精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)分布式數(shù)據(jù)采集與空間決策分析系統(tǒng)的設(shè)計

　　摘要；田間數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與處理是實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，長期以來，困擾該環(huán)節(jié)的一個技術(shù)瓶頸是客戶端實時數(shù)據(jù)采集與服務(wù)器端聯(lián)動式?jīng)Q策的一體化處理，本文利用AreIMS的技術(shù)框架，利用AreXML語言，開發(fā)了適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)分布式數(shù)據(jù)采集、可獨(dú)立運(yùn)行，能實現(xiàn)空間決策分析的技術(shù)系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)語處理、信息分析與智能決策4個模塊組艾，本文結(jié)合該系統(tǒng)在菜西市高科技農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的應(yīng)用實例，揭示了這一系統(tǒng)的邏耕設(shè)計、物理實現(xiàn)、技術(shù)特色及主要功能。該系統(tǒng)的邏輯設(shè)計為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)園區(qū)高效采集、傳輸、處理信息和數(shù)據(jù)提供了一套可行的技術(shù)框架。

　　關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；數(shù)據(jù)采集；空間決策分析；ArcIMS

　　0引言

　　隨著人口增長對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境壓力的不斷增加，如何以最少的要素投入和環(huán)境污染實現(xiàn)最大化的產(chǎn)出越來越受到人們的重視[1]，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)由于有效地利用了現(xiàn)代信息技術(shù)，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作與管理技術(shù)，達(dá)到可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的，日益受到國內(nèi)外的重視[2-6。目前，精細(xì)農(nóng)業(yè)在中國甚至世界范圍內(nèi)還處在研究和應(yīng)用的初始階段，許多技術(shù)還不完善。其中，如何準(zhǔn)確反映參數(shù)的空間分布、如何實現(xiàn)田間信息的快速采集和處理等技術(shù)的研究在精細(xì)農(nóng)業(yè)相關(guān)的技術(shù)研究中相對滯后，需要進(jìn)一步深入研究7實現(xiàn)田間數(shù)據(jù)的快速采集和處理需要解決的一個關(guān)鍵問題是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式采集和瀏覽器對矢量數(shù)據(jù)的顯示，以實現(xiàn)聯(lián)動式?jīng)Q策[-11。本文采用ArcIMS的技術(shù)結(jié)構(gòu)體系，開發(fā)了適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程中的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[12]，通過在菜西市高科技農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的試用，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)移植性強(qiáng)，對硬件的要求低。其基于Web的特征，尤其是在數(shù)據(jù)采集與空間分析決策的實時操作，以及基于矢量的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有一定創(chuàng)新性，適宜在農(nóng)業(yè)工程設(shè)計與實踐中推廣。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)是基于Internet、面向?qū)ο蟮姆植际綌?shù)據(jù)采集、處理與智能決策系統(tǒng)。其技術(shù)內(nèi)核是ArcIMS核心技術(shù)。長期以來，數(shù)據(jù)的分布式采集與空間決策問題-直是制約精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)主要技術(shù)突破是利用ArcIMS的技術(shù)框架，解決了這一技術(shù)難題，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)采集與決策服務(wù)。

　　系統(tǒng)基本模塊有4個：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息分析模塊與智能決策模塊（圖1），數(shù)據(jù)采集模塊包括設(shè)備配置、信息讀取與格式設(shè)置3個子模塊；數(shù)據(jù)處理模塊在Web頁面上實現(xiàn)了ArcGIS的大部分空間分析功能，包括基于空間位置或?qū)傩孕畔⒌倪x擇功能，Web頁面上信息的放大、縮小與平移等，所有這些功能由3個子菜單管理：圖幅裁堿與空間合并、信息顯示、格式轉(zhuǎn)換；信息分析模塊有2個子菜單；緩沖區(qū)分析菜單與鄰域分析菜單，這兩個空間分析功能是該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析過程的基礎(chǔ)，也為該系統(tǒng)拓展其它功能奠定了基礎(chǔ)；智能決策模塊主要包括日常管理決策、優(yōu)化管理決策兩個子菜單，智能決策模塊實際上實現(xiàn)的功能是一種應(yīng)急處理，主要應(yīng)對突發(fā)事件的處理。

　　2系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與數(shù)據(jù)格式

　　利用ArcXML.語言與面向?qū)ο蟮拈_發(fā)策略，通過二次開發(fā)（利用ArcXML.編寫超文本文件，并提交到系統(tǒng)編譯，調(diào)試與運(yùn)行）實現(xiàn)了系統(tǒng)4個功能模塊的功能。為實現(xiàn)精準(zhǔn)的、基于空間的智能決策，選擇了矢量格式作為數(shù)據(jù)的存儲格式，使空間定位信息僅僅依賴于數(shù)據(jù)采集與記錄精度的制約，提高了智能決策的精度與效率。

　　2.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)充分利用了ArcIMS本身負(fù)載的客戶端功能，HTML Viewer用來獲取基于圖像的地圖和表格數(shù)據(jù)，通過它可以實現(xiàn)圖形和屬性的交互，并可以嵌入到任何HTML站點來為用戶提供動態(tài)、集中、互動的地圖服務(wù)。Java Viewer包含了豐富的GIS工具，都支持要素流，因此可以使用一些GIS功能，如移動地圖顯示窗口、查詢空間及屬性數(shù)據(jù)等。當(dāng)使用的是標(biāo)準(zhǔn)客戶端瀏覽器，且在服務(wù)器端設(shè)定該頁面使用Feature Service時，上述兩個功能的實現(xiàn)可以分兩種情況：

　　1）如果操作所需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳遞給客戶端并位于客戶端緩存中了，則依靠瀏覽器自身讀取數(shù)據(jù)并按照要求予以顯示；

　　2）如果數(shù)據(jù)還沒有或者沒有完全傳遞給客戶端，則客戶端向服務(wù)器發(fā)送新的請求，完成這一操作。當(dāng)在服務(wù)器端設(shè)定該頁面使用Image Service時，則每一次操作都要向服務(wù)器發(fā)送新請求，由服務(wù)器生成新的圖像傳回客戶端予以顯示，如緩沖區(qū)分析、距離量算、增加諸如文本、圖像或圖形一類的Map Notes，都可以傳到客戶端并顯示在地圖上，以供實時察看。同時，該系統(tǒng)還可以創(chuàng)建Edit Notes，保存成地圖的空間和屬性數(shù)據(jù)并提交服務(wù)器，向服務(wù)器端提供決策信息。由于所采集的數(shù)據(jù)都是基于空間的，這為實時空間定位與對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化表征提供了一個運(yùn)行效率高、操作簡便的接口.AreXML.技術(shù)在系統(tǒng)中作為一條“鏈子”，把客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器端、空間數(shù)據(jù)服務(wù)器端緊密鏈接在一起。

　　2.2矢量數(shù)據(jù)格式

　　系統(tǒng)使用Shape File的數(shù)據(jù)文件格式.具體數(shù)據(jù)的調(diào)用過程是Feature Server服務(wù)器從Shape文件數(shù)據(jù)集讀取數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮和流化的矢量格式（ArcXML）傳t i；Query Serve查詢功能用來返回對空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果。系統(tǒng)同時利用了Extract Server的功能，根據(jù)客戶端的請求，從服務(wù)器端（Shape文件）抽取指定的數(shù)據(jù)，把該數(shù)據(jù)以壓縮過的Shape文件格式返回給客戶端，就可以實現(xiàn)信息的職能決策。

　　3系統(tǒng)功能與應(yīng)用實例

　　萊西市高科技農(nóng)業(yè)示范園區(qū)占地320畝，其中40畝的花卉和苗圃作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)，本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是為實現(xiàn)該苗圃的精準(zhǔn)種植、信息化管理服務(wù)?；ɑ堋⒕G化林木對土壤的要求較高，土壤的環(huán)境、質(zhì)地以及微量元素的含量直接影響了花卉和林木的生長狀況。土壤信息的采集和花卉、苗木的生長狀態(tài)實時監(jiān)測是該系統(tǒng)在功能設(shè)計上優(yōu)先考慮的重點。從土壤信息的采集上看，該系統(tǒng)可以采集土壤無機(jī)鹽、金屬離子、陰陽離子及其酸堿度信息，并將該信息與樣點的位置信息結(jié)合起來（表1），為精準(zhǔn)決策提供基礎(chǔ)信息。

　　4 結(jié) 論

　　本文利用ArcIMS的技術(shù)框架，設(shè)計了適用于精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)分布式數(shù)據(jù)采集和可獨(dú)立運(yùn)行并可輔助空間決策 分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)具有幾個突出優(yōu)點：第一，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 上屬于一個分布式系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息的分布式采集、實 時傳輸與實時決策。第二，系統(tǒng)所有采集到的數(shù)據(jù)都附 有高精度的空間位置信息，空間位置信息與屬性信息的 集成采集與傳輸不僅提高了數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男?，?時保障了系統(tǒng)的實時決策能力。第三，該系統(tǒng)實現(xiàn)了從 客戶端的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)椒?wù)器端的集成、智能決 策、反饋與實時調(diào)控的一體化作業(yè)流程。 系統(tǒng)具備較強(qiáng)的應(yīng)用性，可以實現(xiàn)田塊內(nèi)動態(tài)信息 的實時監(jiān)測，并依賴該系統(tǒng)實現(xiàn)實時決策和動態(tài)調(diào)控。 該系統(tǒng)可以用于田塊內(nèi)病蟲害發(fā)生、對土壤信息、作物 的生長態(tài)勢等進(jìn)行監(jiān)測，為精確把握作物的生長狀態(tài)， 合理地調(diào)控整個生長過程提供決策參考。

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