基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統研究.pdf

江西農業(yè)學報 2021 33 12 77 83 Acta Agriculturae Jiangxi DOI 10 19386 j cnki jxnyxb 2021 12 012 收稿日期 2021 06 09 基金項目 江西現代農業(yè)科研協同創(chuàng)新專項 JXXTCX201801 02 江西省重大科技研發(fā)專項 20203ABC28W014 江西省重點研發(fā)計 劃 20202BBF62004 江西省中央引導地方科技發(fā)展專項資金 20211ZDF04022 作者簡介 嚴志雁 1982 男 江西南康人 助理研究員 碩士 主要從事農業(yè)信息技術研究 通信作者 陳桂鵬 基基于W ebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統研究 嚴志雁1 2 吳輝3 丁建1 2 趙曉東4 陳桂鵬1 2 朱敏5 1 江西省農業(yè)科學院農業(yè)經濟與信息研究所 江西南昌330200 2 江西省農業(yè)信息化工程技術研究中心 江西南昌330200 3 江西省自然資源測繪與監(jiān)測院 江西南昌330000 4 井岡山農業(yè)科技園管理委員會 江西吉安343016 5 景德鎮(zhèn)市農業(yè)經營管理站 江西景德鎮(zhèn)333000 摘 要 針對農業(yè)園區(qū)生產管理和服務的需求 開發(fā)了基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統 系統采用 Openlayers開發(fā)WebGIS前端 實現地理圖形展示繪制和屬性處理等功能 以Geoserver和PostGIS作為地圖服務 器 MySQL為業(yè)務數據庫系統 采用Java開發(fā)服務器管理端應用系統 實現了農業(yè)園區(qū)生產的數字化管理 分 析和信息服務 該系統功能模塊包括資源維護 業(yè)務管理 統計信息 農技信息服務和系統管理 目前 該系統 已在江西省農業(yè)科學院高安農業(yè)園區(qū)示范應用 結果表明 該系統可實現農業(yè)園區(qū)的高效管理和農技服務的 信息透明 對轉變農業(yè)生產和管理方式具有重要意義 關鍵詞 WebGIS 數字農業(yè) 農業(yè)園區(qū) 中圖分類號 S126 文獻標志碼 A 文章編號 1001 8581 2021 12 0077 07 Research on Digital Agricultural Park Information System Based on W ebGIS YAN Zhi yan1 2 WU Hui3 DING Jian1 2 ZHAO Xiao dong4 CHEN Gui peng1 2 ZHU Min5 1 Institute of Agricultural Economics and information Jiangxi Academy of Agricultural Sciences Nanchang 330200 Chi na 2 Jiangxi Province Engineering Research Center of Information Technology in Agriculture Nanchang 330200 China 3 Jiangxi Institute of Natural Resources Surveying and Monitoring Nanchang 330200 China 4 Jinggangshan Agricultural Science and Technology Park Management Committee Ji an 343016 China 5 Jingdezhen Agricultural Management Station Jing dezhen 333000 China Abstract According to the demand of management and service in agricultural park a digital agricultural park information system was developed based on WebGIS The system uses Openlayers to develop WebGIS application realizes the functions of ge ographic graphics display and drawing and attribute processing takes GeoServer and PostGIS as map server MySQL as business database system uses Java to develop server management application system and realize the digital management analysis and in formation service of agricultural park The system function modules include resource maintenance transaction management sta tistical information agricultural technology information service and system management The system has been applied in Gao an agricultural park of Jiangxi academy of agricultural sciences The results show that the system can realize the efficient management of agricultural park and the information transparency of agricultural technology service which is of great significance to the trans formation of agricultural production and management mode Key words WebGIS Digital agriculture Agricultural park 現代農業(yè)園區(qū)就是以實現農民富裕為主要目 標 以高科技為依托 市場信息為導向 農業(yè)資源 的高效持續(xù)利用為根本 集高效種養(yǎng) 加工配銷 示范推廣等于一體的現代農業(yè) 1 是傳統農業(yè)向 現代農業(yè)轉型的重要農業(yè)生產組織形式 隨著3S 全球定位系統GPS 地理信息系統GIS 遙感RS 技術的發(fā)展 應用3S技術建立面向農業(yè)園區(qū)管理 和農業(yè)信息服務系統 是實現農業(yè)園區(qū)業(yè)務信息 管理與農田數字化管理的重要手段之一 WebGIS是基于Web技術的GIS 即基于網絡 提供地理信息服務 2 國內外基于WebGIS技術 開展了農村設施 土地資源 生態(tài)系統 病蟲害的 78 江 西 農 業(yè) 學 報33卷 監(jiān)測及管理系統應用研究 Costantino等建立了集 區(qū)域地圖 正射影像 景觀規(guī)劃等數據的WebGIS 平臺 3 Binh等建立了一種對鹽水入侵現象數據 的存儲 管理 分析和可視化的WebGIS方法 4 張 學利等采用云計算技術搭建了農業(yè)綜合信息服務 應用系統 實現了農業(yè)用地資源 土地利用現狀 水資源分布 氣象信息等農業(yè)資源的管理與共享 查詢 5 Pan等基于WebGIS 快速響應編碼 射頻 識別等技術 建立了農田土壤重金屬污染風險評 價決策支持系統 6 黃沖等開發(fā)了多種作物重大 病蟲害的數字化監(jiān)測預警系統 包含基于WebGIS 的農作物重大病蟲害監(jiān)測預警 情報信息發(fā)布等 功能 7 盡管WebGIS在農業(yè)應用上已有研究 數字農 業(yè)園區(qū)發(fā)展存在以下幾個方面的問題 1 缺少土 壤 氣象 地圖等園區(qū)的基礎數據 缺乏支撐數據 管理 分析及可視化的工具 2 側重政務管理及 信息宣傳 8 缺少面向入駐園區(qū)企業(yè)的農技信息 服務模型 園區(qū)對切合生產實際 系統化的數字 化管理和服務系統有著強烈的市場需求 本文針對農業(yè)園區(qū)管理和服務信息化需求 提出了基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)建設方案 設 計了園區(qū)資源與業(yè)務管理 農業(yè)環(huán)境監(jiān)測數據的 查詢分析 報警 挖掘和水稻施肥推薦等功能 以 期為數字農業(yè)在農業(yè)園區(qū)管理和服務上的深入應 用提供信息系統工具 1 系統設計 1 1 需求分析 數字農業(yè)園區(qū)的建設目標是實現農業(yè)園區(qū)生 產的數字化管理 分析和信息服務 9 農業(yè)園區(qū) 管理機構負責建立和管理園區(qū)資源數據集 通過 人工測量 物聯網監(jiān)測等多種手段相結合的方式 采集了地理空間 農田環(huán)境等數據 園區(qū)入駐企業(yè) 等實體向園區(qū)管理機構租用園區(qū)土地 購買水電 等資源 系統需要實現園區(qū)土地租用 物業(yè)管理及 水電管理等業(yè)務管理 面向園區(qū)入駐企業(yè) 園區(qū)管 理機構還需開展預報警 施肥推薦及栽培技術推 薦等信息服務 數字農業(yè)園區(qū)信息系統的使用人 是農業(yè)園區(qū)資源供需主體 通過農業(yè)園區(qū)資源供 需主體的角度分析系統的功能定位 圖1 分析農 業(yè)園區(qū)管理和服務信息化實現方式 得到園區(qū)管 理服務信息系統功能需求 圖2 圖1 用戶用例 圖2 園區(qū)管理服務系統功能需求體系結構 1 2 數據來源 采集的數據資料包括以下4個方面 1 空間 數據 通過航拍制作正射影像 在QGIS Desktop 3 14 16軟件中進行數據編輯 制作土地利用圖 保存為shapefile文件 包括道路 水系數據 農田數 據 農田數據將園區(qū)的土地類型進行了詳細劃 分 包括連棟大棚 茶園 林地 稻田 旱地等多個 圖層 屬性數據通過對農業(yè)園區(qū)實地采集獲得 以PostgreSQL 9 6 PostGIS 2 5 3為空間及其屬 12期嚴志雁等 基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統研究79 性數據庫管理平臺 2 土壤數據 園區(qū)地塊土壤肥力數據由實 地采樣后化學分析測得 然后導入空間數據庫 3 設施設備數據 物聯網設備包括大田物 聯網傳感器 小型氣象站等 設施包括連棟大棚內 的控溫 灌溉 監(jiān)控 通風 水肥一體化設施 采集 的農田環(huán)境數據包括氣溫 降水 風速 土壤溫度 土壤含水率等 直接通過網絡存入服務器數據 庫中 4 農業(yè)園區(qū)資源 業(yè)務管理數據 現場人工 采集農田租賃 種植作物數據等園區(qū)資源數據 以 獨立表格存儲 并將園區(qū)資源及其業(yè)務管理與空 間數據關聯 1 3 系統框架結構 針對數字農業(yè)園區(qū)的需求 系統在總體功能 上主要分為 資源維護 業(yè)務管理 統計信息 農技 信息服務和系統管理等5個部分 圖3 資源維 護功能包含園區(qū)內的土地資源信息 物聯網設備 水電煤表等信息 業(yè)務管理功能包括土地租用 物 業(yè)管理 水電煤管理等業(yè)務 農技信息服務功能包 含墑情報警和水稻施肥推薦 統計信息包括地塊 信息統計 用水用電信息統計 租金統計等 土地 利用現狀信息 物聯網監(jiān)測點位數據 區(qū)域監(jiān)測專 題圖等地圖的顯示均由WebGIS技術實現 區(qū)域 監(jiān)測專題圖則是根據由點到面的區(qū)域模擬結果 動態(tài)生成 在線顯示區(qū)域監(jiān)測結果信息 并通過風 險模型計算相應的監(jiān)測風險 實現報警功能 圖3 系統總體功能模塊設計 1 4 平臺開發(fā)語言及工具技術 系統Web前端開發(fā)使用Html JavaScript等語 言 采用Openlayers 4 6作為地圖前端開發(fā) 實現 地理數據展示 圖形繪制 屬性處理等功能 以Ge oserver 2 14和Tomcat 7 0作為地圖和Web服務 器 服務器后臺應用采用Java語言進行編譯 業(yè)務 數據庫系統采用MySQL 5 6 空間數據庫采用 PostgreSQL 9 6和PostGIS 2 5 2 系統農技信息服務中分析模塊的構建 2 1 基于克里金插值的土壤墑情報警 為實現對整個園區(qū)土壤墑情報警的精準服 務 本文在試驗園區(qū)中部署了作者團隊自行研發(fā) 的農業(yè)環(huán)境傳感器 10 用于監(jiān)測包括土壤含水率 等數據的農田環(huán)境信息 為使土壤墑情點狀監(jiān)測 數據轉變?yōu)槊鏍顢祿?需要對離散監(jiān)測點數據進 行空間插值 本文采用克里金插值法對土壤墑情進行插 值 克里金插值法是一種部分空間插值法 是基于 區(qū)域化變量的可用數據和變差函數的結構特征 來估計區(qū)域化變量值的最佳線性無偏方法 11 設 研究區(qū)域為A 研究區(qū)域物理屬性Z x A x為 空間坐標 Z xi 為采樣點xi i 1 2 n 處的 物理屬性 坐標點x0處屬性Z x0 估計值計算見 式 1 12 Z x0 n i 1 iZ xi 1 i i 1 2 n 為待求權系數 Z x 滿足 在無偏條件下使估計方差達到最小假設 即滿足 下面2個假設 1 Z x 的數學期望存在且等于常 數 2 Z x 協方差Cov x0 xj 存在且只與2點之 間的相對位置有關 即協方差存在且平穩(wěn) 依據 無偏性要求 及在無偏條件下使方差最小 可得系 數 i i 1 2 n 求解方程組式 2 n i 1 iCov xi xj Cov x0 xj n i 1 i 1 i j 1 2 n 2 80 江 西 農 業(yè) 學 報33卷 其中 為拉格朗日乘子 土壤含水率是土壤水分平衡中重要的供給 項 作物都有生物學土壤含水率的上下限 超過土 壤含水率范圍 作物生長將會受到極大的限制 依 據作物最適宜土壤含水率 分為4個等級 采用模 糊隸屬度法將墑情風險進行分級 13 得到作物墑 情風險值 風險最大為1 最小為0 計算見式 3 F i 1 Zi Zkmin Zi Zkmax 1 2ZiZk max Z k min 1 2 Zkmin Zi Zk max 3 其中 i為地圖上的地塊編號 F i 為地塊i的 墑情風險 Zi為地塊i的實測土壤含水率 k為作 物類型 Zkmax Zkmin分別為作物k生物學土壤含水率 的上下限 2 2 基于地塊信息的水稻氮肥施用推薦 試驗園區(qū)主要農作物水稻的產量在很大程度 上受土壤肥力的影響 各個經營主體的施肥方法 仍然是憑經驗 往往施肥過度 既增加成本又污染 環(huán)境 因此 依據園區(qū)地塊數據和氮肥推薦模型 給園區(qū)經營主體提供施肥方案十分必要 14 17 氮肥用量計算方式見式 4 Ni Si W Y X E 4 其中 Ni是地塊i所需施氮肥的數量 kg Si 地塊i的面積 W為1 kg稻谷產量需從土壤的吸氮 量 kg 早稻W 0 02 晚稻W 0 022 Y為目標 產量 kg hm2 X為基礎產量 kg hm2 即不施肥 情況下水稻的產量 本文X取4665 kg hm2 18 E 是土壤氮吸收率 與土壤質地有關 一般沙土為 30 壤土為35 黏土為40 3 系統實現 3 1 系統基礎功能實現 3 1 1 資源管理功能 資源管理功能模塊為提 供園區(qū)資源的數據管理功能 管理數據內容包括 以下4個方面 1 土地利用現狀數據 提供數據接口 用于 系統關聯園區(qū)地塊數據 土地利用現狀數據通過 土地利用圖導入得到 地圖數據變更在系統外部 采用專業(yè)GIS軟件實現 支持對地塊土壤肥力數 據的編輯 土地利用現狀管理界面見圖4 系統以 列表形式管理地塊的土壤肥力數據 包括pH值 有機質 全氮 全磷 全鉀等指標 2 土地承租戶數據 提供對園區(qū)內土地使 用企業(yè)的管理 支持對企業(yè)及其聯系人員的編輯 系統以列表形式管理入駐園區(qū)所有企業(yè)信息 包 括企業(yè)名稱 法人 田間管理員 聯系方式等 圖4 土地利用現狀數據 3 田租 物業(yè)費 水電費標準數據 提供對園 區(qū)資源服務收費標準的管理 為園區(qū)物業(yè)管理模 塊及收費催繳系統提供數據支撐 4 關聯小型氣象站 物聯網傳感器節(jié)點等設 備 系統提供對園區(qū)小型氣象站 物聯網監(jiān)測節(jié) 點設備的管理配置和數據對接 物聯網監(jiān)測點設 備的新建或更新 采用OpenLayers提供的圖形新 建或刪除功能實現 具體方法 通過OpenLayers的 ol interaction Draw函數畫出Point類型的features 利用WFS服務將新建或變更的features 并提交到 GeoServer進行保存 物聯網監(jiān)測點設備通過GPRS將監(jiān)測信息 空 氣溫度和濕度 光照 土壤溫度 土壤含水率 電導 率 pH值等 上傳至服務器數據庫 在設備管理模 塊中將物聯網監(jiān)測點設備ID和圖上新建點的ID 關聯 并將監(jiān)測點信息在圖上顯示 3 1 2 業(yè)務管理功能 業(yè)務管理功能模塊以列 表形式提供對園區(qū)土地租用 房屋租用 物業(yè) 水 電等業(yè)務管理 列表中操作列所包含的功能 新 建 查看 編輯 刪除 短信提醒 以土地租用為 例 建立了土地租用管理的概念模型 圖5 1 土地租用管理 用于管理土地租用業(yè)務 業(yè)務信息包括地塊編碼 承租人 用途 租金 起租 時間 到期時間 可對土地進行新建租約和續(xù)租 可對即將到期租約進行短信提醒續(xù)租 土地租用 管理界面如圖6所示 2 水電燃氣管理 用于管理園內水電燃氣 費用管理業(yè)務 業(yè)務信息包括序號 表號 使用人 12期嚴志雁等 基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統研究81 單價 數量 上期表數 本期表數 抄表日期 繳費狀態(tài)等 圖5 土地租用管理E R模型 圖6 土地租用管理界面 3 物業(yè)管理 用于管理物業(yè)費用收取業(yè)務 業(yè)務信息包括房屋編號 承租人 費用類型 費用 賬單日期 繳費日期 4 通知管理 用于管理園區(qū)內廣播信息的 編輯與發(fā)送 業(yè)務信息包括序號 姓名 電話號碼 簡要說明 是否發(fā)送成功 如通知發(fā)送失敗 系統 可進行重新發(fā)送 部分通知業(yè)務流程如圖7所示 圖7 推薦施肥及墑情風險通知流程 82 江 西 農 業(yè) 學 報33卷 5 園區(qū)安防 用于管理園區(qū)所有視頻攝像 頭及其數據對接 通過點擊選中攝像頭列表中某 個攝像頭 即可顯示該攝像頭的畫面 3 2 農技信息服務應用 3 2 1 土壤情況查詢 系統實現了地塊土壤養(yǎng) 分數據的查詢 包括氮 磷 鉀 有機質 pH值等綜 合養(yǎng)分信息 土壤養(yǎng)分情況如下圖8所示 可生成 土壤養(yǎng)分數據的養(yǎng)分變更趨勢折線圖 便于進行 不同年份的對比分析 應用操作實現了通過鼠標 點選 條件查詢方式激發(fā)地塊屬性信息條件查詢 系統通過專題圖給出了地塊土壤養(yǎng)分數據 圖9 圖8 點選查詢土壤養(yǎng)分數據 圖9 有機質分布 3 2 2 墑情報警 本文采用基于物聯網的土壤 墑情傳感器監(jiān)測園區(qū)土壤數據 可采集到地下5 40 cm深的土壤墑情 19 監(jiān)測點數量10個 為估 測整個園區(qū)的墑情 需將物聯網監(jiān)測點實時墑情 數據與空間數據的融合 運用式 1 式 3 的插 值算法計算整個園區(qū)墑情的相應數據 做出作物 旱情等級預警 形成整個園區(qū)的墑情專題圖 圖 10 然后通過短信系統將報警信息發(fā)送至田間管 理員 圖10 墑情風險分布 3 2 3 水稻田施肥推薦 結合園區(qū)水稻田塊數 據 運用式 4 的推薦算法 計算整個園區(qū)內水稻 田塊施肥數據 得到水稻田氮肥施肥推薦專題圖 圖11 最后將每個田塊的施肥數據通過短信系 統發(fā)送至田塊管理員 圖11 水稻田施氮量推薦 4 結論 實現農業(yè)數字化管理 信息化服務是現代農 業(yè)的基本要求 本文結合農業(yè)園區(qū)管理需求 以實 現精準農業(yè)為目的 以園區(qū)資源和業(yè)務管理可視 化應用系統為主要研究對象 提出并實現了基于 WebGIS的農業(yè)數字園區(qū)系統 主要內容有 對農 業(yè)園區(qū)內物聯網監(jiān)測點數據進行了空間插值 建 立了園區(qū)墑情報警模型 完成了基于地塊信息的 水稻氮肥施用推薦 系統實現了農業(yè)園區(qū)資源 業(yè) 12期嚴志雁等 基于WebGIS的數字農業(yè)園區(qū)信息系統研究83 務的數字化管理 采用WebGIS技術實現了園區(qū)土 地利用現狀 土壤性狀 墑情及施肥推薦的可視 化 該系統在江西省農業(yè)科學院高安試驗基地園 區(qū)進行了試驗 提高了農業(yè)園區(qū)管理的信息化水 平 面向園區(qū)企業(yè)提供預警及農技信息服務 本系統仍需將農業(yè)環(huán)境信息與作物栽培學結 合做更深入的研究分析 才能實現更精準的預警 信息服務 還需逐步增加作物種類 施肥 施藥等 農技信息服務內容 進一步提高農業(yè)園區(qū)業(yè)務管 理 生產指導和決策支持的信息化水平 參考文獻 1 魏德功 現代農業(yè)的基本內涵與現代農業(yè)園區(qū)建設 J 改革與戰(zhàn)略 2005 10 28 32 2 馬林兵 張新長 伍少坤 WebGIS原理與方法教程 M 北京 科學出版社 2010 3 Costantino D Angelini M G Alfio V S et al Implemen tation of a system WebGIS open source for the protection and sustainable management of rural heritage J Applied Geomatics 2019 12 3 41 54 4 Binh T T Ho T Long D T A WebGIS solution for esti mation landuse affected by salinity intrusion case study in Ben Tre Province Vietnam J Journal of Geographic In formation System 2020 12 3 188 201 5 張學利 馬娜 朱瑜馨 等 基于云平臺的農業(yè)綜合信息 應用系統的設計與開發(fā) J 地理空間信息 2019 17 2 27 30 39 6 Pan S Wang K Li 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41 14 163 167 責任編輯 曾小軍