錢育蓉，冷洪勇，魏心雨，楊啟萌，毛福江，王淑媛

（新疆大學(xué)軟件學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830004）

WebGIS架構(gòu)棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

錢育蓉，冷洪勇，魏心雨，楊啟萌，毛福江，王淑媛

（新疆大學(xué)軟件學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830004）

新疆是國家棉花主產(chǎn)區(qū)，提高種植監(jiān)管的現(xiàn)代化、信息化水平對(duì)穩(wěn)定棉花產(chǎn)量、價(jià)格具有引領(lǐng)和示范作用。將WebGIS架構(gòu)、3S技術(shù)與棉花估產(chǎn)建模技術(shù)相結(jié)合，輔以實(shí)地調(diào)查和基于植被指數(shù)的棉花遙感估產(chǎn)模型，以瑪納斯為縣級(jí)試驗(yàn)區(qū)，將植被葉片病蟲害受損度計(jì)算、面積和產(chǎn)量估測以及棉花病蟲害專家診療等模塊納入棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)，在Web Service架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了棉花的長勢、種植面積及其空間分布的電子地圖展示，以期輔助棉花產(chǎn)量和價(jià)格的評(píng)估，為新疆地區(qū)棉花生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理提供輔助決策依據(jù)，準(zhǔn)確、快速、及時(shí)地監(jiān)測和預(yù)報(bào)棉花主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)狀況，也同時(shí)為我國棉花價(jià)格和市場穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

遙感；輔助決策；估產(chǎn)；WebGIS；專家診療

新疆具有日照時(shí)間長、晝夜溫差大、人口密度低、人均耕地面積高等諸多優(yōu)勢，十分適宜棉花種植生產(chǎn)，是我國最大的商品棉生產(chǎn)出口基地[1]，其棉花種植面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)和商品調(diào)撥量連續(xù)21年穩(wěn)居全國首位[2]。然而受棉花種植面積減小、災(zāi)害及病蟲害等原因影響，近年來棉花產(chǎn)量與預(yù)測產(chǎn)量出現(xiàn)較大誤差，引發(fā)市場投機(jī)炒作和價(jià)格異常波動(dòng)[3]，棉價(jià)的暴漲、暴跌，不僅極大的損害棉農(nóng)切實(shí)利益，對(duì)紡織企業(yè)甚至社會(huì)的穩(wěn)定都帶來了巨大的影響，因此，及時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的預(yù)測棉花產(chǎn)量，輔助政府部門開展新疆棉花的種植、監(jiān)測和管理，不僅對(duì)棉農(nóng)的生產(chǎn)計(jì)劃、紡織企業(yè)的生產(chǎn)安排、國家的宏觀調(diào)控有著直接的作用，還有利于保障我國棉花產(chǎn)業(yè)安全、優(yōu)化種植業(yè)布局和促進(jìn)新疆社會(huì)穩(wěn)定。

隨著3S技術(shù)（RS、GIS、GPS）的不斷發(fā)展，對(duì)植被生產(chǎn)力與生物量的研究已經(jīng)從小范圍、二維尺度的傳統(tǒng)地面測量發(fā)展到大范圍、多維時(shí)空的遙感模型估算[4-5]?；?S數(shù)據(jù)構(gòu)建棉花遙感監(jiān)測和估產(chǎn)模型（CYE－DSS）將遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等信息化手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從信息獲取、信息處理到信息應(yīng)用的一體技術(shù)，具有宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)、信息量大的特點(diǎn)?？紤]到新疆的棉花種植機(jī)械化程度高、耕地平整連片、條田建設(shè)規(guī)范、統(tǒng)一種植與栽培管理，并且棉花生長季節(jié)以晴天為主，陰雨天少，灌溉農(nóng)業(yè)和管理宜于控制，具有開展以遙感應(yīng)用為核心的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢。本研究綜合運(yùn)用3S、WebGIS和系統(tǒng)建模等技術(shù)估測棉花的種植面積與產(chǎn)量，進(jìn)行大面積范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)長勢監(jiān)測，嘗試能夠?yàn)樾陆藁óa(chǎn)量價(jià)格估測以及區(qū)域化綜合管理提供輔助決策依據(jù)。

1 CYE-DSS的設(shè)計(jì)目標(biāo)

目前，利用3S手段開展的小麥、玉米、水稻等農(nóng)作物方面遙感監(jiān)測估產(chǎn)的研究較多[6]，但對(duì)棉花識(shí)別模型和生產(chǎn)力估測主要集中在研究領(lǐng)域，雖然對(duì)新疆棉花的遙感監(jiān)測和估產(chǎn)研究已經(jīng)取得了不少成果[7-8]，但這些研究成果還未被推廣和應(yīng)用，專業(yè)的遙感處理軟件和技術(shù)知識(shí)門檻使得廣大的棉花種植管理人員無法共享科學(xué)研究和進(jìn)步的果實(shí)，必須將這些專業(yè)的技術(shù)和知識(shí)打包，以模塊和專業(yè)服務(wù)的方式提供，不但能使得非遙感估產(chǎn)專家們及時(shí)了解棉花長勢和價(jià)格，以輔助管理和決策人員正確判斷棉花市場和價(jià)格，還能在棉花估產(chǎn)模型的構(gòu)造、軟件服務(wù)平臺(tái)的搭建及產(chǎn)業(yè)化等方面開展進(jìn)一步探索和嘗試。

基于3S的棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)是利用專家輔助決策理論來實(shí)現(xiàn)的圖文數(shù)據(jù)分析綜合信息服務(wù)解決方案，本項(xiàng)目首先解決基于3S數(shù)據(jù)的棉花遙感估產(chǎn)模型的構(gòu)建和驗(yàn)證問題，繼而面向數(shù)據(jù)和應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化基于Web Service的棉花遙感信息輔助決策模型（遙感監(jiān)測和估產(chǎn)），綜合運(yùn)用3S技術(shù)將棉花的估產(chǎn)、監(jiān)管和決策輔助等功能集成，基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)區(qū)的棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以方便棉花管理決策人員開展棉花種植面積、長勢、產(chǎn)量的集中管理，可在新疆棉花種植核心區(qū)推廣，以輔助棉花種植者、農(nóng)業(yè)部工作人員開展棉花種植的決策和管理工作。

圖1 基于J2EE架構(gòu)的分布式WebGIS體系結(jié)構(gòu)

2 分布式WebGIS架構(gòu)

目前，提供3S遙感模型服務(wù)的開發(fā)越來越多，其相關(guān)產(chǎn)品種類也層出不窮，比較專業(yè)的產(chǎn)品分別是ArcGIS系列、Maplnfo系列、uDig系列、Intergraph系列和Supermap系列等，這些產(chǎn)品從桌面應(yīng)用到Web服務(wù)都有完整的解決方案，考慮到J2EE規(guī)范提供了一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的分布式應(yīng)用程序模型，具有重用組件的能力，基于XML/GML的數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一的安全模式和靈活的事務(wù)控制，應(yīng)用邏輯按功能劃分為組件，各個(gè)應(yīng)用組件根據(jù)他們所在的層可以分布在不同的機(jī)器上。本研究在J2EE框架下搭建基于Web Service的多層分布式體系架構(gòu)，采用如圖1所示的分布式云服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。

3 四層結(jié)構(gòu)的CYE-DSS設(shè)計(jì)

基于Web Service技術(shù)的WebGIS體系結(jié)構(gòu)具有分布式、可互操作、方便集成現(xiàn)有GIS資源的優(yōu)點(diǎn)，有良好的擴(kuò)展性，本研究擬基于此采用如圖2所示的典型結(jié)構(gòu)，它包括四個(gè)層次：表示層、Web應(yīng)用層、Web服務(wù)層、功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)層。其中Web服務(wù)層是系統(tǒng)應(yīng)用集成平臺(tái)的核心層，相當(dāng)于原多層體系結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)層[9]。

3.1 表示層

主要由多個(gè)GIS應(yīng)用和Web瀏覽器組成，通過Internet與應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)連接，面向用戶提供訪問服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，完成地圖的瀏覽、放大、縮小、GIS的查詢和分析結(jié)果表現(xiàn)，并支持GIS分析結(jié)果的輸出。

3.2 Web應(yīng)用層

主要由防火墻、負(fù)載均衡器 （Load Balancer）、Web服務(wù)器簇和Service客戶端等組成。該層可根據(jù)當(dāng)前Web服務(wù)器的負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)請(qǐng)求，并隔離內(nèi)外網(wǎng)以起到系統(tǒng)保護(hù)的作用，本研究中還負(fù)責(zé)調(diào)用與遙感生態(tài)模型相對(duì)應(yīng)的 Web Service來進(jìn)行業(yè)務(wù)處理并返回結(jié)果。

3.3 Web服務(wù)層

是分布式WebGIS的核心，由UDDI注冊中心、服務(wù)總線（Service Bus）、Web Service容器、應(yīng)用服務(wù)器和服務(wù)代理（Service Broker）組成，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，接受來自客戶的請(qǐng)求，進(jìn)行分析并搜索調(diào)用相應(yīng)的Web服務(wù)。

3.4 功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)層

包括已有并開放的數(shù)據(jù)庫、GIS資源和服務(wù)，在原有體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行Web Service封裝，使之符合Web Service調(diào)用規(guī)范。該分布式計(jì)算平臺(tái)將棉花監(jiān)測Web Service發(fā)布到公共注冊中心，對(duì)于僅供內(nèi)部使用的Web Service則發(fā)布到內(nèi)部注冊中心。當(dāng)有外部用戶請(qǐng)求Web Service時(shí)，Web服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求給Service客戶端。

圖2 分布式WebGIS棉花監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)

圖3 包含棉花種植信息的瑪納斯電子地圖

圖4 基于數(shù)字圖像的棉花病害率輔助決策模塊

圖5 研究區(qū)樣點(diǎn)經(jīng)緯度和NDVI截圖

4 CYE-DSS的實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證基于WebGIS的CYE-DSS設(shè)計(jì)，本研究選取天山北坡中段的優(yōu)質(zhì)棉花產(chǎn)區(qū)--瑪納斯縣作為縣級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)，該地區(qū)光熱水土條件十分優(yōu)越，規(guī)模植棉歷史已有60多年，被農(nóng)業(yè)部授予 “中國優(yōu)質(zhì)棉花之鄉(xiāng)”，2013年的棉花平均單產(chǎn)達(dá)到350kg/667m2以上，最高的六戶地鎮(zhèn)陳家渠片可以達(dá)到500kg/667m2，創(chuàng)出當(dāng)?shù)刂裁逇v史新高。

針對(duì)當(dāng)前棉農(nóng)和棉花管理者在棉花估產(chǎn)和輔助決策管理方面存在的顯示問題，基于WebGIS的棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方面的功能：（1）通過WebGIS實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)電子地圖的發(fā)布，包括地圖的縮放、面積量算、圖層控制、地圖輸出以及屬性信息和空間信息查詢等功能 （如圖3）；（2）內(nèi)嵌了基于數(shù)字圖片的植被葉片受損度批量計(jì)算模塊，可客觀、準(zhǔn)確地依據(jù)真彩色數(shù)碼相片自動(dòng)計(jì)算葉片長、寬、面積以及受損率，以輔助棉花管理人員進(jìn)行決策；（3）能夠精確顯示鼠標(biāo)懸停點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，實(shí)現(xiàn)棉花種植區(qū)的精確管理；（4）對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專題圖分析，使用戶了解樣區(qū)中各樣點(diǎn)屬性的分布情況；（5）對(duì)不同的用戶（管理者和棉農(nóng)）設(shè)置不同的權(quán)限，并提供相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)的增、刪、改功能。

5 討論

針對(duì)棉花估產(chǎn)和決策管理的信息化、自動(dòng)化程度低的現(xiàn)象，試圖探索實(shí)現(xiàn)一種基于WebGIS的棉花估產(chǎn)輔助決策系統(tǒng)，不僅能夠基于3S技術(shù)實(shí)現(xiàn)棉花產(chǎn)量的預(yù)估，還能夠綜合已有信息輔助管理專家開展棉花種植的監(jiān)督、管理和決策。但是由于人力、財(cái)力、時(shí)間以及技術(shù)儲(chǔ)備知識(shí)等方面的局限，和已有的研究相比，CYE-DSS還存在進(jìn)一步完善和改進(jìn)的空間：（1）遙感圖像導(dǎo)入CYE-DSS之前還需預(yù)處理。由于遙感圖像在用于棉花估產(chǎn)之前需要進(jìn)行一系列的預(yù)處理操作，如：輻射校正、大氣校正、幾何校正、掩膜、鑲嵌、植被指數(shù)計(jì)算等環(huán)節(jié)，均涉及復(fù)雜的計(jì)算和迭代，在WebGIS的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)上述預(yù)處理操作會(huì)增加服務(wù)器端計(jì)算負(fù)擔(dān)，造成客戶端響應(yīng)時(shí)間長并帶來較差的用戶體驗(yàn)，因此，CYE-DSS在導(dǎo)入電子地圖之前需要利用專業(yè)遙感處理軟件將研究區(qū)遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理，在今后的工作中需要進(jìn)一步優(yōu)化服務(wù)器端以將更多的專業(yè)處理放在服務(wù)器端，以減少CYE-DSS的運(yùn)行維護(hù)工作量。（2）CYE-DSS缺乏對(duì)移動(dòng)客戶端的支持。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和社交網(wǎng)絡(luò)的興起，廣大棉農(nóng)、管理人員和專家若能利用智能手機(jī)終端開展棉花的估產(chǎn)和病蟲害專家診斷工作，并利用社交網(wǎng)絡(luò)開展棉花種植、病蟲害防治等信息的共享和交互，將會(huì)使新疆地區(qū)的棉花種植和管理的信息化程度大大增加，不僅能使棉農(nóng)增收、加強(qiáng)災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力，還能夠進(jìn)一步提高管理效率和信息化程度，為實(shí)現(xiàn)“集中管理、統(tǒng)一籌劃、信息共享、高效決策”預(yù)期目的奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

將網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)引人農(nóng)業(yè)信息服務(wù)，可以將零散資源整合成極大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫云，既可輕松實(shí)現(xiàn)無限存儲(chǔ)、超級(jí)運(yùn)算、高效快速傳輸、資源共享等傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的功能，又可以有效發(fā)揮鄉(xiāng)鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋率已經(jīng)超過99%的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)多種資源的便捷獲取和全面共享，提高農(nóng)業(yè)信息服務(wù)的水平和質(zhì)量。一方面，通過3S技術(shù)快速、準(zhǔn)確的掌控棉花種植信息，不但可以縮短產(chǎn)量預(yù)估周期、提高管理決策效率，還能通過專家決策輔助系統(tǒng)來指導(dǎo)生產(chǎn)、物流、倉儲(chǔ)等下游環(huán)節(jié)，降低經(jīng)營成本、減少人力、資金和物資投入；另一方面，基于WebGIS的CYE-DSS的建設(shè)不但有利于農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)平臺(tái)的搭建，可降低農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)成本，加快農(nóng)業(yè)信息的共享、共建和管理，還可以有效促進(jìn)棉花種植業(yè)勞動(dòng)力的合理分布，指導(dǎo)勞動(dòng)力市場的良性運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而拉動(dòng)新疆棉花種植業(yè)勞動(dòng)力市場的的合理分配和勞動(dòng)密集型就業(yè)。最后，考慮到新疆棉花產(chǎn)量及價(jià)格與國際棉花價(jià)格期貨市場相關(guān)，CYE-DSS通過遙感估產(chǎn)模型實(shí)時(shí)估測棉花產(chǎn)量，不但有利于準(zhǔn)確把握棉花期貨價(jià)格，還能指導(dǎo)棉花中下游生產(chǎn)加工企業(yè)的生產(chǎn)性投資，減低企業(yè)投資風(fēng)險(xiǎn)，為農(nóng)業(yè)訂單式生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

[1]孔杰，張勝，趙淑琴，等.2006—2012年新疆北部棉區(qū)高密度植棉模式下雜交種主要經(jīng)濟(jì)性狀優(yōu)勢分析[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，50（9）：1569-1576.

[2]梁山.新疆欲大幅削減棉花種植面積 [N].上海證券報(bào)，2015-3-13，A06版.

[3]盧凌霄，劉慧.推進(jìn)棉花目標(biāo)價(jià)格改革研究[J].價(jià)格理論與實(shí)踐，2015（1）：21-23.

[4]辛海強(qiáng)，馮志敏.棉花種植區(qū)衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究[J].測繪與空間地理信息，2014，37（2）：25-27.

[5]劉姣娣，曹衛(wèi)彬，李華，等.基于植被指數(shù)的新疆棉花遙感估產(chǎn)模型研究 [J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2011，29（2）：153-157.

[6]蒙繼華，吳炳方．基于衛(wèi)星遙感預(yù)測作物成熟期的可行性分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2013，28（2）：165-173.

[7]高中靈，徐新剛，王紀(jì)華，等.基于時(shí)間序列NDVI相似性分析的棉花估產(chǎn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（2）：148－153.

[8]任玲，曹衛(wèi)彬，李江全，等.基于GIS平臺(tái)的兵團(tuán)棉花遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（7）：114-117.

[9]鄒鵬，蔣平安，張土前.基于WebGIS的新疆耕地資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，49（8）：1525-1530.

2015—04—28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61462079、61363083、61262088）；自治區(qū)高技術(shù)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201412111）；新疆青年博士科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目（2013731004）；新疆高?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目 （XJEDU2012I10）；新疆自治區(qū)自然科學(xué)基金（2013211A011、2011211A011）。