朱福斌，丁世偉，李子杰，張友華，馬友華

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

作物配方施肥技術(shù),是近些年來我國(guó)農(nóng)業(yè)關(guān)注的主要問題之一。長(zhǎng)期以來，我國(guó)作物施肥普遍利用率不高，不僅對(duì)生產(chǎn)成本造成很大壓力，而且對(duì)環(huán)境的破壞較大，并對(duì)人體健康造成潛在危害[1-3]。開發(fā)及推廣應(yīng)用配方施肥系統(tǒng)，可以及時(shí)有效地為農(nóng)戶提供可靠的施肥建議。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)施肥信息系統(tǒng)也有了很多研究，Buresh,RJ等為菲律賓稻米開發(fā)了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持工具[4]。Papadopoulos,A等運(yùn)用模糊決策支持系統(tǒng)在特定場(chǎng)地中對(duì)氮肥施用量進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用[5]。Goffart,Jean-Pierre等驗(yàn)證了決策支持系統(tǒng)中幾種馬鈴薯氮素推薦量，提高了氮利用效率的可能性[6]。1985 年，中科院人工智能所研制了“砂姜黑土小麥?zhǔn)┓蕦＜蚁到y(tǒng)”[7]。王囡囡等研制了針對(duì)三江平原區(qū)TRPF配方施肥軟件，并綜合分析驗(yàn)證了大豆施肥的效果[8]。張明安、龐永青等分別在WebGIS 基礎(chǔ)上，建立了縣域配方施肥系統(tǒng)和農(nóng)田測(cè)土配方施肥管理信息系統(tǒng)[9，10]。祖娟等以采用嵌入式GIS、移動(dòng)GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PDA終端的配方施肥系統(tǒng)構(gòu)建[11]。張麗等以原有的GIS 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了PDA 終端的小麥配方施肥系統(tǒng)構(gòu)建[12]。國(guó)內(nèi)配方施肥系統(tǒng)在微信上的應(yīng)用尚不多見，而微信作為最為常用的信息傳遞媒介之一，用戶基數(shù)大，信息傳遞效率高，操作便捷，是理想的施肥推薦平臺(tái)。以微信公眾號(hào)為媒介，構(gòu)建安徽省縣域作物配方施肥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作物精確施肥，可以為農(nóng)戶提供施肥決策意見，提高耕地可持續(xù)發(fā)展能力。

1 系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.方便實(shí)用性。系統(tǒng)以廣大農(nóng)民和基層農(nóng)技人員為主要服務(wù)對(duì)象，以滿足廣大農(nóng)民和基層農(nóng)技人員的實(shí)際需求為主要目標(biāo)，以縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，查詢各行政級(jí)別下的配方施肥情況。

2.標(biāo)準(zhǔn)化和通用性。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮作物配方施肥中國(guó)標(biāo)和行標(biāo)發(fā)布的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在確保系統(tǒng)性能優(yōu)越的情況下，同時(shí)兼顧安徽省縣域的特性。

3.可擴(kuò)展性。系統(tǒng)預(yù)留相應(yīng)接口，在后期因配方施肥功能需求變化而需要添加或更改時(shí)，能夠針對(duì)性地提供不同的模塊服務(wù)。

4.可維護(hù)性。系統(tǒng)應(yīng)考慮空間數(shù)據(jù)庫(kù)及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的更新維護(hù)，確保數(shù)據(jù)庫(kù)模塊之間相互獨(dú)立。在修復(fù)和擴(kuò)展新功能時(shí)，修改和影響的范圍局限在更小的區(qū)域。

1.2 開發(fā)平臺(tái)及工具

系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，作物配方施肥管理平臺(tái)和微信公眾號(hào)平臺(tái)。作物配方施肥系統(tǒng)管理平臺(tái)運(yùn)用B/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地優(yōu)化了用戶體驗(yàn)。管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)采用了穩(wěn)定的J2EE 技術(shù)規(guī)范，采用SSM 框架，即Spring+SpringMVC+MyBatis 框架，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用穩(wěn)定高效的Sql Server 數(shù)據(jù)庫(kù)。后臺(tái)配備防火墻軟件，使系統(tǒng)在安全能力、穩(wěn)定程度和成熟程度進(jìn)一步提高。系統(tǒng)程序運(yùn)行迅速流暢，各區(qū)域模塊分工合理，擁有較強(qiáng)的邏輯性、靈活性、可靠性和持續(xù)性。

微信公眾號(hào)平臺(tái)采用了AngularJS-ionic, 以Web應(yīng)用為基礎(chǔ)，主要包括HTML5、CSS3、JavaScript技術(shù)對(duì)智能設(shè)備APP開發(fā)的框架為基礎(chǔ)，具有很好的跨平臺(tái)性能。系統(tǒng)配合SuperMap軟件，通過對(duì)矢量文件配圖處理，對(duì)用戶展現(xiàn)美觀、清晰的耕地情況。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖

圖1 基于微信的縣域配方施肥系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括各鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、村配方比例表、養(yǎng)分化驗(yàn)數(shù)據(jù)表、鄉(xiāng)鎮(zhèn)肥料經(jīng)銷商信息表、缺素圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)、作物受害圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)采用WGS84 坐標(biāo)shp 文件，內(nèi)容主要包括采樣點(diǎn)點(diǎn)位圖，耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果圖，縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、村級(jí)行政區(qū)劃圖，養(yǎng)分分布圖（有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、速效鉀、有效磷和中微量元素），土壤類型分布圖，耕地地力等級(jí)分布圖。其中，養(yǎng)分分布圖以耕地地力評(píng)價(jià)結(jié)果圖單元為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用空間插值的方法，對(duì)全縣范圍賦值，構(gòu)建縣域空間數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)配圖則使用SuperMap軟件，對(duì)矢量文件疊加處理，生成配圖文件，并上傳至SuperMap 服務(wù)器后臺(tái)保存。

2 作物配方施肥空間插值與模型建立

系統(tǒng)運(yùn)用了空間插值法擬合縣域養(yǎng)分空間分布，通過綜合肥料效應(yīng)函數(shù)法、養(yǎng)分平衡法和目標(biāo)產(chǎn)量法建立了安徽省縣域作物施肥模型。

2.1 空間插值

空間插值是指運(yùn)用一定的方法和規(guī)律，通過一定數(shù)目的已知樣點(diǎn)的點(diǎn)信息推測(cè)整個(gè)研究區(qū)域的面信息。本文根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)空間插值，預(yù)測(cè)獲取全縣域養(yǎng)分分布，再根據(jù)不同作物養(yǎng)分關(guān)系，推薦相應(yīng)施肥配比?？臻g插值方法有多種多樣，根據(jù)采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分區(qū)域分布情況，應(yīng)當(dāng)使用不同的空間插值方法來處理采樣點(diǎn)。不同的空間插值方法結(jié)果精度和分布區(qū)域不一，本文主要采用空間插值方法中應(yīng)用最為廣泛的反距離權(quán)重插值法（IDW）和克里金插值法（Kriging）來預(yù)測(cè)縣域養(yǎng)分空間分布。

2.1.1 反距離權(quán)重插值法

反距離權(quán)重插值法(IDW)是基于地理學(xué)第一定律的原理，即萬事萬物都是有聯(lián)系的，兩個(gè)物體距離越近，其性質(zhì)越接近；兩個(gè)物體距離越遠(yuǎn)，其性質(zhì)差異性越明顯。反距離權(quán)重插值法(IDW)作為運(yùn)用最為廣泛和普遍的空間插值方法，通過已知點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的距離作為權(quán)重并加權(quán)平均計(jì)算,離已知點(diǎn)越近的預(yù)測(cè)點(diǎn)權(quán)重越大。反距離權(quán)重插值法(IDW)要求插值對(duì)象分布均勻適中，并且插值面有局部因變量。其公式為：

式中，Z(s0)為S1處的預(yù)測(cè)值，N 為預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍樣點(diǎn)需要使用的數(shù)目；λ1為使用的樣點(diǎn)的權(quán)重值，Z(s1)是在S1處獲得的已知值。

2.1.2 克里金插值法

克里金插值法（Kriging）起源悠久，南非礦產(chǎn)工程師Danie G. Krige在上個(gè)世紀(jì)五十年代初開創(chuàng)性地采用此方法找尋金礦，并由法國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Georges Matheron 為此方法奠定了基礎(chǔ)，并命名為Kriging。克里金插值法作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)重要內(nèi)容之一，在空間自相關(guān)地基礎(chǔ)上，利用半變異函數(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，克里金法要求原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過函數(shù)變換后的數(shù)據(jù)正態(tài)分布。其公式為：

式中，s表示不同空間位置的坐標(biāo)點(diǎn)位，可默認(rèn)為經(jīng)緯度坐標(biāo)；Z(s)是s 處的變化量；μ(s)表示確定趨勢(shì)；ε(s)表示自相關(guān)誤差，對(duì)此公式轉(zhuǎn)換變形，可以得到多種克里金插值方法。

對(duì)于趨勢(shì)值μ(s)，若任意情況下，μ(s)=μ，即趨勢(shì)值為一個(gè)常數(shù)，則表示該模型為普通克里金。同時(shí)，μ(s)也可以表示成一個(gè)二階多項(xiàng)式趨勢(shì)面方程，即：

式中x、y表示空間坐標(biāo)，μ(s)表示趨勢(shì)值。

2.2 作物施肥模型建立

在精準(zhǔn)施肥指標(biāo)體系研究基礎(chǔ)上，以養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法為基礎(chǔ)，根據(jù)田塊土壤養(yǎng)分條件，綜合肥料效應(yīng)函數(shù)法、養(yǎng)分平衡法和目標(biāo)產(chǎn)量法，設(shè)計(jì)出一種適合安徽省縣域特點(diǎn)的作物配方施肥模型。公式如下：

其中F(ds)為養(yǎng)分施用量與養(yǎng)分測(cè)量值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其公式如下所示：

式中：fa表示需要施肥量（kg/畝）；SM表示標(biāo)準(zhǔn)畝產(chǎn)（kg/畝）；TY表示目標(biāo)產(chǎn)量（kg/畝）；DS0-DS5表示土壤測(cè)定值；TYmax，TYmin表示分別為最高產(chǎn)量和最低產(chǎn)量（kg/畝）；FA1-FA4表示建議施肥量（kg/畝）。

該模型綜合了養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法、目標(biāo)產(chǎn)量法和肥料效應(yīng)函數(shù)法的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)自行設(shè)定產(chǎn)量，同時(shí)針對(duì)地塊條件精準(zhǔn)地推算各類化肥施用量，既具有時(shí)效性、又具有穩(wěn)定性，針對(duì)性地解決了農(nóng)戶難以獲得定制配方施肥的問題。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

3.1 農(nóng)田土壤查詢

用戶選擇任意耕地地塊，可查詢耕地地塊相關(guān)土壤信息。主要包括①全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH 值及中微量元素含量；②土種、土成土母質(zhì)、耕層質(zhì)地、耕層厚度、剖面構(gòu)型；③區(qū)域位置及地力等級(jí)。幫助用戶了解耕地土壤基本信息，通對(duì)對(duì)耕地土壤情況的大致了解，判斷適合種植的作物種類。

定位查詢：通過微信LBS(Location Based Services)地理服務(wù)，獲取當(dāng)前位置信息，定位查詢所在田塊上述土壤各項(xiàng)特征信息。

3.2 作物施肥信息查詢

根據(jù)用戶所選耕地地塊，可顯示不同配方信息。根據(jù)不同的作物、目標(biāo)產(chǎn)量及肥料種類，自動(dòng)生成基肥、追肥方案。此項(xiàng)功能是本系統(tǒng)的主要功能，涵蓋內(nèi)容豐富。其中作物品種包含水稻、小麥、玉米、油菜、大豆等主要作物，并可自定義目標(biāo)產(chǎn)量，針對(duì)性地計(jì)算出配方肥及單質(zhì)肥施肥方案。方案包括基肥方案及追肥方案，涵蓋了氮磷鉀及中微量元素施肥方案。

定位查詢：查詢手機(jī)當(dāng)前位置農(nóng)田的上述作物施肥各種信息。

3.3 圖譜查詢

主要包含作物缺素圖譜、病蟲害圖譜、藥肥氣害圖譜。以圖片形式展現(xiàn)，使用戶可以更加直觀的了解到作物生長(zhǎng)異常時(shí)的性狀表現(xiàn)，能夠協(xié)助用戶及時(shí)了解作物是否正常生長(zhǎng)，減少作物受害范圍，防范作物減產(chǎn)減收。

3.4 農(nóng)技專家及經(jīng)銷商查詢

主要提供了當(dāng)?shù)剞r(nóng)技專家專業(yè)方向及聯(lián)系方式，便于用戶與農(nóng)技專家直接聯(lián)系。提供了縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）經(jīng)銷商位置及聯(lián)系方式，方便用戶肥料購(gòu)買，并可依據(jù)配方施肥方案按需生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)定制化肥料生產(chǎn)，在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)節(jié)省成本。

3.5 文檔資料查詢

主要包含全縣范圍內(nèi)常見病蟲害防治文檔、作物施肥技術(shù)文檔、作物栽培技術(shù)文檔、苗情簡(jiǎn)報(bào)、農(nóng)業(yè)法律法規(guī)。為用戶提供了作物種植中常見問題的解決方案，配合農(nóng)技專家，綜合促進(jìn)作物豐收、產(chǎn)量提升。同時(shí)可以查詢定期的作物疫情報(bào)告，便于了解近期各地的作物疫情情況，為作物災(zāi)情做好提前防范。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前該系統(tǒng)已在安徽省明光市、蒙城縣、潛山市、鳳臺(tái)縣、巢湖市和靈璧縣應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。和App 應(yīng)用相比，本系統(tǒng)不僅具有APP 應(yīng)用的各項(xiàng)功能，而且無需下載、安裝，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后臺(tái)自動(dòng)更新。同時(shí)，微信作為一個(gè)用戶人數(shù)眾多的社交軟件，它的互動(dòng)性是其優(yōu)勢(shì)所在，是其他軟件不能比擬的。在微信公眾平臺(tái)中，可以通過用戶信息自動(dòng)回復(fù)，也可由后臺(tái)更新服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息的迅速獲取。并提供了基于LBS(Location Based Services)的地理位置的服務(wù)，微信端實(shí)現(xiàn)縣域農(nóng)戶對(duì)所在任意田塊定位查詢土壤信息、作物施肥配方、周邊經(jīng)銷商等查詢，系統(tǒng)功能模塊齊全，系統(tǒng)整體靈活便捷，使用戶能夠方便操作，傳播有效性更高，可隨時(shí)隨地提供信息和服務(wù)，更容易在農(nóng)戶或基層農(nóng)技人員中推廣，減少農(nóng)戶施肥決策中的主觀性和盲目性，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，農(nóng)民增收。