三維地理信息技術(shù)在現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用——以云南保山煙區(qū)為例

李 衛(wèi)，楊中義，張一揚(yáng),3*，周冀衡,3，張發(fā)明，弓新國，肖志新，胡志明

[1.云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司，昆明 650106；2.云南省煙草公司保山市公司，云南 保山 678000；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究院，長沙 410128]

信息技術(shù)在推廣煙葉生產(chǎn)新技術(shù)和提高農(nóng)民科技素質(zhì)等方面起到至關(guān)重要的作用[1-3]。2009年全國煙草工作會議提出，要積極推進(jìn)煙草產(chǎn)業(yè)與信息化相融合，要以信息化帶動煙草行業(yè)現(xiàn)代化，全力打造“數(shù)字煙草”。三維信息技術(shù)是指在矢量地圖數(shù)據(jù)管理與顯示子系統(tǒng)和多媒體信息管理與顯示子系統(tǒng)的支持下，把虛擬現(xiàn)實的理論與技術(shù)應(yīng)用到地形環(huán)境仿真領(lǐng)域形成的技術(shù)系統(tǒng)，可以提供一個三維的、動態(tài)的、可交互的模擬地形環(huán)境，提供更直觀的視覺效果，主要應(yīng)用于軍事、城市規(guī)劃、旅游行業(yè)等[4-7]。三維地形能逼真的模擬山地、丘陵、平壩、森林、河流、公路以及各種煙基設(shè)施，真實反映煙區(qū)的地理位置與地形地貌[8]；通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可以更好的管理和分析煙區(qū)生態(tài)條件、經(jīng)濟(jì)狀況和煙葉質(zhì)量[9]；通過信息監(jiān)測與控制平臺能實現(xiàn)對煙葉生產(chǎn)全過程的動態(tài)監(jiān)控與管理，實時了解煙葉生產(chǎn)狀況；通過多媒體信息發(fā)布平臺能及時發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報、病蟲害防治預(yù)報以及煙葉生產(chǎn)新技術(shù)，提供煙基建設(shè)、電子合同與煙葉收購等信息展示和各種培訓(xùn)平臺。

本研究在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、信息監(jiān)測與控制平臺、多媒體信息發(fā)布平臺建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合WEB開發(fā)技術(shù)與 Skyline三維信息發(fā)布系統(tǒng)，制作煙葉生產(chǎn)基地的三維地形和基礎(chǔ)設(shè)施場景，實現(xiàn)區(qū)域虛擬三維場景的漫游，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與管理，并動態(tài)監(jiān)測與管理煙葉生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，及時發(fā)布煙葉生產(chǎn)過程中的各種信息，不定期的發(fā)布煙農(nóng)培訓(xùn)資料，及時解決煙葉生產(chǎn)中產(chǎn)生的各種問題。

1 系統(tǒng)主要功能模塊介紹

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是三維信息管理系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)工作，它的數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行和應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫的建立包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、輸入、校對、編輯等?？紤]所建數(shù)據(jù)最終應(yīng)用, 實時數(shù)據(jù)收集采用Oracle數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)采用Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫；通過對各類數(shù)據(jù)的內(nèi)容和性質(zhì)進(jìn)行分析，在完成數(shù)據(jù)需求分析基礎(chǔ)上，按照概念模型、數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計、數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計的過程，完成有關(guān)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

1.2 信息監(jiān)測與控制平臺

1.2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控 采用JAVA+Flex設(shè)計，整個系統(tǒng)的各層次計算機(jī)都是通過保山煙草公司企業(yè)專網(wǎng)連接，通過 TCP/IP 來互相通訊。可對所連接的烤房、育苗工場進(jìn)行實時參數(shù)監(jiān)控，實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的多機(jī)通信，并能自動搜索和識別所連接的控制點，按照各自類型進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，提供數(shù)據(jù)的表格和曲線查看方式，可對所連接控制點的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

各個監(jiān)控站點通過專網(wǎng)將采集到的動態(tài)實時數(shù)據(jù)經(jīng)軟件優(yōu)化后高速上傳到監(jiān)控中心的服務(wù)器中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和存貯。根據(jù)監(jiān)控點的設(shè)備分布情況和工藝流程，繪制監(jiān)控界面、報表、曲線圖等并及時報警。連接到專網(wǎng)上的其它計算機(jī)登陸監(jiān)控中心的服務(wù)器，經(jīng)過身份驗證后，可以在Web 瀏覽器內(nèi)看到和現(xiàn)場完全相同的監(jiān)控畫面和實時數(shù)據(jù)，如果其管理權(quán)限中擁有控制能力，可以直接遠(yuǎn)程對現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，真正做到遠(yuǎn)程與現(xiàn)場的零距離監(jiān)控，現(xiàn)場的采集節(jié)點中詳細(xì)記錄了操作的全部過程。

1.2.2 視頻監(jiān)控 監(jiān)控范圍包括煙葉收購線、烤房群、大棚等，系統(tǒng)由一體化球型智能彩色攝像機(jī)、槍式固定彩色攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、液晶顯示器等設(shè)備組成。攝像機(jī)分布在相關(guān)區(qū)域便于監(jiān)視的位置，根據(jù)平面布置具體情況設(shè)置監(jiān)控場景。系統(tǒng)后端設(shè)備硬盤錄像機(jī)和顯示器設(shè)在現(xiàn)場的監(jiān)控中心，以便于生產(chǎn)調(diào)度和維護(hù)管理。

煙站、烤房、大棚視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端視頻采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后端存儲、監(jiān)控中心四部分組成。前端視頻采集部分以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)為主，負(fù)責(zé)視頻圖像的采集；傳輸網(wǎng)絡(luò)提供視頻圖像傳輸所需的線路，傳輸網(wǎng)絡(luò)分為兩種，一為使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，二為使用光纖作為傳輸介質(zhì)的光網(wǎng)絡(luò)，光網(wǎng)絡(luò)與 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之間的連接、信號轉(zhuǎn)換使用以太網(wǎng)光纖收發(fā)器實現(xiàn)；后端存儲以網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)為主，用于存儲視頻圖像；監(jiān)控中心以授權(quán)PC客戶端為主，提供監(jiān)控人員觀看實時采集、歷史存儲的視頻圖像，監(jiān)控人員可通過PC客戶端控制云臺型攝像機(jī)、球形攝像機(jī)（改變攝像機(jī)角度、焦距等）。通過攝像機(jī)對大棚中煙苗的生長、密集烤房群周邊、烤房中的煙葉烘烤過程及煙站收購線進(jìn)行全天候?qū)崟r視頻監(jiān)控；系統(tǒng)全天候運(yùn)行，完整記錄運(yùn)行過程中形成的影像，視頻影像保留30 d，以備查詢之用；系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)鏈路。

1.3 多媒體信息發(fā)布平臺

根據(jù)信息發(fā)布的需求，通過客服PC終端的指令，利用攝像機(jī)和話筒等專用設(shè)備，從現(xiàn)場獲取音視頻信息并傳回視頻服務(wù)器，通過視頻服務(wù)器的控制，結(jié)合音視頻編碼器、復(fù)用器、加擾器和調(diào)制器將視頻流、音頻流轉(zhuǎn)換為數(shù)字電視信號，以有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)為載體，通過專用機(jī)頂盒在電視上發(fā)布各類信息。綜合考慮當(dāng)前數(shù)字電視存在的內(nèi)容資源不夠豐富、產(chǎn)業(yè)化程度不高、傳統(tǒng)的基于互聯(lián)網(wǎng)瀏覽方式終端費(fèi)用比較昂貴的特點，系統(tǒng)利用低成本多功能機(jī)頂盒作為農(nóng)村信息化的主終端（機(jī)頂盒內(nèi)置喇叭和調(diào)頻模塊），整個系統(tǒng)分為市煙草公司、縣煙草公司、鄉(xiāng)/鎮(zhèn)/村煙站、農(nóng)戶四層體系，整體包含前端系統(tǒng)和三套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，即音視頻會議系統(tǒng)、數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)、內(nèi)容監(jiān)播系統(tǒng)。

1.4 三維信息管理系統(tǒng)

1.4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)包括：云南全省10 m精度衛(wèi)星圖片、保山全市5 m精度衛(wèi)星圖片、騰沖縣0.6 m精度衛(wèi)星圖片。

矢量數(shù)據(jù)包括：云南省市級行政區(qū)域圖、保山市縣級行政區(qū)域圖、保山市鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)域圖、保山市主要道路水系圖、保山市縣、鄉(xiāng)、村行政駐點圖、保山市基本煙田分布圖、保山市工商基地單元分布圖

三維模型包括：新農(nóng)村、育苗大棚、防雹點與綜合氣象觀測站、惠民小屋、新能源加工廠、烘烤工廠、蓄水池、普惠亭、紅云小學(xué)、固東煙葉站等設(shè)施。

數(shù)字高程：保山市25 m精度的DEM圖。

1.4.2 地形數(shù)據(jù)包的生成 將準(zhǔn)備好的影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)核對準(zhǔn)確，生成影像金字塔，最后打包輸出為地形數(shù)據(jù)包（MPT），地形數(shù)據(jù)包能將影像和地形數(shù)據(jù)捆綁在一起，可以在地形瀏覽器（TerraExplorer）中顯示其地形狀況，打包后的MPT文件不損失數(shù)據(jù)精度，壓縮了原數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的讀取、快速瀏覽和查詢。另外，地形瀏覽器采用數(shù)據(jù)緩存與內(nèi)存管理機(jī)制，支持海量數(shù)據(jù)的展示和高速漫游，支持大場景數(shù)字城市精細(xì)建模，真正實現(xiàn)了無障礙快速漫游，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了一個很好的展示平臺。

1.4.3 矢量數(shù)據(jù)加載 地形瀏覽器支持加載多源數(shù)據(jù)，包括二維平面數(shù)據(jù)、二維符號、各種矢量數(shù)據(jù)、一般存儲數(shù)據(jù)、三維高程數(shù)據(jù)、三維符號、影像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)等，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時可以選擇導(dǎo)入字段和注記字段，注記字段根據(jù)地形懸浮顯示。另外，地形瀏覽器具有動態(tài)投影，坐標(biāo)系統(tǒng)默認(rèn)為第一個加載文件的坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠把后加入文件的數(shù)據(jù)投影變換到當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.4.4 三維模型加載 Skyline支持的三維模型格式有*.X、*.XPC、*.XPL文件，所用三維模型均在3Ds max平臺下完成，并導(dǎo)出為*.X文件，加載模型時可以根據(jù)模型的實際坐標(biāo)和角度進(jìn)行調(diào)整。另外，三維模型的*.X格式文件必須把貼圖文件放在相同文件夾下，否則模型不能正確顯示，會出現(xiàn)紋理缺失。

1.4.5 管理系統(tǒng)的集成 采用圖表與地圖的形式展示基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的信息和分析結(jié)果；將烤房和育苗大棚的監(jiān)控數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，提供實時查詢與歷史數(shù)據(jù)分析；利用視頻服務(wù)器端口將實時視頻信息傳入系統(tǒng)，并提供集中與分布式的展示窗口；以子系統(tǒng)的形式將多媒體信息發(fā)布平臺融入管理系統(tǒng)并通過視頻服務(wù)器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，最終以數(shù)字電視的形式進(jìn)行信息發(fā)布；采用 JAVA編程語言實現(xiàn)Skyline三維信息發(fā)布平臺的二次開發(fā)，并集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，信息監(jiān)控平臺和多媒體信息發(fā)布平臺，開發(fā)集信息收集、數(shù)據(jù)管理與分析、信息發(fā)布與政策決斷的保山市現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)三維信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對煙區(qū)生態(tài)條件、經(jīng)濟(jì)狀況和煙葉質(zhì)量的準(zhǔn)確把握，對煙葉生產(chǎn)全過程的動態(tài)監(jiān)控與管理，實時了解煙葉生產(chǎn)狀況，及時發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報、病蟲害防治預(yù)報以及煙葉生產(chǎn)新技術(shù)，提供煙基建設(shè)、電子合同與煙葉收購等信息展示和各種培訓(xùn)平臺。

2 核心模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)功能設(shè)計基于客戶需求，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能Fig.1 Systemic function

2.2 部分核心代碼

三維模型下載：客戶端訪問地球時，根據(jù)當(dāng)前訪問位置，向服務(wù)器返回對應(yīng)的三維模型屬性，服務(wù)器接到指令后向客戶端發(fā)送三維模型。

數(shù)據(jù)庫連接：根據(jù)數(shù)據(jù)查詢需求，從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用效果

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

通過收集和整理目前所采集的數(shù)據(jù)，建立以煙葉質(zhì)量為核心的包含保山市基本煙田、基地單元、土壤養(yǎng)分、地形地貌、氣象條件、煙葉質(zhì)量、社會經(jīng)濟(jì)狀況、煙葉生產(chǎn)技術(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，共 25個數(shù)據(jù)表，232個數(shù)據(jù)字段。

3.2 信息監(jiān)控平臺

通過數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺對煙葉育苗大棚與煙葉烘烤工廠進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，及時傳回監(jiān)控畫面（圖2）與實時數(shù)據(jù)（圖3），實現(xiàn)對育苗大棚的通風(fēng)狀況、溫濕度、煙苗長勢、棚外實況、氣象數(shù)據(jù)，烘烤工廠各烤房的干濕球溫度、煙葉烘烤狀況、烤房外的實況，煙葉站點的煙葉收購實況等信息的實時掌握，發(fā)現(xiàn)異常情況便于及時處理，減少各方面造成的損失。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.2 Video monitor system

3.3 多媒體信息發(fā)布

利用視頻服務(wù)器和有線數(shù)字電視信號，展開數(shù)字電視、音頻會議、電視短信、信息推送、視頻輪播、視頻會議、村村響等業(yè)務(wù)（圖4），結(jié)合 PDA手持終端的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。通過電視廣播（圖5）向煙農(nóng)提供煙農(nóng)自助學(xué)習(xí)平臺，讓煙農(nóng)及時了解各種惠農(nóng)政策和煙葉種植新技術(shù)，及時發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報和病蟲害預(yù)測預(yù)報信息，不定期發(fā)布煙葉收購價格、合同簽訂情況、煙葉交售情況。通過GPRS傳輸技術(shù)將育苗、移栽、施肥、大田管理、采收等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各項任務(wù)發(fā)送給技術(shù)人員，將調(diào)制棚內(nèi)的溫濕度異常情況及時發(fā)送短信給對應(yīng)責(zé)任人。

圖3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.3 Real-time data monitoring system

圖4 信息發(fā)布系統(tǒng)Fig.4 Information publish system

3.4 三維信息管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要以三維信息平臺為基礎(chǔ)，展示保山煙區(qū)地理位置和地形地貌（圖6）等煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件、基本煙田與工商合作原料基地單元的分布狀況、現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)的煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施（圖7），集成信息監(jiān)控平臺與多媒體信息發(fā)布平臺，同時具有瀏覽、查詢、檢索、修改、補(bǔ)充所采集的數(shù)據(jù)和結(jié)果分析處理的功能，另具有部分輔助決策功能。其它查詢模塊（圖8）主要包括：1.基本煙田查詢與統(tǒng)計模塊；2.基地單元查詢與管理模塊：3.煙葉基地設(shè)施查詢與管理模塊；4.氣候資源信息查詢模塊：包括光照資源、熱量資源、降水資源等；5.土壤信息查詢模塊：主要包括各基地種植土壤類型、土壤理化性狀、土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分等相關(guān)數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；6.煙葉質(zhì)量信息查詢模塊：該模塊主要為各基地?zé)熑~樣品質(zhì)量分析數(shù)據(jù)；7.施肥管理建議模塊；8.信息監(jiān)測模塊；9.視頻監(jiān)控模塊；10.數(shù)字電視展示模塊。

圖5 數(shù)字電視系統(tǒng)Fig.5 Digital television system

圖6 三維地形地貌Fig.6 Dimensional terrain

圖7 煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施Fig.7 Tobacco leaf production infrastructure

圖8 系統(tǒng)主界面Fig.8 Interface of the system

4 進(jìn)一步改進(jìn)建議

保山市現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)三維信息管理系統(tǒng)統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫開發(fā)、信息監(jiān)測與控制、多媒體信息發(fā)布平臺開發(fā)、三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)建與開發(fā)等相關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)以保山市為背景，展示其地理位置、行政區(qū)域、基本煙田分布、工商合作原料基地單元、地形地貌與氣象條件、煙葉生產(chǎn)狀況、煙葉質(zhì)量等發(fā)展現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)信息；以騰沖縣固東鎮(zhèn)鴉烏山基地單元為重點展示對象，展示其煙田基礎(chǔ)設(shè)施、煙葉站、烤房、育苗大棚、惠民設(shè)施等現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)建設(shè)的成果；通過信息檢測平臺實現(xiàn)對烤房、育苗大棚、煙葉收購站（點）、氣象站等的實時監(jiān)控（包括視頻與數(shù)據(jù)），并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，通過多媒體信息發(fā)布平臺及時發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報以及病蟲害情況，不定期發(fā)布煙葉生產(chǎn)新技術(shù)與惠民情況，及時通報收購價格與傳達(dá)上級指示，通過該平臺來進(jìn)一步促進(jìn)和鞏固現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展成果。

由于影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)的涉密性質(zhì)和資金問題，本系統(tǒng)整體使用低精度影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，局部使用高精度數(shù)據(jù)，在視覺上存在一定的差異；由于時間倉促，三維模型只顯示了重點地區(qū)的標(biāo)志性建筑，下一步應(yīng)該加強(qiáng)三維模型的展示；本系統(tǒng)中使用的空間分布圖均為事先做好的地圖，有關(guān)動態(tài)實時的空間插值功能還有待進(jìn)一步研究。

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