王甜 李旭輝 楊開世 杜佳舉 白宇珩 代永強(qiáng)

摘要：由于多年人為和自然因素的綜合作用，使得干旱、半干旱甚至半濕潤(rùn)地區(qū)自然環(huán)境退化，世界環(huán)境部分出現(xiàn)荒漠化，抑制荒漠化的主要措施是解決植被問題。

土壤檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，旨在為貧瘠土壤環(huán)境檢測(cè)及提供植被種植的參考方案。系統(tǒng)為植物種植工作者提供了一個(gè)較為科學(xué)完備的數(shù)據(jù)庫，在一些貧瘠土地上工作時(shí)不僅可以通過直接搜索關(guān)鍵字進(jìn)行得到植物的相關(guān)數(shù)據(jù)，還可以通過模擬環(huán)境以及利用硬件實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，匹配相應(yīng)適宜的植物作為參考數(shù)據(jù)，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境篩選出最恰當(dāng)?shù)闹参铮瑴p少多次實(shí)驗(yàn)的不必要性。

關(guān)鍵詞：西部大開發(fā);生態(tài)環(huán)境;大數(shù)據(jù);土壤元素;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）30-0132-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，生態(tài)環(huán)境建設(shè)逐漸變成關(guān)注的要點(diǎn)，其中土地沙漠化引起人們廣泛的關(guān)注。自國家確定開始西部大開發(fā)規(guī)劃以來，我國西部作為經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一重點(diǎn)戰(zhàn)略地區(qū)，而嚴(yán)酷的環(huán)境卻是阻擋國家建設(shè)的一大難題，因此我國西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)成為重中之重的任務(wù)。而對(duì)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)不單單只是防止土地荒漠化這一項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)于絕大多數(shù)西北地區(qū)而言，水土流失嚴(yán)重，土地鹽堿化，氣候日夜溫差大，降水量少，植被種植自當(dāng)主要的問題;而解決這些問題首先需要科學(xué)得恢復(fù)適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的自然植被，所選用的植被必須是要符合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，種樹或者種草的人為恢復(fù)方法都必須遵循當(dāng)?shù)刂脖谎萏婕吧鷳B(tài)規(guī)律。

本套系統(tǒng)硬件與軟件技術(shù)相結(jié)合，使得整套系統(tǒng)首先具有數(shù)據(jù)檢測(cè)的功能，檢測(cè)溫度、PH等土壤元素的多個(gè)傳感器進(jìn)行組合構(gòu)成硬件部分，利用硬件設(shè)備可以對(duì)一定區(qū)域土壤中溫度、濕度以及pH數(shù)據(jù);其次，系統(tǒng)提供了較為完備的數(shù)據(jù)庫，利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)知識(shí)將數(shù)據(jù)分析整理，為檢測(cè)的區(qū)域樣方找到合適的植被建議使得數(shù)據(jù)更加的具有實(shí)用性和科學(xué)性。

1 可行性分析

1.1 要求

此系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)檢測(cè)和環(huán)境模擬兩大功能。軟件用于供給用戶可視化界面，包括植物信息搜索、環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取、環(huán)境模擬結(jié)果等等。硬件系統(tǒng)用以檢測(cè)土壤數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)等。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)必要性

1）土壤酸堿度（pH）對(duì)植物的影響。土壤的酸堿度對(duì)植被的生長(zhǎng)情況影響特別大。一般來說，中性土壤環(huán)境中的各種養(yǎng)分對(duì)于植物來說更容易被吸收，也更有利于植物的生長(zhǎng)，也更能促進(jìn)植被產(chǎn)量的提高，適合絕大部分植物的生長(zhǎng)。因此，土壤上種植植物的選取要根據(jù)土壤所具有的特性。

2）土壤濕度對(duì)植物的影響。土壤濕度指土壤含水量的多少，土壤濕度很大程度會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，沙漠、半沙漠地區(qū)形成的最主要原因就是土壤含水量低，絕大部分部分植物難以在缺水的環(huán)境下生存，從而逐漸消失，土壤裸露在外，常年遭受風(fēng)沙侵蝕，形成沙漠。因此，不同的植物對(duì)于環(huán)境適應(yīng)的能力不同，而當(dāng)我們清楚地掌握這些數(shù)據(jù)之后，植物便能更好的生長(zhǎng)。

通過以上的研究和分析，認(rèn)為系統(tǒng)的開發(fā)獲得效益大于投入，所以開發(fā)項(xiàng)目是可行的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

完整的土壤檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和植物數(shù)據(jù)庫。

硬件系統(tǒng)主要用于對(duì)土壤中給各個(gè)元素的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)檢測(cè)方面，使用溫度、濕度、PH等多個(gè)傳感器以及Arduion開發(fā)板，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)并對(duì)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將數(shù)據(jù)傳入軟件緩沖數(shù)據(jù)庫，然后再交由軟件完成接下來的步驟。

軟件系統(tǒng)主要為用戶提供一個(gè)可視化界面以及數(shù)據(jù)分析功能，采用vue開發(fā)整個(gè)電腦端頁面，軟件后端提供處理數(shù)據(jù)的相應(yīng)接口用來處理硬件設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，軟件將存儲(chǔ)在緩沖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)調(diào)用進(jìn)來進(jìn)行分析，并進(jìn)行用戶交互，對(duì)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，處理和選擇。

數(shù)據(jù)庫中主要存放硬件設(shè)備在土壤中采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互，植物數(shù)據(jù)庫包含植物的各種信息，具體反映了植物的基本信息以及植物生長(zhǎng)所需要的環(huán)境，例如PH、生長(zhǎng)適宜溫度、濕度、海拔高度、年降水量等。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

土壤檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)與一些外圍設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)檢測(cè)、輸入、存儲(chǔ)、輸出等。

3.1 硬件構(gòu)成

1）數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。包括溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器，以及Arduion開發(fā)板、樹莓派等設(shè)備。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。主要采用樹莓派和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，樹莓派是一種卡片式的便攜電腦，具有電腦的所有基本功能，在樹莓派上安裝Linux系統(tǒng)，即可以安裝MySQL來獲取傳感器的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在樹莓派的本地?cái)?shù)據(jù)庫里。同時(shí)使用云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫與樹莓派的數(shù)據(jù)庫連接，使數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，供給軟件系統(tǒng)使用。

3.2 硬件功能設(shè)計(jì)

傳感器通過接觸被檢測(cè)環(huán)境而獲取環(huán)境的具體信息，并且將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過Arduion開發(fā)板傳至樹莓派本地?cái)?shù)據(jù)庫中，由于樹莓派本地?cái)?shù)據(jù)庫不能滿足系統(tǒng)的需求，故通過在樹莓派上編寫python程序來連接云端數(shù)據(jù)庫，將傳感器測(cè)得的、暫時(shí)儲(chǔ)存在樹莓派本地環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)時(shí)直接從服務(wù)器端得到數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括三個(gè)功能。數(shù)據(jù)查找，用戶通過搜索植物名或關(guān)鍵字等，從而獲取與該植物有關(guān)的植物的基本信息、生長(zhǎng)環(huán)境信息等所有信息;環(huán)境模擬，用戶通過輸入土壤環(huán)境必備的一些參數(shù)，系統(tǒng)通過計(jì)算并從數(shù)據(jù)庫中找到與該環(huán)境匹配度達(dá)60%以上的植物并顯示給用戶，供給用戶參考和選擇;環(huán)境檢測(cè)，硬件部分將土壤中采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫之后，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理輸出在可視化界面向用戶展示當(dāng)前環(huán)境的各種信息。軟件流程圖如圖2所示。

4.1 接口設(shè)計(jì)

接口主要針對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查詢、插入、刪除、更改等操作設(shè)計(jì)，例如軟件與緩沖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，將數(shù)據(jù)傳入軟件，TemperatureMapper、pHMapper、HumidnessMapper等接口將數(shù)據(jù)接入軟件分析和顯示部分，用來滿足前端的需求。

4.2 界面設(shè)計(jì)

軟件前端部分使用了最新的前端技術(shù)棧，技術(shù)?；趘ue、vuex、axios和element-ui等技術(shù)實(shí)現(xiàn)界面邏輯及數(shù)據(jù)的處理。界面提供三個(gè)主要功能，通過連接后端接口及數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的土壤環(huán)境檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)從大數(shù)據(jù)信息化方向出發(fā)，建立一個(gè)較為真實(shí)完備的數(shù)據(jù)庫，其中收集了植物的必備環(huán)境條件作為基本數(shù)據(jù)，以這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將植物簡(jiǎn)化為一個(gè)抽象的模型，可以供人們清楚地理解植物的特征，這些抽象出來的數(shù)據(jù)供給防沙治沙工作人員作為參考，更清楚的了解植物信息，達(dá)到種植效益最大化、成活率大大增加。結(jié)合“數(shù)字地球”思想，使植物信息數(shù)字化，由大量數(shù)字化植物信息組成“數(shù)字植物圈”，讓防沙、治沙工作變得更加簡(jiǎn)單、高效，讓植物信息更加透明、直觀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 渠淼，牛國鋒，冒張霄，等.基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（20）：83-85.

[2] 秦華，孫曉松.基于Arduino/Android的環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2013（1）：59-61.

[3] 賓俊，艾芳芳，劉念，等.基于Arduino和Python搭建的實(shí)時(shí)在線pH測(cè)量平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2013，30（1）：48-52.

[4] 安富博，丁峰.甘肅省民勤縣土地荒漠化的發(fā)展趨勢(shì)及其防治[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2000，14（2）：41-47.

[5] 朱震達(dá).CONCEPT，CAUSE AND CONTROL OF DESERTIFICATION IN CHINA中國土地荒漠化的概念，成因與防治[J].第四紀(jì)研究，1998（2）：145-155.

[6] 朱震達(dá)，王濤.從若干典型地區(qū)的研究對(duì)近十余年來中國土地沙漠化演變趨勢(shì)的分析[J].地理學(xué)報(bào)，1990，45（4）：430-440.

[7] Xue Y K，ShuklaJ.The influence of land surface properties on Sahel climate.part 1：desertification[J].Journal of Climate，1993，6（12）：2232-2245.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】