基于WebGIS的煙草種植管理信息系統研發(fā)論文
引言
空間信息技術(shù)在推廣煙葉生產(chǎn)實(shí)時(shí)監測，提高農民科技素質(zhì)，優(yōu)化煙草種植模式與技術(shù)等方面起到至關(guān)重要的作用M。2015年全國煙草工作會(huì )議提出，大力推進(jìn)“兩化”融合，全面加強數據資源開(kāi)發(fā)應用，提高行業(yè)信息化建設水平。近年來(lái)，隨著(zhù)煙草產(chǎn)業(yè)結構調整和空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們對煙草信息化管理與“3S”技術(shù)的融合進(jìn)行了一系列研究，并取得良好的效果。如董謝瓊等H應用GIS技術(shù)進(jìn)行云南省烤煙種植區劃研究，實(shí)現了原料基地的優(yōu)化選擇;魯韋坤等利用“3S”技術(shù)，建立了現代煙草農業(yè)示范區規劃信息系統;楊小冬等^設計了基于Web GIS的農業(yè)生態(tài)監測與決策支持系統以指導煙葉種植和生產(chǎn)。李一山等開(kāi)發(fā)了基于A(yíng)SP.NET的優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)咨詢(xún)系統。但現有系統主要是針對煙草種植現狀數據進(jìn)行決策分析，缺少將系統監測、管理、決策和RS技術(shù)(高光譜)相結合的具有較強時(shí)效性和綜合性的大型煙草應用系統。由于數字化煙草種植管理系統各資源環(huán)境要素具有較強的時(shí)空差異性，若能與高光譜和Web GIS技術(shù)有機集成，借助GIS強大的空間分析能力和高光譜技術(shù)的高時(shí)空分辨率，可深層次地挖掘作物的決策支持能力，使煙草種植管理信息系統數據獲取、存儲、檢索與分析等逐步向實(shí)時(shí)監測、精確模擬及智能化決策方向發(fā)展。
中國煙葉總產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的41.5%。其中，烤煙約占世界烤煙總產(chǎn)量的59.9%。煙葉種植主要集中于云南、貴州、四川、重慶、湖南、河南等地的貧困山區0，其中，黔西北山地是西南地區重要的煙草種植區，也是烤煙種植的適宜區，為提高該區域煙草種植質(zhì)量，提升山區煙草管理效率，本系統采用面向對象軟件設計思想，利用網(wǎng)絡(luò )數據庫、Google Maps API、Web GIS等技術(shù)，設計并構建出煙草種植空間管理信息系統，依托高光譜技術(shù)的定期監測，實(shí)現了煙草種植環(huán)境監測、智能化預警、網(wǎng)絡(luò )化管理。
1系統結構設計
本系統涉及主要煙草的高光譜監測模型、栽培管理知識模型、生長(cháng)過(guò)程模擬模型等相關(guān)數字煙草種植管理模型，本研究遵循集成性、實(shí)用性、可拓展性的設計原則，對組成系統的各構件及相互關(guān)系進(jìn)行合理組織和設計，在傳統的3層結構一用戶(hù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數據層的基礎上，根據系統數據處理流程，采用數據分層技術(shù)對用戶(hù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數據層進(jìn)行功能的分割和細化，設計出新型軟件架構體系(圖1)。該體系融合了高光譜遙感技術(shù)、GIS技術(shù)與空間定位技術(shù)，基于Web GIS平臺，解決了模型組件間、模型組件與業(yè)務(wù)功能之間復雜的數據兼容、集成分析問(wèn)題。不僅從邏輯上將子系統劃分成數據層、開(kāi)發(fā)層、邏輯層、用戶(hù)層和數據庫管理層，還將常規業(yè)務(wù)邏輯抽取出來(lái)，減少了各個(gè)子模塊間的依賴(lài)關(guān)系，使系統以彈性方式進(jìn)行耦合，滿(mǎn)足系統的集成性和擴展性要求。
1.1系統總體構架
依據系統整體架構，對業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行細分，劃分結果見(jiàn)系統功能框架圖(圖2)。本系統最上層為系統層，中間為功能層，最下層為分析層，由于煙草種植管理系統的主要用戶(hù)群為煙草種植區內部管理人員和系統維護人員，系統應用廣泛，不同種植區網(wǎng)絡(luò )通訊狀況差異性較大，故本系統采用了基于B/S的三層系統結構模式設計，空間數據庫采用ArcSDE10.2數據引擎，業(yè)務(wù)數據庫采用SQLServer2008、WebGIS服務(wù)器采用ArcGISServer10.2，客戶(hù)端采用瀏覽器提升系統的可操作性。
1.2系統模塊分析
1.2.1用戶(hù)登陸子系統
本系統主要對達到一定權限的煙草種植管理、系統維護等相關(guān)人員開(kāi)放相應的功能。擁有不同權限的用戶(hù)，通過(guò)登陸模塊登陸本系統后，系統可以根據用戶(hù)權限自動(dòng)激活、屏蔽相應的模塊，從而實(shí)現數據個(gè)性化處理功能。
1.2.2數據更新模塊
煙草種植與初加工過(guò)程涉及監測、管理、決策數據龐雜，且數據格式多樣，為資料收集、匯總帶來(lái)諸多不便，而基于WebGIS的網(wǎng)絡(luò )數據填報方式能實(shí)現數據實(shí)時(shí)多次填報，系統定期上傳，解決了用戶(hù)在實(shí)際應用中數據更新的問(wèn)題。同時(shí)，為了實(shí)現數據融合、共享，在開(kāi)發(fā)數據更新系統時(shí)設定了嚴格的數據校驗，不符合要求的數據一律不能入庫，并提示上傳人員更改格式后上傳。
1.2.3數據瀏覽與查詢(xún)模塊
本系統依據用戶(hù)的瀏覽、查詢(xún)請求，自動(dòng)產(chǎn)生相應的結果，并根據需要將結果以網(wǎng)頁(yè)、WebGIS圖形(以種植區1:10000DEM和0.5m分辨率遙感影像圖為基礎資料)或圖表形式在瀏覽器顯示出來(lái)，通過(guò)程序開(kāi)發(fā)可實(shí)現查詢(xún)指標共有29個(gè)，用戶(hù)可根據復合查詢(xún)條件，篩選查詢(xún)目標，部分查詢(xún)代碼如下：
1.2.4煙草生長(cháng)現狀分析模塊
煙草生長(cháng)現狀分析、趨勢分析、煙草估產(chǎn)的開(kāi)發(fā)是本項目的重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在，通過(guò)對歷年研究區域煙草的生長(cháng)監測數據的分析，建立相應的生長(cháng)現狀、趨勢分析、產(chǎn)量預測數學(xué)模型，并通過(guò)計算機編程，以WebGIS技術(shù)平臺為載體，使分析結果以圖形或圖表形式直觀(guān)地表現出來(lái)。用戶(hù)只需點(diǎn)擊相應子模塊命令，就可以了解研究區域煙田分布、煙草主產(chǎn)區的煙草生產(chǎn)現狀及發(fā)展趨勢。通過(guò)本系統使煙草主產(chǎn)區歷年來(lái)煙草生長(cháng)監測數據得以充分有效利用，為區域烤煙行業(yè)發(fā)展決策的重要依據。
1.2.5高光譜監測分析模塊
高光譜技術(shù)在煙草中的'研究主要集中在冠層與葉片水平。通常利用原始光譜反射率與煙草的葉面積指數、生物量、品質(zhì)指標等建立監測模型，通過(guò)反演，對煙草的生長(cháng)和煙葉品質(zhì)進(jìn)行估算和監測0。高光譜監測技術(shù)用于煙草長(cháng)勢、產(chǎn)量預測，可實(shí)現煙草生長(cháng)監測規�；�，空間數據獲取即時(shí)化，并利用估產(chǎn)模型對煙草產(chǎn)量進(jìn)行預測。本系統通過(guò)IDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)集合了ENVI高光譜影像解譯技術(shù)，高光譜數據以標準格式上傳后，系統自動(dòng)對影像進(jìn)行流程式處理，處理結果以屬性統計表、煙草產(chǎn)量預測圖的形式存儲于SQLServer中，便于用戶(hù)調用查詢(xún)。
1.2.6數據輸出模塊
本數據輸出模塊是整個(gè)系統的輸出窗口，系統所有分析結果都要通過(guò)本模塊實(shí)現輸出。輸出的方式有網(wǎng)頁(yè)顯示、WebGIS圖形、圖表輸出等幾種。具體的輸出方式可根據用戶(hù)需求及系統自身特點(diǎn)進(jìn)行選擇定制。
1.2.7數據庫管理子系統
系統根據不同的用戶(hù)授予不同的訪(fǎng)問(wèn)權限，用戶(hù)可以在權限范圍內進(jìn)行數據的瀏覽、查詢(xún)、編輯更新等操作。系統自身對用戶(hù)傳輸數據進(jìn)行分類(lèi)組織、存儲和管理各種數據，確定以何種文件結構和存取方式在存儲級上組織這些數據，如何實(shí)現數據之間的聯(lián)系，并在一定周期內進(jìn)行數據備份，存儲歷史數據。
2系統實(shí)現
2.1系統開(kāi)發(fā)環(huán)境
本系統根據數據獲取途徑、預處理軟件的不同，選取ENVI+IDL5.0和ArcEngine9.3軟件作為WebGIS數據處理平臺，同時(shí)，選取集成了AJAX項目模板的VisualStudio2010作為高效開(kāi)發(fā)WebGIS的應用平臺。為實(shí)現數據可兼容和高效調用，系統采用SQLServer2008為設計數據庫，高光譜處理模型組件采用IDL語(yǔ)言按COM標準進(jìn)行開(kāi)發(fā)，選用C#語(yǔ)言作為系統集成基本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，應用HTML語(yǔ)言進(jìn)行界面設計，用戶(hù)系統界面如圖4所示。
2.2系統運用
以貴州省六盤(pán)水市水城縣鹽井鄉為應用案例，對所構建系統中用戶(hù)登錄子系統，數據更新、查詢(xún)、瀏覽、輸出，煙草長(cháng)勢分析，高光譜監測，數據庫管理等模塊功能進(jìn)行調試運用。為提高調試結果的可信度，先將該鄉的氣象、土壤、品種、農村種植經(jīng)濟信息等數據為基礎數據建立了屬性數據庫，同時(shí)，將煙草種植區1:10000地形圖、高分辨率的Google影像圖、基礎數據圖進(jìn)行疊加建立了空間數據庫。調試應用結果表明：系統的組織結構和功能設計符合煙草種植空間信息管理及輔助決策系統的設計思想，并表現出較高的穩定性和普適性。通過(guò)使用該系統，實(shí)現了鹽井鄉煙草種植信息的規范化管理及高效、便捷的查詢(xún)，運用高光譜預測模型生成的決策結果與當地實(shí)際狀況和專(zhuān)家經(jīng)驗基本符合，且系統的預測結果可以不同專(zhuān)題圖和統計報表等形式進(jìn)行顯示。
3結論與討論
在總結、融合煙草生產(chǎn)管理決策及評價(jià)理論與技術(shù)成果的基礎上，構建了高光譜煙草監測模型，煙草生產(chǎn)潛力分析和精確煙草估產(chǎn)知識模型，實(shí)例證明，上述模型應用的適應性強，為煙草管理決策提供一種良好方法。將WebGIS和高光譜遙感技術(shù)相結合，利用Arc GIS API For Javascript為開(kāi)發(fā)平臺，構建了煙草種植空間信息管理與輔助決策系統，實(shí)現了基本地圖操作、煙草空間信息查詢(xún)與瀏覽、種植制度評價(jià)、適宜性區劃、生產(chǎn)潛力分析、高光譜長(cháng)勢監測、圖表輸出以及系統維護功能，提升系統輔助決策的準確性和普適性。
以貴州省六盤(pán)水市水城縣鹽井鄉為系統應用案例，對系統進(jìn)行了檢驗，結果表明，系統實(shí)現了高光譜空間信息決策化管理，不僅顯著(zhù)提高了空間信息的管理效率和查詢(xún)速度，在煙草生產(chǎn)管理決策方面也表現出了較好的時(shí)效性和指導性。
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