付永華

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015）

基于移動(dòng)終端的農(nóng)情信息采集系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

付永華

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450015）

在探討我國糧食生產(chǎn)隱患和農(nóng)業(yè)信息管理意義的基礎(chǔ)上，調(diào)研了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)信息采集現(xiàn)有方法、技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并了解了基于移動(dòng)終端的農(nóng)情信息采集的需求分析，給出具體的信息采集流程，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體框架和邏輯結(jié)構(gòu)，探討了其中的關(guān)鍵技術(shù)。

農(nóng)情；移動(dòng)終端；信息采集；診斷

糧食安全生產(chǎn)、產(chǎn)量保障是我國的一項(xiàng)基本國策，但關(guān)于土壤污染、灌溉水源污染等影響糧食生產(chǎn)的報(bào)道屢見不鮮，且糧食的產(chǎn)量也值得憂慮，因水土流失、耕地占用、經(jīng)濟(jì)作物種植等因素，糧食產(chǎn)量在未來可能會(huì)下降。隨著信息技術(shù)融入各個(gè)行業(yè)，很多領(lǐng)域都將信息管理作為質(zhì)量保障、產(chǎn)量提高的重要支撐，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也是如此。對(duì)于農(nóng)業(yè)信息來說，一個(gè)挑戰(zhàn)是大多數(shù)的信息來自于地域廣闊、地形復(fù)雜、農(nóng)作物交雜的農(nóng)田，甚至包括與農(nóng)田相關(guān)的土壤信息、灌溉水域信息、病蟲害信息等。然而，快速、精確的獲得農(nóng)情管理的相關(guān)數(shù)據(jù)是及時(shí)診斷、高效反饋的基礎(chǔ)，是提高農(nóng)業(yè)科學(xué)管理與決策的基礎(chǔ)，這就需要更高要求的農(nóng)情信息采集技術(shù)。

1 采集終端研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，國外研究的重點(diǎn)有如下4點(diǎn)：采集軟件的研究；采集數(shù)據(jù)整合；空間信息組織與外在體現(xiàn)；無線短距傳輸和集中上傳技術(shù)。而研究的內(nèi)容，也從簡單的數(shù)據(jù)采集發(fā)展到數(shù)據(jù)管理，甚至具有一定的分析、診斷和決策功能。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面。一是森林資源調(diào)查，上個(gè)世紀(jì)九十年代末，歐洲一些國家，利用野外電子數(shù)據(jù)記錄設(shè)備采集森林資源數(shù)據(jù)，包括植物種類、分布情況、生長狀態(tài)等數(shù)據(jù)。二是基于專用采集器的農(nóng)業(yè)資源采集，如美國的佐治亞大學(xué)，利用專用資源采集器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一整套農(nóng)業(yè)資源采集系統(tǒng)，這套系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧藢ｉT的采集器，所以能比較全面的采集與農(nóng)業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)，比如農(nóng)田的面積、種植的作物、農(nóng)田周圍的水源、農(nóng)業(yè)通道等，而且在視覺效果上也利用不同顏色比較顯示，具有一定的可視化功能。這套系統(tǒng)甚至能夠提供一定的規(guī)劃功能和部分建議決策等。

1.2 國內(nèi)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。雖然國內(nèi)采集終端的研究比較晚，但是在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。如在農(nóng)業(yè)信息采集方面，尚沒有綜合性的系統(tǒng)，主要是一些針對(duì)性的系統(tǒng)。比如已經(jīng)投入使用的蝗蟲災(zāi)害預(yù)防系統(tǒng)，就將地理信息采集技術(shù)、定位技術(shù)融合在一起，從蝗蟲卵蟲到幼蟲到成蟲，全程采集監(jiān)控。這個(gè)系統(tǒng)目前已經(jīng)在北方大部分地市級(jí)城市推廣使用，且包含了地圖功能，也能可視化顯示蝗災(zāi)情況，對(duì)于及時(shí)有效的治療蝗蟲災(zāi)害，提高糧食產(chǎn)量有一定的作用。在采集終端方面，我國也專門開發(fā)了針對(duì)農(nóng)業(yè)的掌上電腦數(shù)據(jù)后期處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的即使采集，最重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)信息和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的有效融合。中國林業(yè)研究所研發(fā)了橡膠施肥管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：橡膠信息采集模塊、生長現(xiàn)狀管理模塊和施肥決策與管理模塊。這個(gè)系統(tǒng)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的代表作，它通過橡膠林中的攝像頭、水分感應(yīng)器、養(yǎng)分分析器等設(shè)備，全面的采集橡膠園從外到內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，展示橡膠的生長情況，并且根據(jù)數(shù)據(jù)分析，給出何時(shí)施肥、施什么肥的建議決策[1]。

不管是國內(nèi)還是國外，目前采集終端的應(yīng)用是非常廣泛的，技術(shù)融合度也很高，但是最大的缺點(diǎn)是一直采用比較專用的終端采集設(shè)備，雖然使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加專業(yè)，但增加了開發(fā)的成本，也沒有考慮到采集人員的專業(yè)素養(yǎng)問題。

2 農(nóng)情信息采集系統(tǒng)分析

對(duì)于農(nóng)情信息采集系統(tǒng)來說，基本數(shù)據(jù)是核心，任何決策的制定都必須依賴大量真實(shí)數(shù)據(jù)的分析。因此，數(shù)據(jù)的采集過程是十分重要的，采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)易攜帶、易使用。本系統(tǒng)的重點(diǎn)就在于采集系統(tǒng)的開發(fā)，充分利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的支持，利用智能設(shè)備的便攜性，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度上采集農(nóng)情信息。系統(tǒng)開發(fā)過程嚴(yán)格按照軟件工程的流程進(jìn)行，各種分析、建模一應(yīng)俱全，保證開發(fā)過程的順利進(jìn)行。

2.1 基本農(nóng)情信息需求。本系統(tǒng)是一個(gè)專業(yè)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，出了軟件開發(fā)相關(guān)知識(shí)，還必須掌握大量的農(nóng)業(yè)知識(shí)，首先要明確什么是農(nóng)情信息。一般來講，農(nóng)作物生長過程中的各種數(shù)據(jù)都可以認(rèn)為是農(nóng)情信息，這類信息很多、很復(fù)雜，作為農(nóng)業(yè)主管部門必須依賴這類信息進(jìn)行管理，對(duì)農(nóng)民的勞作進(jìn)行指導(dǎo)。

2.2 農(nóng)情采集流程分析。農(nóng)情檢測(cè)是一系列操作的集合，一般來講由多個(gè)系統(tǒng)協(xié)作完成，其中地理信息系統(tǒng)是最重要的核心部分。經(jīng)分析，得出信息采集的主要步驟如下：第一步是創(chuàng)建地圖，農(nóng)田信息的抽象描述必須用地圖來實(shí)現(xiàn)。因此，一個(gè)強(qiáng)大的電子地圖系統(tǒng)是農(nóng)情采集的重要組成部分。到達(dá)農(nóng)田后，打開當(dāng)前地圖，將地圖的比例尺調(diào)到最大，顯示詳細(xì)的農(nóng)田信息。只有地圖足夠詳細(xì)、足夠精確、才能夠進(jìn)行后續(xù)操作。由于采集過程時(shí)間較長，應(yīng)特別注意智能設(shè)備的續(xù)航情況，地圖信息在保證清晰準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地采用比較省電的方式進(jìn)行顯示[2]。第二步是切割定位，根據(jù)農(nóng)田的具體情況，還應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，在地圖上對(duì)農(nóng)田進(jìn)行切割、標(biāo)注、重新定位等操作。這樣處理之后，既有宏觀上的全局地圖，也有細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力更強(qiáng)的特定區(qū)域地圖，便于進(jìn)行后續(xù)操作。第三步是移動(dòng)導(dǎo)航，在采集過程中，定位操作需要GPS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，GPS系統(tǒng)會(huì)傳輸大量信息，很多是采集系統(tǒng)不需要的，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^濾操作。第四步是空間計(jì)算，農(nóng)田的空間信息需要根據(jù)GPS系統(tǒng)的基本信息通過計(jì)算得出。第五步是數(shù)據(jù)錄入，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和錄入時(shí)，不光要有基本信息，還應(yīng)當(dāng)將多個(gè)基本信息組合起來生成更高層次的信息。例如，首先采集多個(gè)點(diǎn)上的信息，之后將點(diǎn)連成線，得到線性信息。在將線擴(kuò)展為面，得到平面信息，最后將多個(gè)平面信息組合為空間信息。最終得到的是全方位的，立體交叉的農(nóng)田信息。第六步是數(shù)據(jù)持久化，智能設(shè)備的存儲(chǔ)能力有限，因此采集到大量信息后，必須通過無線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)地傳輸并存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

3 農(nóng)情信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體框架。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的集成體，其采集終端可以是現(xiàn)有的普通智能移動(dòng)終端，比如手機(jī)。定位技術(shù)主要采用GPS技術(shù)，在移動(dòng)終端上，集成了GPS模塊，可實(shí)時(shí)獲得空間信息，而且是立體信息。上傳與下載協(xié)議的支持，可以讓采集終端從服務(wù)器上下載現(xiàn)有農(nóng)情信息甚至是地理信息，在采集了新的農(nóng)情信息之后，直接在本地存儲(chǔ)并顯示新的結(jié)果，當(dāng)然，也會(huì)啟動(dòng)傳輸協(xié)議，將新的農(nóng)情信息上傳到服務(wù)器中[3]。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。包括采集終端模塊、定位模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、衛(wèi)星通信模塊、交互模塊、存儲(chǔ)與管理模塊等部分組成。其中，采集終端模塊將定位、數(shù)據(jù)通訊和交互功能融為一體。有的部分通過專業(yè)的軟件實(shí)現(xiàn)，但其他功能則可以借助移動(dòng)終端本身具有的功能，比如現(xiàn)在的手機(jī)擁有較為高清的攝像頭，可以充當(dāng)采集終端。在這種設(shè)計(jì)下，如果沒有特殊的采集終端，只需要在通用的智能移動(dòng)終端上下載相關(guān)軟件就行了。

圖1 農(nóng)情采集系統(tǒng)總體框架

圖2 采集移動(dòng)終端邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2 移動(dòng)終端邏輯架構(gòu)。根據(jù)前文需求，設(shè)計(jì)移動(dòng)終端工作時(shí)的邏輯過程如圖2所示。首先根據(jù)定位技術(shù)，加載需求采集的農(nóng)情的地圖信息，然后利用終端的采集模塊，采集原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以是圖片、聲音，也可以是直接錄入的文字，最后將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以融合到地圖上的數(shù)據(jù)對(duì)象。這些數(shù)據(jù)對(duì)象是可以疊加的，比如一塊麥田上面，顯示農(nóng)作物基本信息、歸屬單位、干旱情況、地理位置等。

4 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 地圖載入功能模塊。地圖載入包括打開本地地圖和在線連接服務(wù)器端地圖兩種方式。如果終端所在地移動(dòng)服務(wù)商信號(hào)較弱，可以調(diào)用本地地圖數(shù)據(jù)；如果移動(dòng)信號(hào)較好，就可以通過GIS服務(wù)器，利用網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和傳遞。需要進(jìn)行交換的系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括三大類：物理格式的數(shù)據(jù)即TIFF光柵背景圖像，DBF、SHP文件數(shù)據(jù)的矢量圖形，以及屬性數(shù)據(jù)。這三類數(shù)據(jù)可以作為導(dǎo)航和查詢的數(shù)據(jù)層。地圖載入的全過程體現(xiàn)為數(shù)據(jù)格式的讀取、坐標(biāo)變換和自適應(yīng)屏幕顯示。該模塊不僅可以提供釋放、漫游、自由縮放和平移等基本功能，還可以對(duì)管理層的屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。比如查詢層要設(shè)計(jì)關(guān)于POI的數(shù)據(jù)查詢，同時(shí)顯示實(shí)現(xiàn)加載點(diǎn)shapefile后的記錄，所進(jìn)行的操作過程如下：（1）使用名字查詢對(duì)象的下拉框。（2）使用回車，DBF文件搜索名稱與字段。（3）查詢到一個(gè)匹配被分配到的記錄數(shù)。[4]（4）利用記錄號(hào)找到相應(yīng)的幾何點(diǎn)SHP文件，確定其坐標(biāo)，使用過GDI在PDA屏幕繪圖。

4.2 經(jīng)緯度面積計(jì)算。在農(nóng)田信息采集過程中，關(guān)于地塊的面積、形狀和其他信息，直接影響著農(nóng)作物的生產(chǎn)、施肥和其他業(yè)務(wù)的進(jìn)行。目前常用的計(jì)算方法有求積儀法、網(wǎng)格法、解析法和光學(xué)求積法，這些方法利用實(shí)時(shí)位置信息的GPS接收機(jī)，通過坐標(biāo)變換代表該地區(qū)的元計(jì)算程序而編寫建立[5]。

4.3 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊包括四個(gè)方面。一是移動(dòng)定位，該模塊采用串口通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，把GPS接收機(jī)導(dǎo)航定位接收到的數(shù)據(jù)利用串口與采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；采集設(shè)備對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后產(chǎn)生空間定位數(shù)據(jù)并顯示在地圖上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。在本文中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GPS功能和基于GPSID連接的GPS定位數(shù)據(jù)采集功能，通過NMEA0183命令解析方法，允許開發(fā)人員使用NMEA命令，從而降低了開發(fā)難度。二是專題采集和軌跡采集，對(duì)于該系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)，本文采用.NET Compact Framework進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中專題采集是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的不同主題，對(duì)不同的收集元結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，并記錄其屬性信息，存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，用戶通過客戶端代理遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)，而GPS軌跡采集是指沿著軌跡自動(dòng)記錄GPS位置數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)可以根據(jù)GPS軌跡的數(shù)據(jù)計(jì)算軌跡面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)RDA和無線數(shù)據(jù)傳輸功能。三是RDA遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)同步功能，使用windows CE數(shù)據(jù)庫引擎，管理存儲(chǔ)設(shè)備，跟蹤相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄、更新、刪除等操作。RDA數(shù)據(jù)庫引擎通過SQL Server CE Client Agent實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用。處理SQL服務(wù)器向客戶端代理服務(wù)器的HTTPC SQL CE發(fā)送的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)必要的信息傳輸。四是無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在有線連接和WIFI網(wǎng)絡(luò)不可使用時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)通過Http Web Request自動(dòng)連接到GPRS。該設(shè)備能使用TCP Client和UDP Client，與Connec?tion Manager Api連接。通過GPRS把收集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議編程，完成客戶端與服務(wù)器端應(yīng)用程序之間的交互。

綜上所述，論文基于移動(dòng)終端，設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)情信息采集系統(tǒng)。相比其他系統(tǒng)，論文系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)基于四點(diǎn)考慮，一是農(nóng)情信息的龐大與復(fù)雜；二是農(nóng)情信息采集地非常廣泛；三是收集工作人員的專業(yè)素質(zhì)性不高，無法進(jìn)行高難度操作；四是系統(tǒng)覆蓋面比較廣，必須考慮低成本設(shè)計(jì)。因此，論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采集終端，可直接運(yùn)行在普通的移動(dòng)終端上，僅作為一個(gè)桌面軟件使用。有待于進(jìn)一步研究的有兩個(gè)方面：一是多格式農(nóng)情數(shù)據(jù)的進(jìn)一步融合，二是農(nóng)情縱向信息展示，即農(nóng)情信息生命周期展示。該系統(tǒng)將有效保障糧食安全，為提高糧食產(chǎn)量奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]李惠賢.廣西農(nóng)情信息采集現(xiàn)狀及對(duì)策[J].廣西農(nóng)學(xué)報(bào)，2010（2）：81-83.

[2]陸明，李茂松，申雙和，王春艷.圖像識(shí)別技術(shù)在作物農(nóng)情信息反演中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011（3）：18-24.

[3]宋健，梁勇，陳競平，王慧平，孟志軍.小麥農(nóng)情信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（2）：85-89.

[4]李厚樸，邊少鋒，劉敏.地圖投影中三種緯度間變換直接展開式[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2013（2）：217-220.

[5]王麗愛，譚昌偉，馬昌，童璐，楊昕，崔懷洋，郭文善.農(nóng)情信息遙感監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建算法研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（11）：1-5.

TP311.52

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1671-0037（2014）08-46-2

付永華（1979-），男，講師，碩士，研究方向：信息管理。