蔡德楠， 司志恒， 顏烈帆， 吳駿鵬， 徐劍波

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東廣州 510642)

由于片面追求糧食高產(chǎn)而濫施肥，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境日益惡化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源缺乏，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式己不再適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的要求[1-3]。測(cè)土配方施肥是科學(xué)施肥的重要實(shí)現(xiàn)途徑之一[3-5]。農(nóng)業(yè)信息化需要依靠地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，以提供農(nóng)業(yè)服務(wù)與決策支持[6-10]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)配合智能移動(dòng)終端為解決施肥過程中“最后一公里”問題提供了新方案，為農(nóng)業(yè)信息化提供了新模式。目前，測(cè)土配方施肥推廣技術(shù)先后經(jīng)歷了桌面版、觸摸屏版、網(wǎng)絡(luò)版、移動(dòng)端等演變過程[11-17]，且日趨成熟。如董博等為市州級(jí)土肥部門開發(fā)了一套區(qū)域化觸摸屏推薦施肥系統(tǒng)[16]。許鑫等在測(cè)土配方施肥技術(shù)基礎(chǔ)上，基于ArcGIS Engine在.NET平臺(tái)上構(gòu)建了基于WebGIS的小麥精準(zhǔn)施肥決策系統(tǒng)[11]。陳維榕等以智能手機(jī)為平臺(tái)，提出智能手機(jī)的測(cè)土配方施肥查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)[13-14]。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，移動(dòng)端技術(shù)應(yīng)用廣泛，能夠有效推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化[18-22]。如車艷雙等開發(fā)了依靠掌上電腦(PDA)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的移動(dòng)智能農(nóng)田信息采集系統(tǒng)[23]。武爾維等從農(nóng)產(chǎn)品安全角度，為使農(nóng)產(chǎn)品追溯信息的收集、管理、查詢等更加便捷、快速和高效，開發(fā)了基于Android智能終端的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)[24]。以上研究為測(cè)土配方施肥技術(shù)的推行提供了技術(shù)支撐和輔助決策。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)應(yīng)用的迅速發(fā)展，移動(dòng)端相對(duì)于桌面版、觸摸屏系統(tǒng)，具有用戶成本低、使用便捷、方便普及等特性，有利于測(cè)土配方技術(shù)的推廣，結(jié)合農(nóng)村信息化服務(wù)，“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)業(yè)為載體得以迅速發(fā)展。通過信息化手段將“測(cè)土-配方-施肥”有機(jī)結(jié)合起來，從而根本上解決研究與應(yīng)用不對(duì)稱、測(cè)土配方技術(shù)推廣難等問題。本研究以廣東省為例，研究開發(fā)一套將農(nóng)田地塊地理數(shù)據(jù)、廣東省主要作物施肥模型、施肥肥料配方、施肥指導(dǎo)建議等一系列環(huán)節(jié)集成的系統(tǒng)，從而將測(cè)土配方施肥從專家研究到指導(dǎo)農(nóng)戶應(yīng)用，再到針對(duì)地塊的提出配方施肥建議這一完整流程的關(guān)鍵點(diǎn)串接聯(lián)通。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象主要為廣東省農(nóng)技推廣人員以及從事種植的農(nóng)戶、政府及農(nóng)企，故服務(wù)主體的多樣性要求系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，用戶體驗(yàn)良好。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)架構(gòu)可分為安卓移動(dòng)智能終端與服務(wù)端2個(gè)部分，移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)用戶交互，利用JSON(JavaScript Object Notation)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，服務(wù)端實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理。移動(dòng)端的主要功能是完成地圖的基本操作、信息查詢、鎮(zhèn)(村)導(dǎo)航和定位、施肥配方?jīng)Q策推薦、施肥知識(shí)瀏覽、問題專家解答、新聞資訊閱讀、個(gè)性化服務(wù)等；服務(wù)端的主要功能是接收移動(dòng)端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端地圖顯示、施肥決策、信息管理、數(shù)據(jù)管理等一系列邏輯交互操作，包括地圖發(fā)布服務(wù)、專家知識(shí)和政策資訊發(fā)布管理，以及問題答疑審核管理等。

本系統(tǒng)采用C/S(Client/Server)3層體系架構(gòu)，包括客戶層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層?？蛻魧影ǚ?wù)于終端用戶的安卓移動(dòng)端和后臺(tái)管理系統(tǒng)。安卓移動(dòng)端支持Android 4.0.4以上系統(tǒng)；管理終端使用Chrome瀏覽器訪問，采用開源Amaze UI框架。

服務(wù)層部署在Tomcat應(yīng)用容器上，包括Web服務(wù)器和GIS服務(wù)器，Web服務(wù)器主要用來集中處理客戶端請(qǐng)求，并轉(zhuǎn)發(fā)分流GIS服務(wù)請(qǐng)求至GIS服務(wù)器。Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)密碼管理服務(wù)、用戶驗(yàn)證服務(wù)、施肥決策服務(wù)、信息發(fā)布服務(wù)等，GIS服務(wù)器主要負(fù)責(zé)地圖數(shù)據(jù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)訪問接口及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，搭建SQL Server 2008作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)，靜態(tài)文件存儲(chǔ)至相應(yīng)訪問路徑，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化。系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能包括圖層數(shù)據(jù)管理、用戶管理、知識(shí)庫(kù)模塊、政策資訊模塊、專家答疑、測(cè)土配方施肥、GPS定位模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊等9個(gè)部分(圖2)。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)路線

系統(tǒng)數(shù)據(jù)及配肥專家推薦模型由廣東省農(nóng)業(yè)廳及研究專家提供，利用ArcGIS軟件對(duì)廣東省各縣行政區(qū)劃圖、土壤圖、土地利用圖等地圖數(shù)據(jù)和采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得土壤養(yǎng)分圖、行政區(qū)劃圖、居民點(diǎn)等矢量圖。然后再通過ArcGIS Server 10將地圖發(fā)布專題地圖切片服務(wù)。

最后在Android Studio平臺(tái)上，開發(fā)Android應(yīng)用程序，完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。技術(shù)路線如圖3所示。

1.4 施肥配方模型的構(gòu)建

測(cè)土配方專家系統(tǒng)的核心是施肥模型的構(gòu)建。模型庫(kù)是由一些評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模型組成的，它主要是按已確立的各種特性因子，結(jié)合肥料學(xué)、土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)等知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)建立的模型。施肥模型主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)指定采樣點(diǎn)(或區(qū)域)選定作物種類(包括設(shè)定目標(biāo)產(chǎn)量)條件下，通過對(duì)施肥量和施肥配比及時(shí)期的運(yùn)籌，得出最優(yōu)的施肥配比和施肥方案。目前，本系統(tǒng)已有水稻、香蕉、甘蔗、葉菜類、龍眼、荔枝、豇豆、冬種馬鈴薯、苦瓜、甜玉米、花生、柚子、柑橘、橙、茄果及瓜果等各類作物研究專家提供的配肥模型，并以此為基礎(chǔ)，搭建云端配方服務(wù)接口。以水稻為例，水稻的施肥推薦模型須要根據(jù)不同區(qū)域采用不同的回歸模型，同時(shí)考慮各個(gè)地區(qū)百公斤籽粒養(yǎng)分吸收量的差別，以及不同地區(qū)肥料利用率的差別。首先根據(jù)土壤養(yǎng)分計(jì)算出相對(duì)產(chǎn)量，再與目標(biāo)產(chǎn)量計(jì)算得出肥料需提供產(chǎn)量，并引入100 kg籽粒養(yǎng)分吸收量和肥料利用率等參數(shù)，最終求出該地區(qū)該目標(biāo)產(chǎn)量下的水稻養(yǎng)分推薦施肥量[25]。廣東省各地區(qū)水稻養(yǎng)分推薦施肥量模型如表1所示。

表1 水稻養(yǎng)分推薦施肥量模型

注：相關(guān)信息由廣東省耕肥總站提供。

2 Android客戶端功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在安卓客戶端APP上，后端服務(wù)器主要負(fù)責(zé)提供基于RESTful原則設(shè)計(jì)的接口，與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.1 圖層數(shù)據(jù)管理模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中的圖層管理模塊的實(shí)現(xiàn)，即GIS功能模塊的實(shí)現(xiàn)，是基于ArcGIS Runtime SDK For Android控件進(jìn)行二次開發(fā)的，地圖顯示主要是將mxd地圖文檔發(fā)布成WMS地圖切片服務(wù)，手機(jī)端通過服務(wù)接口獲取地圖服務(wù)數(shù)據(jù)，Mapview對(duì)象加載動(dòng)態(tài)注記圖層和切片底圖圖層，最后進(jìn)行設(shè)置地圖顯示范圍。地圖啟用手勢(shì)放大縮小，可接觸屏幕平移地圖。綁定地圖移動(dòng)縮放的監(jiān)聽事件，調(diào)用Identify GP服務(wù)，地圖默認(rèn)獲取中心點(diǎn)土壤地塊養(yǎng)分信息，如有效磷、速效鉀等。點(diǎn)擊幾何量算按鈕，調(diào)用Polygon對(duì)象的calculateArea2D或者Polyline對(duì)象的calculateLength2D方法測(cè)量地塊面積或長(zhǎng)度。由于每年測(cè)土配方工作數(shù)據(jù)更新，每個(gè)縣的數(shù)據(jù)通過后臺(tái)更新服務(wù)的方式替換舊數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不變動(dòng)客戶端版本，平穩(wěn)過渡。地圖顯示功能時(shí)序圖如圖4所示。

2.2 測(cè)土配方施肥模塊的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 測(cè)土配方施肥 通過村鎮(zhèn)導(dǎo)航形式，從服務(wù)器獲取已開通服務(wù)的行政區(qū)表，從“市—縣—村”逐級(jí)查詢，與服務(wù)器請(qǐng)求獲得所選村的地圖服務(wù)，進(jìn)入地圖，縮放至所選村的地理中心；在地圖上進(jìn)行操作，如地圖中心點(diǎn)在綠色的地塊上，與后臺(tái)交互獲取土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，彈出Callout窗體，點(diǎn)擊該窗體，進(jìn)入測(cè)土配方參數(shù)設(shè)置。除顯示該地塊必要土壤養(yǎng)分元素外，用戶可設(shè)置不同的作物以及目標(biāo)產(chǎn)量。設(shè)置完畢，點(diǎn)擊確定，請(qǐng)求至服務(wù)器，服務(wù)器通過計(jì)算相應(yīng)的縣域配方模型獲得施肥建議卡，并將施肥建議卡以網(wǎng)頁的形式顯示到用戶界面。該施肥建議卡可以微信、QQ、微博等形式實(shí)現(xiàn)分享。生成配肥方案時(shí)序圖如圖5所示。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)決策施肥 現(xiàn)場(chǎng)決策流程與測(cè)土配方施肥基本一致， 只是該流程第一階段不需要訪問地圖獲得土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。開啟手機(jī)端GPS定位，獲得當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)，調(diào)用服務(wù)接口，經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及Query查詢，設(shè)置范圍與容差，獲得該坐標(biāo)下土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。之后，再選擇作物，得到施肥建議卡。

2.2.3 配方模型更新 作物模型與目標(biāo)產(chǎn)量的設(shè)置，經(jīng)服務(wù)器獲得更新，調(diào)用SharedPreferencesUtil工具類以離線的方式存儲(chǔ)至手機(jī)端。以定期更新的形式獲得最新數(shù)據(jù)表。配方施肥模型的計(jì)算方案，由后臺(tái)進(jìn)行更新。

2.3 GPS定位模塊的實(shí)現(xiàn)

GPS定位通過手機(jī)中的GPS模塊獲取位置，精度高，信息全，可獲取經(jīng)緯度、海拔、方向角度等信息。基站輔助定位通過運(yùn)營(yíng)商的電信基站(2G、3G、4G等)進(jìn)行，功耗低，并且基站數(shù)據(jù)豐富，通過算法能提供較理想的定位精度。利用高德地圖定位軟件開發(fā)工具包(SDK)，通過GPS定位、基站定位、Wi-Fi定位等方式混合，提高定位精度(圖6)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)端通過GSM、4G、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等方式與服務(wù)器通信，涉及到地圖等大量數(shù)據(jù)傳輸，故采取根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況，Wi-Fi 狀態(tài)下使用離線部分地圖數(shù)據(jù)，在非Wi-Fi狀態(tài)下使用已緩存的地圖數(shù)據(jù)，并壓縮傳輸過程數(shù)據(jù)包大小，減少網(wǎng)絡(luò)流量，減少用戶等待時(shí)間(圖7)。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊的實(shí)現(xiàn)

2.5.1 用戶行為分析 移動(dòng)端設(shè)計(jì)各類行為埋點(diǎn)，如施肥建議卡生成次數(shù)、閱讀單篇文章次數(shù)、點(diǎn)擊單個(gè)Activity次數(shù)以及訪問時(shí)間、用戶評(píng)論互動(dòng)指標(biāo)等，根據(jù)這些行為埋點(diǎn)，分析用戶行為，獲得相關(guān)的反饋，優(yōu)化APP核心功能。

2.5.2 數(shù)據(jù)反饋分析 數(shù)據(jù)反饋分析與用戶行為分析不同之處在于所獲得的數(shù)據(jù)是由用戶主動(dòng)提供的。用戶點(diǎn)擊設(shè)置，點(diǎn)擊用戶反饋，進(jìn)入用戶反饋界面，反饋該APP的使用情況或者錯(cuò)誤。由專人瀏覽反饋內(nèi)容，及時(shí)處理。根據(jù)用戶使用施肥方案的情況，反饋肥料模型的效果，進(jìn)一步驗(yàn)證施肥方案的有效性。

3 系統(tǒng)應(yīng)用推廣情況

本系統(tǒng)的相關(guān)軟件為筆者所在團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)產(chǎn)品，已申請(qǐng)軟件著作權(quán)(授權(quán)號(hào)：2015SR039234)。系統(tǒng)于2015年9月建成并投入使用，并部署在廣東省農(nóng)業(yè)廳信息中心服務(wù)器上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，對(duì)外提供服務(wù)。目前，本系統(tǒng)正在為廣東省87個(gè)縣提供服務(wù)，目前已在各大APP市場(chǎng)發(fā)布，APP分別在第六屆廣東現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會(huì)和種博會(huì)進(jìn)行展示，提供二維碼掃描，獲得了用戶的好評(píng)與有效反饋，且APP下載量達(dá)到500人次以上。系統(tǒng)試運(yùn)行期間，總體運(yùn)行情況良好，在技術(shù)和功能上達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)操作方便、界面簡(jiǎn)潔友好、實(shí)用性強(qiáng)。測(cè)土配方施肥功能界面見圖8。下載地址：http：//www.pgyer.com/DrFertilization。

4 結(jié)語

精確農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是施肥的科學(xué)決策及獲得科學(xué)處方[26-27]。本研究充分利用廣東省測(cè)土配方施肥技術(shù)成果以及移動(dòng)GIS技術(shù)，發(fā)揮地域特色，農(nóng)戶通過移動(dòng)手機(jī)端查詢自家土壤養(yǎng)分狀況和提供作物施肥指導(dǎo)方案，根據(jù)推薦方案選肥、配肥、施肥。農(nóng)民可隨時(shí)獲得相關(guān)的政策方針以及專業(yè)知識(shí)，向?qū)＜易稍兣c交流專業(yè)施肥問題，實(shí)現(xiàn)信息交流對(duì)等化。由于其移動(dòng)端的便攜性與易用性，用戶能夠更快地適應(yīng)本系統(tǒng)，可以幫助生產(chǎn)者、管理者進(jìn)行因地制宜的決策，提高科學(xué)管理水平，改變基層配方施肥決策的盲目性和主觀性，減少?zèng)Q策失誤，對(duì)于促進(jìn)測(cè)土配方施肥的發(fā)展具有重要意義，進(jìn)一步推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)業(yè)新模式。

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