基于行政區(qū)劃與衛(wèi)星影像的地區(qū)級測土配方施肥系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

馬利強(qiáng)，何國慶，顧洪瑞，張志勇(.河北省農(nóng)村信息化工程技術(shù)研究中心，河北廊坊056000;.邯鄲市農(nóng)業(yè)局信息中心，河北邯鄲056000;.邯鄲市農(nóng)業(yè)局土壤肥料站，河南邯鄲056000)

我國多以縣域主體研究實(shí)現(xiàn)測土配方施肥系統(tǒng)［1－3］，筆者根據(jù)地區(qū)級實(shí)際需要和信息技術(shù)平臺的優(yōu)勢，結(jié)合GIS、Web技術(shù)以及測土配方查詢模式，實(shí)現(xiàn)了一種基于行政區(qū)劃與衛(wèi)星影像結(jié)合的測土配方施肥查詢模式，綜合其他查詢模式以及數(shù)據(jù)管理維護(hù)功能，構(gòu)建了一種地區(qū)級測土配方施肥專家服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了縣級采樣、地區(qū)級建庫建模統(tǒng)一服務(wù)平臺、分縣維護(hù)分級應(yīng)用、離線在線結(jié)合的功能架構(gòu)和測土配方施肥有關(guān)的信息數(shù)據(jù)的展示、查詢、分析等功能，并且能為決策部門提供宏觀決策依據(jù)，為農(nóng)戶提供施肥配方指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu) 系統(tǒng)搭建地區(qū)級(市級)、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村級服務(wù)站4級服務(wù)體系見圖1。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 系統(tǒng)功能介紹 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖3。整個軟件架構(gòu)采取多種架構(gòu)搭建，圖3中上半部分部分為中心管理部分，包括測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、地圖服務(wù)系統(tǒng)和土肥信息網(wǎng)3部分，地圖服務(wù)采取ArcServer發(fā)布，提供行政區(qū)劃、衛(wèi)星影像、土壤養(yǎng)分和地形地貌和土壤養(yǎng)分專題圖的展現(xiàn)發(fā)查詢調(diào)用。其中測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中測土點(diǎn)的土壤養(yǎng)分資料數(shù)據(jù)是地圖服務(wù)中土壤養(yǎng)分含量圖層的數(shù)據(jù)來源，根據(jù)測土點(diǎn)的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)生成的土壤養(yǎng)分含量等值面數(shù)據(jù)，同時可生成土壤養(yǎng)分專題圖，供土肥網(wǎng)站專題圖欄目的數(shù)據(jù)發(fā)布需要。

下半部分為客戶端(觸摸屏)查詢應(yīng)用，為保證界面的美感采取Flash As3開發(fā)集成，界面炫麗友好，所以測土底層功能運(yùn)算由測土配方施肥查詢系統(tǒng)支撐，其中網(wǎng)絡(luò)地圖來源中心地圖服務(wù)支持、本地離線地圖來源與客戶端地圖系統(tǒng)支持。

1.2.1 土肥信息網(wǎng)。地區(qū)級的土肥信息網(wǎng)主要是針對土壤肥料相關(guān)信息進(jìn)行發(fā)布，同時對測土配方施肥專家服務(wù)系統(tǒng)提供資訊信息來源，可面向全地區(qū)開展服務(wù)。

1.2.2 測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要針對測土的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，所有數(shù)據(jù)按區(qū)縣進(jìn)行獨(dú)立管理，各成體系，互不影響，提供數(shù)據(jù)同步接口為測土配方施肥專家服務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.3 地圖服務(wù)。地圖服務(wù)搭建了一整套地圖系統(tǒng)供顯示以及土壤養(yǎng)分以及地形地貌查詢，為后續(xù)施肥建議決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。是一種形象化的查詢手段，非常方便測土地塊的定位。

1.2.4 測土配方施肥專家查詢系統(tǒng)。測土配方施肥專家服務(wù)系統(tǒng)通過調(diào)用地圖服務(wù)展示地圖，并獲取土壤養(yǎng)分以及地形地貌數(shù)據(jù)，進(jìn)行測土配方施肥決策，同時支持網(wǎng)上查詢、觸摸屏和客戶端3種模式的瀏覽，集成數(shù)據(jù)同步接口聯(lián)網(wǎng)情況下能夠自動更新數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的最新數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)己經(jīng)完成系統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)，并應(yīng)用于邯鄲市土壤肥料站。邯鄲市土肥站全市統(tǒng)一搭建測土配方施肥系統(tǒng)，各縣分別制訂各縣配方肥以及施肥體系，同時各縣在對應(yīng)服務(wù)服務(wù)配備觸摸屏，全市共為基層服務(wù)站配備觸摸屏600臺，終端應(yīng)用5 500個。在有條件的服務(wù)站配備了配肥機(jī)設(shè)備，可自動完成配肥生產(chǎn)，達(dá)到了統(tǒng)一建設(shè)、分別服務(wù)的目的。

3 系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

3.1 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 地圖服務(wù)搭建。結(jié)合行政區(qū)圖以及衛(wèi)星影像的地圖展示和查詢模式是該系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)，只有對空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行合理的設(shè)計，才能開發(fā)出完善而高效的地理信息系統(tǒng)［4］，地圖服務(wù)提供的空間地圖數(shù)據(jù)主要包括行政區(qū)劃、地形地貌、衛(wèi)星影像和土壤養(yǎng)分4類。

該研究中行政區(qū)劃和地形地貌的地圖數(shù)據(jù)由項目建設(shè)方提供，是基于地級市的地圖。行政區(qū)圖主要包括:縣界、鄉(xiāng)界、縣名、村名。地形地貌主要包括:全市地類面，能夠區(qū)別任意地塊是否耕地、村莊、道路等。通過地類的劃分，可以在查詢時區(qū)分是否可進(jìn)行測土的農(nóng)用地，并且可根據(jù)地類決策目標(biāo)產(chǎn)量。衛(wèi)星影像一般可通過地圖公司或處理遙感數(shù)據(jù)獲得。

該系統(tǒng)中規(guī)劃了8個級別的地圖縮放，其中前4項為行政區(qū)圖的縮放，第1、2級僅顯示縣界，第3級顯示鄉(xiāng)界、第4級增加顯示村名，第5～8級顯示為衛(wèi)星影像圖。理論上可以增加到最大可支持級別的衛(wèi)星影像地圖，如圖4所示。

圖4示例了行政區(qū)圖和衛(wèi)星地圖的整合，提供了一個非常友好的地圖展現(xiàn)定位過程，但最終的目標(biāo)是從定位的地塊中獲取土壤養(yǎng)分等相關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)交到測土配方施肥查詢系統(tǒng)中進(jìn)行施肥決策服務(wù)。所以地圖服務(wù)的一個重要功能就是提供土壤養(yǎng)分含量的查詢服務(wù)。

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來源于土壤測試3414試驗中的結(jié)果數(shù)據(jù)，主要包括經(jīng)緯度和養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)。

土壤養(yǎng)分地圖服務(wù)的主要目標(biāo)就是把土壤測試結(jié)果的點(diǎn)數(shù)據(jù)，制作為全地圖的養(yǎng)分含量等值面數(shù)據(jù)。該項目利用ArcGIS的IDW工具將點(diǎn)生成為等值面數(shù)據(jù)，等值面的最小單位長度可以設(shè)置，該項目中設(shè)置約為50 m。

在發(fā)布地圖服務(wù)時，因為項目需要針對全地級市以及各區(qū)縣都可進(jìn)行各自的地圖服務(wù)查詢，針對此種情況專門發(fā)布了全市統(tǒng)一的衛(wèi)星影像服務(wù)，不同區(qū)縣調(diào)用時從公共衛(wèi)星影像服務(wù)中調(diào)用本區(qū)縣的衛(wèi)星影像服務(wù)即可，既簡化了服務(wù)發(fā)布的步驟，同時避免了地圖資源的冗余。

在開發(fā)過程中，將行政區(qū)圖與衛(wèi)星影像圖疊加時，發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)系存在偏移誤差，導(dǎo)致實(shí)用功能中點(diǎn)擊衛(wèi)星影像中的村莊無法真正定位為村莊坐標(biāo)，經(jīng)過影像校準(zhǔn)，將影像進(jìn)行適當(dāng)偏移調(diào)整，使精度滿足正常查詢使用要求。

3.1.2 配方肥選擇。在施肥計算過程中，同一作物有多種不同的配方底肥，但最終建議采并輸出到建議卡上的配方肥只有一種，通過研究對比分析得出最優(yōu)匹配系數(shù)算法，根據(jù)所需氮磷鉀肥量比例與配方肥養(yǎng)分含量逐個對比分析，計算得出匹配系數(shù)，進(jìn)而通過比較找出比例最接近的配方肥。

3.1.3 專題圖快速顯示。開始設(shè)計時，將土壤養(yǎng)分專題圖設(shè)計為動態(tài)根據(jù)屬性信息自動計算并顯示專題圖。在實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，以縣級地圖及養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的情況下專題圖動態(tài)展示的速度都比較慢，無法接收。后來調(diào)整為將專題圖保存為靜態(tài)圖片，然后根據(jù)靜態(tài)圖片進(jìn)行對外顯示展示，訪問速度慢的問題得以解決，實(shí)現(xiàn)了專題圖的快速顯示。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 穩(wěn)定性。設(shè)計開發(fā)了新的系統(tǒng)架構(gòu)，建立了全地區(qū)統(tǒng)一的服務(wù)平臺，減少了分縣平臺的重復(fù)建設(shè)，通過分級多終端系統(tǒng)為系統(tǒng)應(yīng)用提供了保證，實(shí)現(xiàn)了一套中心平臺，分縣管理測土體系，多種終端下基層。

3.2.2 實(shí)用性。行政區(qū)圖與衛(wèi)星地圖結(jié)合的模式，任意種植地塊均可測土;自動識別村莊、鐵路等非種植用地;可針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行適宜作物規(guī)劃，支持配肥機(jī)接口，可根據(jù)建議卡直接生產(chǎn)配方肥。

［1］胡開全.基于ArcGIS Engine的縣域配方施肥系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［2］張浩，李福超，馬新明，等.基于GIS的縣域小麥測土配方施肥系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(5):566 －569，524.

［3］蘇偉，聶宜民，胡曉潔，等.利用Kriging插值方法研究山東龍口北馬鎮(zhèn)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(1):76－81.

［4］周曉愚，王永國，陳建卓.遙感技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2004(6):37－38.