嚴志雁,吳 輝,丁 建,趙曉東,陳桂鵬*,朱 敏
(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所,江西 南昌 330200;2.江西省農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心,江西 南昌 330200;3.江西省自然資源測繪與監(jiān)測院,江西 南昌 330000;4.井岡山農(nóng)業(yè)科技園管理委員會,江西 吉安 343016;5.景德鎮(zhèn)市農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理站,江西 景德鎮(zhèn) 333000)
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)就是以實現(xiàn)農(nóng)民富裕為主要目標,以高科技為依托,市場信息為導向,農(nóng)業(yè)資源的高效持續(xù)利用為根本,集高效種養(yǎng)、加工配銷、示范推廣等于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[1],是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉型的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織形式。隨著3S(全球定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS、遙感RS)技術的發(fā)展,應用3S技術建立面向農(nóng)業(yè)園區(qū)管理和農(nóng)業(yè)信息服務系統(tǒng),是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)園區(qū)業(yè)務信息管理與農(nóng)田數(shù)字化管理的重要手段之一。
WebGIS是基于Web技術的GIS,即基于網(wǎng)絡提供地理信息服務[2]。國內外基于WebGIS技術開展了農(nóng)村設施、土地資源、生態(tài)系統(tǒng)、病蟲害的監(jiān)測及管理系統(tǒng)應用研究。Costantino等建立了集區(qū)域地圖、正射影像、景觀規(guī)劃等數(shù)據(jù)的WebGIS平臺[3];Binh等建立了一種對鹽水入侵現(xiàn)象數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析和可視化的WebGIS方法[4];張學利等采用云計算技術搭建了農(nóng)業(yè)綜合信息服務應用系統(tǒng),實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)用地資源、土地利用現(xiàn)狀、水資源分布、氣象信息等農(nóng)業(yè)資源的管理與共享查詢[5];Pan等基于WebGIS、快速響應編碼、射頻識別等技術,建立了農(nóng)田土壤重金屬污染風險評價決策支持系統(tǒng)[6];黃沖等開發(fā)了多種作物重大病蟲害的數(shù)字化監(jiān)測預警系統(tǒng),包含基于WebGIS的農(nóng)作物重大病蟲害監(jiān)測預警、情報信息發(fā)布等功能[7]。
盡管WebGIS在農(nóng)業(yè)應用上已有研究,數(shù)字農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展存在以下幾個方面的問題:(1)缺少土壤、氣象、地圖等園區(qū)的基礎數(shù)據(jù),缺乏支撐數(shù)據(jù)管理、分析及可視化的工具。(2)側重政務管理及信息宣傳[8],缺少面向入駐園區(qū)企業(yè)的農(nóng)技信息服務模型。園區(qū)對切合生產(chǎn)實際、系統(tǒng)化的數(shù)字化管理和服務系統(tǒng)有著強烈的市場需求。
本文針對農(nóng)業(yè)園區(qū)管理和服務信息化需求,提出了基于WebGIS的數(shù)字農(nóng)業(yè)園區(qū)建設方案,設計了園區(qū)資源與業(yè)務管理、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢分析、報警、挖掘和水稻施肥推薦等功能,以期為數(shù)字農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)園區(qū)管理和服務上的深入應用提供信息系統(tǒng)工具。
數(shù)字農(nóng)業(yè)園區(qū)的建設目標是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)園區(qū)生產(chǎn)的數(shù)字化管理、分析和信息服務[9]。農(nóng)業(yè)園區(qū)管理機構負責建立和管理園區(qū)資源數(shù)據(jù)集,通過人工測量、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等多種手段相結合的方式,采集了地理空間、農(nóng)田環(huán)境等數(shù)據(jù);園區(qū)入駐企業(yè)等實體向園區(qū)管理機構租用園區(qū)土地、購買水電等資源,系統(tǒng)需要實現(xiàn)園區(qū)土地租用、物業(yè)管理及水電管理等業(yè)務管理;面向園區(qū)入駐企業(yè),園區(qū)管理機構還需開展預報警、施肥推薦及栽培技術推薦等信息服務。數(shù)字農(nóng)業(yè)園區(qū)信息系統(tǒng)的使用人是農(nóng)業(yè)園區(qū)資源供需主體,通過農(nóng)業(yè)園區(qū)資源供需主體的角度分析系統(tǒng)的功能定位(圖1),分析農(nóng)業(yè)園區(qū)管理和服務信息化實現(xiàn)方式,得到園區(qū)管理服務信息系統(tǒng)功能需求(圖2)。
圖1 用戶用例
圖2 園區(qū)管理服務系統(tǒng)功能需求體系結構
采集的數(shù)據(jù)資料包括以下4個方面:(1)空間數(shù)據(jù)。通過航拍制作正射影像,在QGIS Desktop 3.14.16軟件中進行數(shù)據(jù)編輯、制作土地利用圖,保存為shapefile文件,包括道路、水系數(shù)據(jù)、農(nóng)田數(shù)據(jù)。農(nóng)田數(shù)據(jù)將園區(qū)的土地類型進行了詳細劃分,包括連棟大棚、茶園、林地、稻田、旱地等多個圖層,屬性數(shù)據(jù)通過對農(nóng)業(yè)園區(qū)實地采集獲得。以PostgreSQL 9.6+PostGIS 2.5.3為空間及其屬性數(shù)據(jù)庫管理平臺。
(2)土壤數(shù)據(jù)。園區(qū)地塊土壤肥力數(shù)據(jù)由實地采樣后化學分析測得,然后導入空間數(shù)據(jù)庫。
(3)設施設備數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)設備包括大田物聯(lián)網(wǎng)傳感器、小型氣象站等,設施包括連棟大棚內的控溫、灌溉、監(jiān)控、通風、水肥一體化設施;采集的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)包括氣溫、降水、風速、土壤溫度、土壤含水率等,直接通過網(wǎng)絡存入服務器數(shù)據(jù)庫中。
(4)農(nóng)業(yè)園區(qū)資源、業(yè)務管理數(shù)據(jù)?,F(xiàn)場人工采集農(nóng)田租賃、種植作物數(shù)據(jù)等園區(qū)資源數(shù)據(jù),以獨立表格存儲,并將園區(qū)資源及其業(yè)務管理與空間數(shù)據(jù)關聯(lián)。
針對數(shù)字農(nóng)業(yè)園區(qū)的需求,系統(tǒng)在總體功能上主要分為:資源維護、業(yè)務管理、統(tǒng)計信息、農(nóng)技信息服務和系統(tǒng)管理等5個部分(圖3)。資源維護功能包含園區(qū)內的土地資源信息、物聯(lián)網(wǎng)設備、水電煤表等信息,業(yè)務管理功能包括土地租用、物業(yè)管理、水電煤管理等業(yè)務,農(nóng)技信息服務功能包含墑情報警和水稻施肥推薦,統(tǒng)計信息包括地塊信息統(tǒng)計、用水用電信息統(tǒng)計、租金統(tǒng)計等。土地利用現(xiàn)狀信息、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點位數(shù)據(jù)、區(qū)域監(jiān)測專題圖等地圖的顯示均由WebGIS技術實現(xiàn)。區(qū)域監(jiān)測專題圖則是根據(jù)由點到面的區(qū)域模擬結果,動態(tài)生成、在線顯示區(qū)域監(jiān)測結果信息,并通過風險模型計算相應的監(jiān)測風險,實現(xiàn)報警功能。
圖3 系統(tǒng)總體功能模塊設計
系統(tǒng)Web前端開發(fā)使用Html、JavaScript等語言,采用Openlayers 4.6作為地圖前端開發(fā),實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)展示、圖形繪制、屬性處理等功能,以Geoserver 2.14和Tomcat 7.0作為地圖和Web服務器,服務器后臺應用采用Java語言進行編譯,業(yè)務數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MySQL 5.6,空間數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL 9.6和PostGIS 2.5。
為實現(xiàn)對整個園區(qū)土壤墑情報警的精準服務,本文在試驗園區(qū)中部署了作者團隊自行研發(fā)的農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器[10],用于監(jiān)測包括土壤含水率等數(shù)據(jù)的農(nóng)田環(huán)境信息,為使土壤墑情點狀監(jiān)測數(shù)據(jù)轉變?yōu)槊鏍顢?shù)據(jù),需要對離散監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行空間插值。
本文采用克里金插值法對土壤墑情進行插值,克里金插值法是一種部分空間插值法,是基于區(qū)域化變量的可用數(shù)據(jù)和變差函數(shù)的結構特征,來估計區(qū)域化變量值的最佳線性無偏方法[11]。設研究區(qū)域為A,研究區(qū)域物理屬性Z(x)∈A,x為空間坐標,Z(xi)為采樣點xi(i=1,2,…,n)處的物理屬性,坐標點x0處屬性Z(x0)估計值計算見式(1)[12]。
(1)
λi(i=1,2,…,n)為待求權系數(shù)。Z(x)滿足在無偏條件下使估計方差達到最小假設,即滿足下面2個假設:(1)Z(x)的數(shù)學期望存在且等于常數(shù);(2)Z(x)協(xié)方差Cov(x0,xj)存在且只與2點之間的相對位置有關,即協(xié)方差存在且平穩(wěn)。依據(jù)無偏性要求,及在無偏條件下使方差最小,可得系數(shù)λi(i=1,2,…,n)求解方程組式(2)。
(2)
其中,μ為拉格朗日乘子。
土壤含水率是土壤水分平衡中重要的供給項,作物都有生物學土壤含水率的上下限,超過土壤含水率范圍,作物生長將會受到極大的限制,依據(jù)作物最適宜土壤含水率,分為4個等級,采用模糊隸屬度法將墑情風險進行分級[13],得到作物墑情風險值,風險最大為1,最小為0,計算見式(3)。
(3)
試驗園區(qū)主要農(nóng)作物水稻的產(chǎn)量在很大程度上受土壤肥力的影響。各個經(jīng)營主體的施肥方法仍然是憑經(jīng)驗,往往施肥過度,既增加成本又污染環(huán)境。因此,依據(jù)園區(qū)地塊數(shù)據(jù)和氮肥推薦模型給園區(qū)經(jīng)營主體提供施肥方案十分必要[14-17]。
氮肥用量計算方式見式(4)。
Ni=Si×[W×(Y-X)/E]
(4)
其中:Ni是地塊i所需施氮肥的數(shù)量(kg),Si地塊i的面積;W為1 kg稻谷產(chǎn)量需從土壤的吸氮量(kg),早稻W(wǎng)=0.02,晚稻W(wǎng)=0.022;Y為目標產(chǎn)量(kg/hm2),X為基礎產(chǎn)量(kg/hm2),即不施肥情況下水稻的產(chǎn)量,本文X取4665 kg/hm2[18];E是土壤氮吸收率,與土壤質地有關,一般沙土為30%、壤土為35%、黏土為40%。
3.1.1 資源管理功能 資源管理功能模塊為提供園區(qū)資源的數(shù)據(jù)管理功能。管理數(shù)據(jù)內容包括以下4個方面。
(1)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)接口,用于系統(tǒng)關聯(lián)園區(qū)地塊數(shù)據(jù),土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)通過土地利用圖導入得到,地圖數(shù)據(jù)變更在系統(tǒng)外部采用專業(yè)GIS軟件實現(xiàn)。支持對地塊土壤肥力數(shù)據(jù)的編輯,土地利用現(xiàn)狀管理界面見圖4。系統(tǒng)以列表形式管理地塊的土壤肥力數(shù)據(jù),包括pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀等指標。
(2)土地承租戶數(shù)據(jù)。提供對園區(qū)內土地使用企業(yè)的管理,支持對企業(yè)及其聯(lián)系人員的編輯。系統(tǒng)以列表形式管理入駐園區(qū)所有企業(yè)信息,包括企業(yè)名稱、法人、田間管理員、聯(lián)系方式等。
(3)田租、物業(yè)費、水電費標準數(shù)據(jù),提供對園區(qū)資源服務收費標準的管理,為園區(qū)物業(yè)管理模塊及收費催繳系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。
(4)關聯(lián)小型氣象站、物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點等設備。系統(tǒng)提供對園區(qū)小型氣象站、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點設備的管理配置和數(shù)據(jù)對接。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點設備的新建或更新,采用OpenLayers提供的圖形新建或刪除功能實現(xiàn),具體方法:通過OpenLayers的ol/interaction/Draw函數(shù)畫出Point類型的features,利用WFS服務將新建或變更的features,并提交到GeoServer進行保存。
物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點設備通過GPRS將監(jiān)測信息(空氣溫度和濕度、光照、土壤溫度、土壤含水率、電導率、pH值等)上傳至服務器數(shù)據(jù)庫,在設備管理模塊中將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點設備ID和圖上新建點的ID關聯(lián),并將監(jiān)測點信息在圖上顯示。
3.1.2 業(yè)務管理功能 業(yè)務管理功能模塊以列表形式提供對園區(qū)土地租用、房屋租用、物業(yè)、水電等業(yè)務管理,列表中操作列所包含的功能:新建、查看、編輯、刪除、短信提醒。以土地租用為例,建立了土地租用管理的概念模型(圖5)。
(1)土地租用管理。用于管理土地租用業(yè)務,業(yè)務信息包括地塊編碼、承租人、用途、租金、起租時間、到期時間,可對土地進行新建租約和續(xù)租,可對即將到期租約進行短信提醒續(xù)租,土地租用管理界面如圖6所示。
圖6 土地租用管理界面
(2)水電燃氣管理。用于管理園內水電燃氣費用管理業(yè)務,業(yè)務信息包括序號、表號、使用人、單價、數(shù)量、上期表數(shù)、本期表數(shù)、抄表日期、繳費狀態(tài)等。
(3)物業(yè)管理。用于管理物業(yè)費用收取業(yè)務,業(yè)務信息包括房屋編號、承租人、費用類型、費用、賬單日期、繳費日期。
(4)通知管理。用于管理園區(qū)內廣播信息的編輯與發(fā)送,業(yè)務信息包括序號、姓名、電話號碼、簡要說明、是否發(fā)送成功。如通知發(fā)送失敗,系統(tǒng)可進行重新發(fā)送。部分通知業(yè)務流程如圖7所示。
圖7 推薦施肥及墑情風險通知流程
(5)園區(qū)安防。用于管理園區(qū)所有視頻攝像頭及其數(shù)據(jù)對接,通過點擊選中攝像頭列表中某個攝像頭,即可顯示該攝像頭的畫面。
3.2.1 土壤情況查詢 系統(tǒng)實現(xiàn)了地塊土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)的查詢,包括氮、磷、鉀、有機質、pH值等綜合養(yǎng)分信息,土壤養(yǎng)分情況如下圖8所示,可生成土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)的養(yǎng)分變更趨勢折線圖,便于進行不同年份的對比分析,應用操作實現(xiàn)了通過鼠標點選、條件查詢方式激發(fā)地塊屬性信息條件查詢。系統(tǒng)通過專題圖給出了地塊土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)(圖9)。
圖8 點選查詢土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)
圖9 有機質分布
3.2.2 墑情報警 本文采用基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤墑情傳感器監(jiān)測園區(qū)土壤數(shù)據(jù),可采集到地下5~40 cm深的土壤墑情[19],監(jiān)測點數(shù)量10個。為估測整個園區(qū)的墑情,需將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點實時墑情數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合,運用式(1)~式(3)的插值算法計算整個園區(qū)墑情的相應數(shù)據(jù),做出作物旱情等級預警,形成整個園區(qū)的墑情專題圖(圖10),然后通過短信系統(tǒng)將報警信息發(fā)送至田間管理員。
圖10 墑情風險分布
3.2.3 水稻田施肥推薦 結合園區(qū)水稻田塊數(shù)據(jù),運用式(4)的推薦算法,計算整個園區(qū)內水稻田塊施肥數(shù)據(jù),得到水稻田氮肥施肥推薦專題圖(圖11),最后將每個田塊的施肥數(shù)據(jù)通過短信系統(tǒng)發(fā)送至田塊管理員。
圖11 水稻田施氮量推薦
實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理、信息化服務是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本要求,本文結合農(nóng)業(yè)園區(qū)管理需求,以實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)為目的,以園區(qū)資源和業(yè)務管理可視化應用系統(tǒng)為主要研究對象,提出并實現(xiàn)了基于WebGIS的農(nóng)業(yè)數(shù)字園區(qū)系統(tǒng)。主要內容有:對農(nóng)業(yè)園區(qū)內物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行了空間插值,建立了園區(qū)墑情報警模型;完成了基于地塊信息的水稻氮肥施用推薦;系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)園區(qū)資源、業(yè)務的數(shù)字化管理,采用WebGIS技術實現(xiàn)了園區(qū)土地利用現(xiàn)狀、土壤性狀、墑情及施肥推薦的可視化。該系統(tǒng)在江西省農(nóng)業(yè)科學院高安試驗基地園區(qū)進行了試驗,提高了農(nóng)業(yè)園區(qū)管理的信息化水平,面向園區(qū)企業(yè)提供預警及農(nóng)技信息服務。
本系統(tǒng)仍需將農(nóng)業(yè)環(huán)境信息與作物栽培學結合做更深入的研究分析,才能實現(xiàn)更精準的預警信息服務,還需逐步增加作物種類、施肥、施藥等農(nóng)技信息服務內容,進一步提高農(nóng)業(yè)園區(qū)業(yè)務管理、生產(chǎn)指導和決策支持的信息化水平。