面向農產品安全生產的空間決策系統研究與實現

 收稿日期：2007-11-24；

修回日期：2008-02-15

基金項目：國家“863”計劃資助項目（2006AA10Z201 2007AA10Z203）；北京市自然科學基金重點資助項目（4061002）；國家農業部“948”資助項目（2006-G63）

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作者簡介：王燕（1982-），女，內蒙古鄂爾多斯人，碩士，主要研究方向為地理信息系統與遙感應用(yanwangnm@126.com)；潘瑜春（1971-），男，安徽歙縣人，副研究員，博士，主要研究方向為地理信息系統工程；李岸昀（1984-），男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為地理信息系統與遙感應用；王紀華（1958-），男，吉林人，研究員，博導，博士，主要研究方向為遙感農業應用、作物的生理生化.

（1.國家農業信息化工程技術研究中心 北京 100097； 2.北京師范大學 地理學與遙感科學學院 北京 100875； 3.中國農業大學 信息與電氣工程學院 北京 100083）

摘要：針對當前存在的農業園區資源管理低效以及盲目種植問題，基于WebGIS技術構建了產地管理決策系統。采用面向對象技術建立了多用途數據庫，滿足了現時及將來多種業務系統的數據需求；進一步將知識模型與GIS集成，實現產地環境評價、種植適宜性決策以及環境污染趨勢預測等空間決策功能。實際應用證明，該系統提高了對園區資源的整合利用效率，基本實現了科學安全的種植生產。

關鍵詞：安全生產； 空間決策； WebGIS； 多用途數據庫； 環境評價

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)10-3158-03

Research and implementation of spatial decision-making system for

secure production of farm produce

WANG Yan1 2 PAN Yu-chun LI An-yun1 3 WANG Ji-hua1

(1.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture Beijing 100097 China; 2.School of Geography Beijing Normal University Beijing 100875 China; 3.School of Information Electrical Engineering China Agricultural University Beijing 100083 China)

Abstract:To solve the present questions in administering resource of agricultural park inefficiently and planting blindly based on WebGIS technology this paper constructed management and decision-making system for producing area. First used object-oriented technologies to build multi-purpose database met the current and future data needs of a variety of operational systems. Further integrated knowledge model with GIS realized spatial decision-making function such as environmental estimation for producing area suitable planting decision-making and forecasting for the trend of environmental pollution. Practical application shows that the system advances the efficiency of integration and utilization for agricultural park’s resource and implementes scientific and safe planting basically.

Key words：secure production; spatial decision-making; WebGIS; multi-purpose database; environmental estimation

良好的產地環境是確保農產品質量安全的基礎，產地環境質量的好壞直接決定著農產品的安全水平。隨著農業的高速發展，化肥、農藥、飼料添加劑等農用化學品起到了非常重要的作用，由此而引發的農產品污染、土壤生產力下降、農業生態環境破壞等，特別是農產品質量安全問題，成為制約新階段農業生產持續高效發展的瓶頸[1]。利用空間信息技術對農產品產地進行高效管理，并為農產品安全生產的科學決策提供服務是保證農產品高效安全生產的基礎。許多學者利用GIS技術構建了一些用于產地智能化管理與決策的系統，并在小范圍內應用于實際生產，取得了一定的成效。但這些系統數據庫只存儲了單時相產地數據，致使決策僅僅是現時狀況的一個反映，不能分析一個時間段內產地環境的變化趨勢，系統的實用性大大降低；再者，只考慮了大塊的產地評價，對整個評價區域直接進行網格化分區并分區評價，沒有按照實際中的種植地塊作對應評價，這樣不利于指導整體農業園區進行有效的種植操作。當前存在的問題包括：數據庫是靜態的，不能實時反映產地生產和環境狀況；數據庫設計考慮單一，基本上是單一用途數據庫，也沒有統一的標準和規范，數據重用和共享性差；大部分系統是單機系統，數據共享差。

本文設計了一個統一的、可擴展的、多用途的數據庫模型，以此為基礎提出基于WebGIS技術的產地管理與決策支持系統[2]。該系統可以在線更新數據庫，并將實時更新的數據用于產地環境評價、適宜性評價等決策分析中，保證整個決策是一個動態的過程，而不僅僅是對決策結果的歷史查詢。

1系統結構

1.1技術構架

系統技術構架方案在系統設計和應用中發揮著重大作用。為了較好地實現系統目標，本系統采用B/S三層開發結構模型。系統總體技術構架由客戶端瀏覽器、Web服務器、GIS應用服務器和數據庫服務器等組成。

客戶端瀏覽器支持各類數據和信息的顯示并可與服務器進行通信。Web服務器采用IIS（Internet information server）負責基本的網絡通信與協調;GIS應用服務器采用SuperMap IS，主要支持網絡GIS功能的實現。Web服務器與GIS應用服務器通過TCP/IP通信[3]。數據庫服務器存儲系統中的空間數據、屬性數據、知識以及模型，采用空間數據引擎SuperMap SDX+5對空間數據庫進行管理和操作，將空間數據與屬性數據一體化地存儲到數據庫中。該數據引擎支持多種數據庫，可以在同一個數據源中同時存儲矢量數據和柵格數據，并且提供長事務處理能力，可以長時間地進行事務處理而不會有任何影響。另外，SDX+5采用三級索引技術，數據訪問更加準確快捷，編輯操作性能也有很大提升[4]。

1.2功能結構

本系統功能結構設計如圖1所示。

數據管理模塊將各種屬性的數據分類篩選并將數據集成到一起，利用數據庫系統控制數據質量、規范數據管理、方便數據采集與輸入/輸出。數據管理模塊是整個系統的基礎。地統計分析將離散采樣數據進行空間內插，得到各要素在樣區內的空間分布，整個插值過程可描述為判斷各要素的空間分布規律。環境質量評價是根據國家環保總局的土壤質量標準，并綜合考慮無公害農產品認證的產地標準，對農田環境質量進行評估、分級。更重要的是，環境因素錯綜復雜，各種因素對于植物生長的作用并非等量齊觀，亦遠非如單因素判斷那么簡單。針對農產品的生長特性，抓住影響產品產量和質量的關鍵環境因素，利用模糊分析、權重分析等方法進行綜合環境質量評價。環境適宜性評價是根據單目標和多目標土地適宜性評價分析，實現以土壤、氣候、地貌等為主要因子的京郊農業資源區劃，以及具體地塊的自然條件和農藝措施條件等推薦適宜的作物和品種；針對某種農產品種植的環境質量適宜目標和多目標土地適宜性評價分析，為實現京郊農產品基地建設決策提供科學依據。環境模型模擬是通過農田環境中污染物的遷移轉換規律或環境模型，對已有的環境數據進行擬合，對農業污染情況作出合理的預測。施肥決策是根據現有地塊肥力數據和作物本身需要的養分信息，因時因地給出施肥處方，利于作物生產和農田環境的安全。

2多用途數據庫結構模型的設計

信息共享與互操作是當前信息領域亟待解決的熱點問題。本文通過設計多用途數據庫，使該數據庫不僅滿足農業安全生產產地數字化管理決策的需要，而且將來也能夠為相關業務系統提供數據接口。例如，對于綠色或無公害農產品生產基地申報業務系統，它可以提供相關的需要檢測的土壤、水質金屬元素或養分數據，并可以直接給出各個地塊以及不同時期產品的等級數據；再者，出于農產品安全考慮，質量安全追蹤是一個很重要的方面，那么相關的系統就可以從本系統中得到各個種植期各地塊的生產詳細記錄（包括負責人、種植作物類別和型號、種植以及收割日期、其間施肥的信息等）以及環境數據，若農產品出現了質量問題，可以依據這些信息去追蹤問題出現的環節以及原因。因而，構建多用途數據庫有效地提高了資源的利用率，也避免了數據庫的重復建設[5]。

數據庫實現多用途，首先需要對數據進行規范化，特別是來自不同部門的數據，必須要對其制定統一的標準、進行相應的規范化，從而達到多源數據融合與信息共享的目的。數據規范化在數據庫設計時主要表現在空間數據與屬性數據時間上的一致性、度量單位的一致性、數據分類標準的一致性、為每一數據文件編號并為每一項數據進行字段命名。建立數據庫元數據也是實現數據庫多用途的重要手段。本文的元數據包括數據的獲取者、獲取時間、內容、主題、轉換以及各種操作信息的描述等。例如利用空間數據的元數據用戶可以快速了解數據名稱、比例尺、坐標系等描述信息，從而使不同用戶，特別是Web環境下使用異構平臺的用戶能夠方便地使用已有數據[6]。面向對象的技術是當今信息技術領域極具潛力的模型和系統構造方法，面向對象的GIS數據模型可以將空間數據和屬性數據有效地融合在一起，對于處理復雜地理對象具有極大優越性。本系統采用面向對象技術設計數據模型，圖2是本數據庫的UML模型圖。模型主要包括以下一些實體，地塊(landParcel)、采樣點（samplingPoint）、作物（crop）、工作人員（worker）；另外，管理員（manager）、采樣員（sampleWorker）繼承了工作人員(worker)實體，土壤（soil）、灌溉水（irrigationWater）、大氣（air）與采樣點實體也存在著繼承關系。

3決策原理與實現

本系統決策分析實現的框架如圖3所示。決策首先要對涉及到的模型知識進行很好的組織，然后將離散環境采樣點進行面插值分析得到grid數據，再將其他相關的矢量柵格數據與環境模型集成，最終得到矢量柵格一體化的決策分析結果。

3.1決策知識及模型的組織

實現本系統的分析決策功能將用到一些環境評價的知識和模型，這就涉及到對相關知識和模型的有效存儲和快速調用。

1）知識的組織

筆者通過建立知識庫對系統所需環境知識進行組織，本系統的環境知識獲取主要來自用戶信息反饋和機器學習。用戶信息反饋即用戶可以根據自己的環境知識背景、操作需求對知識庫中的部分知識點進行修改，并結合在日常實踐中得到的經過驗證的知識不斷完善知識庫的知識。機器學習即系統根據操作信息呈現和反饋子系統提交的用戶行為分析結果，歸納出用戶在一段時間內特別關注的某些環境信息，相應地增加該知識點在知識庫中的權重。對用戶在一段時間內沒有操作過的環境信息，則減少其在知識庫中的權重。也可以將新關注的相關信息存入相應的位置，并賦予適當的權重；將過期作廢的或者變更的環境信息從知識庫中刪除。這樣知識庫中的信息將會隨著用戶的行為而變化，從而實現對用戶信息需求的動態追蹤。

2）模型的組織

決策涉及到的模型利用模型庫管理，本系統提出基于元數據的模型庫管理。這一設計思想保證了模型庫具有動態的擴充機制和較強的代碼重用性，使模型庫能夠及時被更新和擴充。具體方法如下：a）提取并抽象決策模型的內容、主題、基本參數、適用條件等建立元數據。b）創建對模型的元數據進行管理的模塊，以便高效地聯系用戶、數據庫、知識庫和模型庫。該模塊主要完成以下幾方面功能：有效管理元數據；確定與用戶輸入的模型相匹配；數據的提取和格式轉換；調用相關的模型運行；傳回運行結果。

3.2決策信息提取過程

信息提取是決策中一個非常重要的環節，決策需要對數據庫中存儲的相關數據進行一定的篩選、運算等，以便可以直接運用知識或輸入模型進行決策[7]。圖4是本系統決策中的決策信息提取流程。

1）查詢采樣點數據

本系統決策對象是農田地塊，決策數據是采樣點數據，需要通過采樣點數據計算得到整個地塊的分布數據，然后依據決策模型分析得出決策結果。由于客觀條件所限，不可能每個地塊都分布有采樣點，對于有采樣點的地塊，可以直接利用本地塊內部的采樣點數據進行決策分析；對于無采樣點的地塊，需要從周圍搜索采樣點進行決策。由于各個地塊的原始土質以及后期人工施肥量的差異，導致地塊之間存在異質性，需要對搜索到的點按照其所屬地塊的基本信息數據進行篩選，剔除差異較大地塊中的點，最后得到可用于插值的點集合。

2）獲取地塊數據分布

得到了采樣點數據后，通過點數據計算獲取地塊面數據。在農業園區中，農田地塊按面積大小又可以分為兩類：面積較大的，如大田；面積較小的，通常在1~2畝，如農業設施（溫室或大棚）。對于兩類地塊，本文分別采用兩種不同的采樣點數據處理方法得到整個地塊的各項決策數據。

針對大面積地塊，本文采用反距離加權插值法得到地塊決策數據的空間分布。該方法是以插值點與樣本點之間的距離為權重的插值方法，越接近插值點的樣本點被賦予的權重越大，其權重貢獻與距離成反比。插值公式為

Z=∑ni=1Zi/(Di)P/∑ni=11/(Di)P (1)

其中：Z是插值點估計值；Zi（i=1，…，n）是實測樣本值；n為參與計算的實測樣本值；Di為待插值點與樣本點間的距離；P是距離的冪，用來控制權重隨距離變化的速度，P的取值一般為1~3，2最為常用[8]。具體算法如下：

a）將評價地塊按照一定的分辨率進行網格化處理。

b）設定對采樣點的最大搜索半徑與最小搜索點數。

c）搜索采樣點，計算網格中各個節點相距各個采樣點的距離，本文取P=2，距離平方的倒數作為相應采樣點值的權重。距離越近，權重越大；距離越遠，權重越小。

d）依照式(1)即求得地塊內部網格所有節點的估計值。

針對小面積地塊，由于面積較小，各種元素含量空間變異相對較小，可以假設整個地塊內部均一。本文直接對所有采樣點值取平均值賦予整個地塊。

3.3決策的實現

本系統的決策分析主要指環境質量評價、環境適宜性評價以及施肥決策三個方面。下面將以環境質量評價為例，闡述決策實現的過程。

環境質量評價需要依據國家環保總局發布的土壤環境質量評價標準、灌溉水質量評價標準和環境大氣質量評價標準進行。考慮到實際情況，本系統選取了以下控制項目作為評價因子：土壤環境質量評價因子分別是汞、鎘、鉛、砷、銅、pH值等；農田灌溉水質量評價因子分別是汞、砷、鉛、鎘、氯化物、氰化物等；大氣環境質量評價因子分別是總懸浮顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等[9]。首先從模型庫管理系統中取出環境質量評價所要涉及的環境模型；再將決策信息提取得到的評價地塊的土壤、灌溉水和大氣網格環境數據依次輸入到對應的模型中進行運算，輸出結果分別為地塊各個網格的土壤、灌溉水和大氣評價等級；最后從知識庫中取出環境質量評價中土壤、灌溉水和大氣分別所占的權重這一知識，對上一步得到的三個格網數據進行加權運算，最終獲得所評價地塊的綜合環境質量等級分布。

綜上，整個決策實現過程涉及到面插值得到的格網數據、環境模型以及評價知識。因而，實現決策重要的就是數據庫、模型庫和知識庫之間很好地耦合。

4系統的實現與應用

系統架構基于WebGIS技術，具體選用SuperMap IS.NET+自定義引擎+C#的開發模式，數據庫選用SQL Server 2000，借助Visual Studio.NET 2005開發平臺，實現分布式GIS的應用。圖5為該系統實現的農產品產地環境評價功能。

本系統環境評價分為綜合評價與單項評價。若對地塊進行綜合評價，結果直接以專題圖渲染方式顯示地塊等級分布圖。它共分為三個等級：a)保護區域自然生態、維持自然背景的標準，為土壤質量的最優等級；b)保障農業生產、維護人體健康的土壤的限制值；c)保障農林業生產和植物正常生長的最低標準。若對地塊進行單項評價，結果以表格的形式顯示，如圖5表格中顯示了所評價地塊的土壤質量評價因子鎘、汞、砷、銅等的等級以及是否適合種植無公害蔬菜的決策結果。農業園區決策者可以依據評價結果對地塊進行生產前的規劃、考慮哪些地塊應該種哪些作物、一些已經有污染的地塊應該采取何種措拖進行恢復。

另外，在進行兩種評價之前，首先要對地塊進行面插值分析，如圖5中地塊被渲染為從淺色到深色漸變的就是該地塊土壤中所含鋅元素的空間分布狀況，顏色越淺的為鋅含量越低的區域，越深的則為含量越高的區域。這樣，通過樣點到地塊的面插值分析，決策者可以對整個園區所有地塊的土壤、灌溉水和大氣評價因子的空間分布狀況有直觀的認識。

5結束語

本文提出利用WebGIS技術去構建農產品產地管理決策系統。采用面向對象技術建立了統一的、可擴展的、多用途的數據庫。該數據庫不僅能夠滿足農業安全生產產地數字化管理的需要，而且將來也能夠為綠色或無公害農產品生產基地申報、安全生產的檔案管理（IC卡）、農產品質量安全追蹤等相關業務系統提供很好的數據接口。在此基礎上，通過構建知識庫和模型庫將決策知識和模型有效地管理起來。以SuperMap IS.NET為GIS開發平臺，不僅實現了基本的地圖瀏覽查詢等功能，而且實現了遠程實時在線數據更新，從而保證了產地決策是動態的、實時的。系統中最核心的就是可對農產品產地進行環境評價和適宜性分析等決策，因而能為農業園區的產前規劃以及產中施肥提供科學的指導。

參考文獻：

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