。系统所构建的定量化农业辅助管 理决策模型克服了传统农业生产管理专家系统地域性 和时间性强的弱点;采用的结构化、模块化的设计方 法,在一定程度上也克服了以往管理系统可拓展性差 的缺点;并且把 WebGIS 技术首次应用于管理具有时 空性和动态性特点的农业信息, 也是一种很好的尝试。 系统在江苏省的应用结果表明,系统符合现代农业信 息管理系统发展的要求,运行可靠、效率提高、普适 性强,能有效地管理区域性农业空间信息,并在基于 空间信息的农业生产管理决策方面具有较好的指导 性。然而由于本研究工作涉及的知识面较广,所形成 的部分应用模型还有待进一步完善,另外系统中应用的地图服务器 SuperMap IS 2003在多用户并发访问 时,存在出图速度慢等问题,今后拟采用 SuperMap IS.NET 5及 ASP.NET 开发语言对系统进行升级。总 之,通过对本系统的进一步改进和完善,系统即能满 足不同用户、不同条件下区域农业空间信息的管理及 农业生产的辅助管理决策,并最终为智能化、综合性 农业信息管理提供技术平台,促进数字农业的发展。 4.2 结论1