基于WebGIS的煙草種植管理信息系統(tǒng)研發(fā)論文
引言
空間信息技術(shù)在推廣煙葉生產(chǎn)實時監(jiān)測，提高農(nóng)民科技素質(zhì)，優(yōu)化煙草種植模式與技術(shù)等方面起到至關(guān)重要的作用M。2015年全國煙草工作會議提出，大力推進“兩化”融合，全面加強數(shù)據(jù)資源開發(fā)應(yīng)用，提高行業(yè)信息化建設(shè)水平。近年來，隨著煙草產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們對煙草信息化管理與“3S”技術(shù)的融合進行了一系列研究，并取得良好的效果。如董謝瓊等H應(yīng)用GIS技術(shù)進行云南省烤煙種植區(qū)劃研究，實現(xiàn)了原料基地的優(yōu)化選擇;魯韋坤等利用“3S”技術(shù)，建立了現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)示范區(qū)規(guī)劃信息系統(tǒng);楊小冬等^設(shè)計了基于Web GIS的農(nóng)業(yè)生態(tài)監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)以指導(dǎo)煙葉種植和生產(chǎn)。李一山等開發(fā)了基于ASP.NET的優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)咨詢系統(tǒng)。但現(xiàn)有系統(tǒng)主要是針對煙草種植現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行決策分析，缺少將系統(tǒng)監(jiān)測、管理、決策和RS技術(shù)(高光譜)相結(jié)合的具有較強時效性和綜合性的大型煙草應(yīng)用系統(tǒng)。由于數(shù)字化煙草種植管理系統(tǒng)各資源環(huán)境要素具有較強的時空差異性，若能與高光譜和Web GIS技術(shù)有機集成，借助GIS強大的空間分析能力和高光譜技術(shù)的高時空分辨率，可深層次地挖掘作物的決策支持能力，使煙草種植管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、存儲、檢索與分析等逐步向?qū)崟r監(jiān)測、精確模擬及智能化決策方向發(fā)展。
中國煙葉總產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的41.5%。其中，烤煙約占世界烤煙總產(chǎn)量的59.9%。煙葉種植主要集中于云南、貴州、四川、重慶、湖南、河南等地的貧困山區(qū)0，其中，黔西北山地是西南地區(qū)重要的煙草種植區(qū)，也是烤煙種植的適宜區(qū)，為提高該區(qū)域煙草種植質(zhì)量，提升山區(qū)煙草管理效率，本系統(tǒng)采用面向?qū)ο筌浖O(shè)計思想，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、Google Maps API、Web GIS等技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建出煙草種植空間管理信息系統(tǒng)，依托高光譜技術(shù)的定期監(jiān)測，實現(xiàn)了煙草種植環(huán)境監(jiān)測、智能化預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)化管理。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本系統(tǒng)涉及主要煙草的高光譜監(jiān)測模型、栽培管理知識模型、生長過程模擬模型等相關(guān)數(shù)字煙草種植管理模型，本研究遵循集成性、實用性、可拓展性的設(shè)計原則，對組成系統(tǒng)的各構(gòu)件及相互關(guān)系進行合理組織和設(shè)計，在傳統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)一用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程，采用數(shù)據(jù)分層技術(shù)對用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層進行功能的分割和細(xì)化，設(shè)計出新型軟件架構(gòu)體系(圖1)。該體系融合了高光譜遙感技術(shù)、GIS技術(shù)與空間定位技術(shù)，基于Web GIS平臺，解決了模型組件間、模型組件與業(yè)務(wù)功能之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)兼容、集成分析問題。不僅從邏輯上將子系統(tǒng)劃分成數(shù)據(jù)層、開發(fā)層、邏輯層、用戶層和數(shù)據(jù)庫管理層，還將常規(guī)業(yè)務(wù)邏輯抽取出來，減少了各個子模塊間的依賴關(guān)系，使系統(tǒng)以彈性方式進行耦合，滿足系統(tǒng)的集成性和擴展性要求。
1.1系統(tǒng)總體構(gòu)架
依據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)，對業(yè)務(wù)邏輯層進行細(xì)分，劃分結(jié)果見系統(tǒng)功能框架圖(圖2)。本系統(tǒng)最上層為系統(tǒng)層，中間為功能層，最下層為分析層，由于煙草種植管理系統(tǒng)的主要用戶群為煙草種植區(qū)內(nèi)部管理人員和系統(tǒng)維護人員，系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，不同種植區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況差異性較大，故本系統(tǒng)采用了基于B/S的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式設(shè)計，空間數(shù)據(jù)庫采用ArcSDE10.2數(shù)據(jù)引擎，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2008、WebGIS服務(wù)器采用ArcGISServer10.2，客戶端采用瀏覽器提升系統(tǒng)的可操作性。
1.2系統(tǒng)模塊分析
1.2.1用戶登陸子系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要對達(dá)到一定權(quán)限的煙草種植管理、系統(tǒng)維護等相關(guān)人員開放相應(yīng)的功能。擁有不同權(quán)限的用戶，通過登陸模塊登陸本系統(tǒng)后，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶權(quán)限自動激活、屏蔽相應(yīng)的模塊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)個性化處理功能。
1.2.2數(shù)據(jù)更新模塊
煙草種植與初加工過程涉及監(jiān)測、管理、決策數(shù)據(jù)龐雜，且數(shù)據(jù)格式多樣，為資料收集、匯總帶來諸多不便，而基于WebGIS的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)填報方式能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時多次填報，系統(tǒng)定期上傳，解決了用戶在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)更新的問題。同時，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、共享，在開發(fā)數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)時設(shè)定了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗，不符合要求的數(shù)據(jù)一律不能入庫，并提示上傳人員更改格式后上傳。
1.2.3數(shù)據(jù)瀏覽與查詢模塊
本系統(tǒng)依據(jù)用戶的瀏覽、查詢請求，自動產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)果，并根據(jù)需要將結(jié)果以網(wǎng)頁、WebGIS圖形(以種植區(qū)1:10000DEM和0.5m分辨率遙感影像圖為基礎(chǔ)資料)或圖表形式在瀏覽器顯示出來，通過程序開發(fā)可實現(xiàn)查詢指標(biāo)共有29個，用戶可根據(jù)復(fù)合查詢條件，篩選查詢目標(biāo)，部分查詢代碼如下：
1.2.4煙草生長現(xiàn)狀分析模塊
煙草生長現(xiàn)狀分析、趨勢分析、煙草估產(chǎn)的開發(fā)是本項目的重點也是難點所在，通過對歷年研究區(qū)域煙草的生長監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，建立相應(yīng)的生長現(xiàn)狀、趨勢分析、產(chǎn)量預(yù)測數(shù)學(xué)模型，并通過計算機編程，以WebGIS技術(shù)平臺為載體，使分析結(jié)果以圖形或圖表形式直觀地表現(xiàn)出來。用戶只需點擊相應(yīng)子模塊命令，就可以了解研究區(qū)域煙田分布、煙草主產(chǎn)區(qū)的煙草生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。通過本系統(tǒng)使煙草主產(chǎn)區(qū)歷年來煙草生長監(jiān)測數(shù)據(jù)得以充分有效利用，為區(qū)域烤煙行業(yè)發(fā)展決策的重要依據(jù)。
1.2.5高光譜監(jiān)測分析模塊
高光譜技術(shù)在煙草中的'研究主要集中在冠層與葉片水平。通常利用原始光譜反射率與煙草的葉面積指數(shù)、生物量、品質(zhì)指標(biāo)等建立監(jiān)測模型，通過反演，對煙草的生長和煙葉品質(zhì)進行估算和監(jiān)測0。高光譜監(jiān)測技術(shù)用于煙草長勢、產(chǎn)量預(yù)測，可實現(xiàn)煙草生長監(jiān)測規(guī)�；�，空間數(shù)據(jù)獲取即時化，并利用估產(chǎn)模型對煙草產(chǎn)量進行預(yù)測。本系統(tǒng)通過IDL語言開發(fā)集合了ENVI高光譜影像解譯技術(shù)，高光譜數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式上傳后，系統(tǒng)自動對影像進行流程式處理，處理結(jié)果以屬性統(tǒng)計表、煙草產(chǎn)量預(yù)測圖的形式存儲于SQLServer中，便于用戶調(diào)用查詢。
1.2.6數(shù)據(jù)輸出模塊
本數(shù)據(jù)輸出模塊是整個系統(tǒng)的輸出窗口，系統(tǒng)所有分析結(jié)果都要通過本模塊實現(xiàn)輸出。輸出的方式有網(wǎng)頁顯示、WebGIS圖形、圖表輸出等幾種。具體的輸出方式可根據(jù)用戶需求及系統(tǒng)自身特點進行選擇定制。
1.2.7數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)根據(jù)不同的用戶授予不同的訪問權(quán)限，用戶可以在權(quán)限范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、編輯更新等操作。系統(tǒng)自身對用戶傳輸數(shù)據(jù)進行分類組織、存儲和管理各種數(shù)據(jù)，確定以何種文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲級上組織這些數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并在一定周期內(nèi)進行數(shù)據(jù)備份，存儲歷史數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境
本系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)獲取途徑、預(yù)處理軟件的不同，選取ENVI+IDL5.0和ArcEngine9.3軟件作為WebGIS數(shù)據(jù)處理平臺，同時，選取集成了AJAX項目模板的VisualStudio2010作為高效開發(fā)WebGIS的應(yīng)用平臺。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)可兼容和高效調(diào)用，系統(tǒng)采用SQLServer2008為設(shè)計數(shù)據(jù)庫，高光譜處理模型組件采用IDL語言按COM標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)，選用C#語言作為系統(tǒng)集成基本開發(fā)語言，應(yīng)用HTML語言進行界面設(shè)計，用戶系統(tǒng)界面如圖4所示。
2.2系統(tǒng)運用
以貴州省六盤水市水城縣鹽井鄉(xiāng)為應(yīng)用案例，對所構(gòu)建系統(tǒng)中用戶登錄子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)更新、查詢、瀏覽、輸出，煙草長勢分析，高光譜監(jiān)測，數(shù)據(jù)庫管理等模塊功能進行調(diào)試運用。為提高調(diào)試結(jié)果的可信度，先將該鄉(xiāng)的氣象、土壤、品種、農(nóng)村種植經(jīng)濟信息等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了屬性數(shù)據(jù)庫，同時，將煙草種植區(qū)1:10000地形圖、高分辨率的Google影像圖、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖進行疊加建立了空間數(shù)據(jù)庫。調(diào)試應(yīng)用結(jié)果表明：系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計符合煙草種植空間信息管理及輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計思想，并表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和普適性。通過使用該系統(tǒng)，實現(xiàn)了鹽井鄉(xiāng)煙草種植信息的規(guī)范化管理及高效、便捷的查詢，運用高光譜預(yù)測模型生成的決策結(jié)果與當(dāng)?shù)貙嶋H狀況和專家經(jīng)驗基本符合，且系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果可以不同專題圖和統(tǒng)計報表等形式進行顯示。
3結(jié)論與討論
在總結(jié)、融合煙草生產(chǎn)管理決策及評價理論與技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了高光譜煙草監(jiān)測模型，煙草生產(chǎn)潛力分析和精確煙草估產(chǎn)知識模型，實例證明，上述模型應(yīng)用的適應(yīng)性強，為煙草管理決策提供一種良好方法。將WebGIS和高光譜遙感技術(shù)相結(jié)合，利用Arc GIS API For Javascript為開發(fā)平臺，構(gòu)建了煙草種植空間信息管理與輔助決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了基本地圖操作、煙草空間信息查詢與瀏覽、種植制度評價、適宜性區(qū)劃、生產(chǎn)潛力分析、高光譜長勢監(jiān)測、圖表輸出以及系統(tǒng)維護功能，提升系統(tǒng)輔助決策的準(zhǔn)確性和普適性。
以貴州省六盤水市水城縣鹽井鄉(xiāng)為系統(tǒng)應(yīng)用案例，對系統(tǒng)進行了檢驗，結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了高光譜空間信息決策化管理，不僅顯著提高了空間信息的管理效率和查詢速度，在煙草生產(chǎn)管理決策方面也表現(xiàn)出了較好的時效性和指導(dǎo)性。
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