WebGIS技術在名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品信息管理中的應用研究

摘 要： 名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)主要是利用信息化技術及WebGIS技術對名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品的生產(chǎn)進行全程信息化跟蹤管理、技術指導和信息服務，從源頭上保證農(nóng)產(chǎn)品質量安全。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息管理的基礎上加入了地圖服務，其中Web服務器采用微軟的IIS，地圖服務的發(fā)布與管理采用ESRI公司的ArcGIS Server，網(wǎng)頁中的地圖操作則采用Web ADF中封裝好的工具與命令實現(xiàn)。該系統(tǒng)的實現(xiàn)有助于保護農(nóng)民利益、減少食品安全事件，提高浙江省名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品在國內(nèi)以及國際市場上的競爭力。

關鍵詞： WebGIS； 名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品； 信息化跟蹤； ArcGIS Server； Web ADF

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）03-26-03

0 引言

近幾年來我國食品安全凸顯，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)作為食品供應產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)，其安全問題顯得十分重要。浙江省作為我國重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工基地，有著得天獨厚的自然優(yōu)勢，目前，具有市場開拓潛力和突出優(yōu)勢的特色農(nóng)產(chǎn)品資源有幾十種，如蠶桑、葡萄、楊梅、干果、蔬菜、食用菌等，在全國有一定知名度。其中葡萄栽培面積超過了30萬畝，品種達數(shù)十個。

面向主要農(nóng)產(chǎn)品供應鏈管理，應用計算機技術和自動識別技術，研究和構建農(nóng)產(chǎn)品質量跟蹤與溯源技術體系，對提高農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)與管理水平，加強政府的監(jiān)管能力，滿足消費者知情權，提升農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力等將起到重要作用。名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)將以浙江省葡萄產(chǎn)業(yè)為例，利用信息化技術及WebGIS技術對名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品的生產(chǎn)進行全程信息化跟蹤管理、技術指導和信息服務，從源頭上保證農(nóng)產(chǎn)品質量安全。

1 系統(tǒng)分析與設計

名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的用戶主要分為三類：消費者、生產(chǎn)者和監(jiān)管部門。消費者通過在系統(tǒng)里輸入農(nóng)產(chǎn)品的條形碼，可查詢到農(nóng)產(chǎn)品的相關信息，如所屬品種、農(nóng)產(chǎn)品等級、采摘及包裝日期、種植戶等。生產(chǎn)者可以利用系統(tǒng)記錄下與農(nóng)產(chǎn)品種植相關的各項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如農(nóng)藥噴灑情況、施肥情況、灌溉情況等，在遇到生產(chǎn)問題時可以通過在線交流和技術服務等欄目獲得幫助，同時，網(wǎng)站為生產(chǎn)者提供最新的農(nóng)業(yè)資訊，便于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者及時把握市場行情。監(jiān)管部門通過系統(tǒng)可以掌握農(nóng)戶的生產(chǎn)情況，在出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全事故時，便于及時介入調(diào)查，迅速響應。

1.1 系統(tǒng)體系結構

針對系統(tǒng)用戶多且分布區(qū)域廣的特點，系統(tǒng)采用Browser/Server模式進行開發(fā)和部署。系統(tǒng)共分為四層，分別為：Web瀏覽器、Web服務器、WebGIS服務器和數(shù)據(jù)庫服務器。其中，Web瀏覽器充當客戶端角色，主要負責將用戶請求提交到Web服務器，并對Web服務器的處理結果進行顯示。與系統(tǒng)相關的所有數(shù)據(jù)與服務均保存在服務器端，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與服務的統(tǒng)一管理。Web服務器、WebGIS服務器和數(shù)據(jù)庫服務器均屬于系統(tǒng)的服務器端，其中，Web服務器用于發(fā)布WEB應用，WebGIS服務器用于發(fā)布地圖服務，數(shù)據(jù)庫服務器為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)檢索服務，按存儲的數(shù)據(jù)類型不同分為屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)采用ASP.NET動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)技術，編程語言采用C#.NET，Web服務器采用微軟的IIS 7.0，WebGIS服務器采用ESRI公司的ArcGIS Server 9.3，數(shù)據(jù)庫服務器則使用SQL SERVER 2008，客戶端采用IE 6以上版本。WebGIS系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

本系統(tǒng)是基于WebGIS設計的，一方面系統(tǒng)具有查詢農(nóng)產(chǎn)品從種植到收獲所有影響農(nóng)產(chǎn)品質量的因素信息，屬于溯源系統(tǒng)中流入市場前這一環(huán)節(jié)的信息；另一方面系統(tǒng)還包括種植管理、信息查詢以及用戶間的交流等功能。根據(jù)用戶的特點和需求，系統(tǒng)主要包括用戶操作、信息查詢、過程跟蹤、用戶交流、地圖展示和系統(tǒng)管理等功能模塊，其中，用戶操作、信息查詢、用戶交流和地圖展示模塊對所有用戶開放，生產(chǎn)過程跟蹤模塊記錄生產(chǎn)過程中所有農(nóng)事活動以及環(huán)境監(jiān)測結果，使用對象主要是農(nóng)戶及環(huán)境監(jiān)測人員，系統(tǒng)管理模塊主要是為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理，使用對象是系統(tǒng)管理員和數(shù)據(jù)維護人員。系統(tǒng)按角色分配用戶權限，保證系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)功能模塊劃分如圖2所示。

⑴ 用戶操作模塊

用戶操作模塊提供了用戶登錄、用戶注冊和個人資料編輯功能。用戶登錄后，根據(jù)不同的權限設置顯示不同的菜單結構。用戶注冊模塊專門針對消費者，農(nóng)戶與監(jiān)管部門賬戶均由系統(tǒng)分配。個人資料管理功能用于修改登錄用戶的個人資料，如登錄密碼、聯(lián)系方式、真實姓名等。用戶注冊功能還提供了用戶驗證，避免系統(tǒng)中存在同名用戶，并通過對登錄密碼進行加密保證用戶賬號的安全。

⑵ 信息查詢模塊

該模塊主要實現(xiàn)了下列功能：用戶能夠通過農(nóng)特產(chǎn)品安全條形碼查詢農(nóng)產(chǎn)品質量等級屬性信息，了解與該農(nóng)產(chǎn)品相關的種植管理信息，如肥料、農(nóng)藥、地理位置、氣候環(huán)境、種植戶、產(chǎn)品文化等詳細信息；種植戶可以通過該系統(tǒng)了解如何管理地塊和作物栽培要點，例如如何施肥、病蟲害如何防止、植株如何修剪和果實的收獲存儲措施等。該模塊涉及的內(nèi)容具體包括：葡萄品種信息查詢、肥料信息查詢、農(nóng)藥信息查詢、氣候信息查詢、種植戶信息查詢、技術服務查詢等。

⑶ 過程跟蹤模塊

該模塊主要是為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)建立數(shù)字檔案，對農(nóng)產(chǎn)品的種植與收獲進行全面的信息化跟蹤管理。在該模塊中需要根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品條形碼編碼建立各批次農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)檔案。按照生產(chǎn)標準和規(guī)范，合理使用化肥、農(nóng)藥，并記錄從播種、移栽到施肥、用藥，以及病蟲害防治等情況，使主管部門能及時掌握農(nóng)業(yè)標準化生產(chǎn)過程中所有農(nóng)事記錄與綜合信息。此外，該模塊還記錄生產(chǎn)過程中所有影響農(nóng)產(chǎn)品質量的環(huán)境因素信息，如水源、大氣、土壤等信息。

⑷ 用戶交流模塊

該模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)與用戶、不同用戶之間的交互。通過該模塊，用戶可以將系統(tǒng)的使用情況、意見與建議進行反饋或留言。為了使系統(tǒng)更好地為用戶服務，該模塊同時提供農(nóng)產(chǎn)品信息發(fā)布功能，用戶可以在該模塊發(fā)布需求信息并留下聯(lián)系方式。當用戶遇到技術問題時，還可以在此模塊發(fā)布求助信息，由技術專家不定期對問題進行解答。同時系統(tǒng)還可以發(fā)布一些關于農(nóng)產(chǎn)品方面的最新消息，方便用戶及時準確地把握農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、流通以及消費方面的信息。該模塊必須是系統(tǒng)注冊用戶才能使用。

⑸ 地圖展示模塊

系統(tǒng)GIS功能的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在三個方面：地塊地力狀況、農(nóng)產(chǎn)品種植情況、交通分布狀況。其中，地塊地力狀況利用地圖展示某個區(qū)域地塊的土壤類型、土壤質地、有機質含量、全氮量、全磷量等信息。農(nóng)產(chǎn)品種植情況則通過地圖直觀地反映某個區(qū)域的農(nóng)作物分布情況，如農(nóng)作物種類、上年農(nóng)作物產(chǎn)量、種植戶信息等。在系統(tǒng)中提供交通分布狀況圖主要為了方便采購商和投資者提前規(guī)劃出行線路、交通工具等。地圖展示模塊除了實現(xiàn)基本的地圖操作如地圖漫游、放大、縮小等功能以外，還提供圖層查詢、空間測距、信息統(tǒng)計等擴展功能。

圖層查詢功能主要是指農(nóng)產(chǎn)品空間與屬性信息的雙向查詢機制；信息統(tǒng)計功能可以幫助管理者從宏觀上把握區(qū)域內(nèi)的信息，實時統(tǒng)計出某個區(qū)域的葡萄種植情況，如種植戶數(shù)量、葡萄產(chǎn)量等，以圖表形式直觀顯示；空間測量功能主要有面積和長度測算兩種，分別用于測量區(qū)域面積和兩點之間的距離。

⑹ 系統(tǒng)管理模塊

該模塊主要包含三部分內(nèi)容：賬戶管理、權限分配和數(shù)據(jù)維護。此模塊專門針對系統(tǒng)管理員和數(shù)據(jù)維護人員而設計。系統(tǒng)管理員可以通過此模塊添加賬戶，并為賬戶分配相關權限。為了限制系統(tǒng)使用人員，種植戶的賬戶信息由系統(tǒng)進行初始化分配，不需注冊，但種植戶可以在登錄系統(tǒng)后進入用戶操作模塊進行個人資料的修改，監(jiān)管人員的賬戶也由系統(tǒng)管理員進行分配，其他用戶可以自行注冊。數(shù)據(jù)維護人員可以通過此模塊更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，數(shù)據(jù)維護人員主要操作的是隨著葡萄季節(jié)更替需要不斷更新的數(shù)據(jù)，而對于相對固定的數(shù)據(jù)如種植管理方法、葡萄文化等數(shù)據(jù)則無需修改。

1.3 數(shù)據(jù)庫設計

存儲地理信息數(shù)據(jù)可分為兩類：一類是空間參考數(shù)據(jù)（如位置、地塊），即圖形數(shù)據(jù)，是地理信息系統(tǒng)的基礎，用來直觀表現(xiàn)空間特征的位置；另一類是屬性數(shù)據(jù)，與空間數(shù)據(jù)對應，用來描述空間特征屬性的數(shù)據(jù)[1]。

⑴ 屬性數(shù)據(jù)庫設計

屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫相對應，用來描述系統(tǒng)除空間信息以外的數(shù)據(jù)。在設計屬性數(shù)據(jù)庫時，需要依據(jù)數(shù)據(jù)庫設計原則，對系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)進行抽象，生成E-R圖，并在此基礎上設計數(shù)據(jù)庫邏輯結構。數(shù)據(jù)庫設計對于系統(tǒng)非常重要，合理的數(shù)據(jù)庫設計可以避免數(shù)據(jù)冗余，并有助于提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

根據(jù)系統(tǒng)需求，我們對系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)進行抽象，確定了數(shù)據(jù)庫邏輯結構。系統(tǒng)共包含十三張數(shù)據(jù)表，有地塊信息表、地塊種植情況表、農(nóng)產(chǎn)品信息表、種植戶信息表、農(nóng)藥使用情況表、肥料使用情況表、氣候信息表、用戶權限表等。其中，地塊信息表用于存儲地塊的土壤信息，包括地塊編號、所屬地區(qū)、土壤類型、質地、有機質含量等字段，該表中的地塊編號與地圖數(shù)據(jù)中的地塊編號對應，該表可以反映地塊的基本形狀、質量等級，為土壤改良提供參考依據(jù)。

⑵ 空間數(shù)據(jù)庫設計

對于GIS軟件而言，最重要的部分就是空間數(shù)據(jù)庫的設計。空間數(shù)據(jù)庫可以存儲的數(shù)據(jù)類型包括：點、線、面等空間數(shù)據(jù)，在該階段需要收集空間數(shù)據(jù)資料，并對相關資料進行整理并存儲。農(nóng)產(chǎn)品信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)主要包括行政區(qū)劃信息、條田、土壤類型、水系、道路等。在明確了所需數(shù)據(jù)的基礎上，首先需要對收集的資料進行整理和數(shù)字化，然后進行空間數(shù)據(jù)入庫。

ArcMap[2]提供了地圖數(shù)字化的完整途徑，通過數(shù)字化與生成新要素，實現(xiàn)圖形要素的數(shù)字化，在建庫的過程采用統(tǒng)一的坐標系進行配準，利用ArcMap可以進行各種編輯操作，通過編輯，可以使數(shù)字要素更好地表達空間地理實體，進行科學的分析和直觀的地圖表達。屬性數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)的連接通過共有的屬性地塊編號實現(xiàn)，根據(jù)需要加載相應的屬性數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)所采用的關鍵技術

系統(tǒng)采用ASP.NET、JavaScript、AJAX（Asynchronous Java-

Script and XML，異步JavaScript和XML）、ArcGIS Server、SQL Server等技術，實現(xiàn)特色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)各功能模塊。其中，開發(fā)平臺采用Visual Studio 2008，系統(tǒng)中的地圖服務依托ArcGIS Server進行發(fā)布與管理，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)集中保存在Microsoft SQL Server中，并通過ArcSDE（ArcGIS的空間數(shù)據(jù)引擎）實現(xiàn)用RDBMS管理空間數(shù)據(jù)庫。同時，為了提升用戶體驗，優(yōu)化瀏覽器和服務器之間的傳輸，減少不必要的數(shù)據(jù)往返，系統(tǒng)還使用了基于.NET平臺的AJAX類庫。

2.1 WebGIS技術

基于Internet/Intranet技術的WebGIS是在地理信息系統(tǒng)（Geographic information system，簡稱GIS）基礎上發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)的基于桌面或局域網(wǎng)的GIS相比，WebGIS主要具有以下幾個優(yōu)點[3]，一是平臺獨立性，由于WebGIS使用了標準的Web瀏覽器訪問地理數(shù)據(jù)，任何Web瀏覽器如Internet Explorer、Opera、Mozilla Firefox等都可以方便地訪問到WebGIS數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)遠程異構數(shù)據(jù)的共享。二是優(yōu)化的負載分配模式，WebGIS能充分利用網(wǎng)絡資源，將基礎性、全局性的處理交由服務器執(zhí)行，而對數(shù)據(jù)量較小的簡單操作則由客戶端直接完成，這種計算模式能有效地降低對客戶端的要求，并在客戶端與服務器端形成合理的負載平衡。三是操作簡單，WebGIS操作簡單，用戶不需要專業(yè)的GIS軟件培訓，僅使用Web瀏覽器就能實現(xiàn)豐富的地圖操作。

按照服務器和瀏覽器在WebGIS系統(tǒng)中所承擔任務的多少，可以將WebGIS系統(tǒng)分為兩類，一是基于服務器端的WebGIS（Server-side WebGIS），另一類是基于客戶端的WebGIS（Client-side WebGIS）[4]。基于服務器端的WebGIS把GIS數(shù)據(jù)管理和空間分析任務都放在了服務器端處理，服務器端將處理完成的矢量圖形轉換為WebGIS瀏覽器支持的圖像格式傳遞給客戶端；基于客戶端的WebGIS則在客戶端安裝了支持地圖操作的插件或控件，使得WebGIS瀏覽器也可以支持矢量圖形，完成相關的地圖操作。系統(tǒng)采用了基于服務器端的WebGIS開發(fā)模式，以有效減輕客戶端負擔，但對服務器性能提出了較高要求。

2.2 ArcGIS Server技術

⑴ ArcGIS Server簡介

ArcGIS Server[5]用來構建企業(yè)級應用的平臺，GIS功能在服務器端集中實現(xiàn)和管理。同時，它也是一個服務管理器，用來管理各種地理數(shù)據(jù)，如地圖、定位器、各種應用軟件對象。ArcGIS Server充分利用了ArcGIS的核心組件庫ArcObjects，并提供基于工業(yè)標準的網(wǎng)絡服務，是基于企業(yè)級GIS應用程序的綜合平臺，同時它提供了創(chuàng)建GIS應用程序和配置服務的框架，并實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)管理、空間可視化、空間分析的功能，它還是一個服務器對象管理器，用來管理各種地理數(shù)據(jù)。ArcGIS Server系統(tǒng)體系通常包括三個部分：客戶端瀏覽器、Web服務器和ArcGIS Server服務器。

⑵ ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎

ArcSDE（Spatial Database Engine）即空間數(shù)據(jù)庫引擎，是ArcGIS for Server的核心部件，作為一種連接GIS 應用程序和關系數(shù)據(jù)庫的中間件技術，它使得在關系型數(shù)據(jù)庫中可以方便地存儲并管理空間數(shù)據(jù)[6]，這些關系型數(shù)據(jù)庫包括Oracle，Microsoft SQL Server，IBM DB2和Informix等。ArcSDE體系結構相當靈活，支持多用戶編輯。通過ArcSDE技術可以在關系型數(shù)據(jù)庫中存儲各種空間數(shù)據(jù)，如地標、街道、河流、地塊等，并提供空間管理功能，如空間數(shù)據(jù)查詢、空間數(shù)據(jù)分析等。本系統(tǒng)使用了ArcSDE 9.3作為空間數(shù)據(jù)引擎，存儲并管理相關的空間數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS for Server發(fā)布地圖服務。

3 結束語

本系統(tǒng)基于網(wǎng)絡平臺提供特色農(nóng)產(chǎn)品信息服務，并將WebGIS技術應用到系統(tǒng)中，在一定程度上為浙江省特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供了思路。通過該平臺，可以詳細記錄種植戶的各項生產(chǎn)活動，為種植戶提供技術指導與信息服務，消費者可以根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品安全條形碼查詢到農(nóng)產(chǎn)品的相關信息，增加對農(nóng)產(chǎn)品的信賴度，同時便于監(jiān)管部門對農(nóng)產(chǎn)品進行質量追溯。本系統(tǒng)的實現(xiàn)有助于農(nóng)戶更加合理地安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，對于保護農(nóng)民利益、發(fā)展無公害農(nóng)產(chǎn)品、減少食品安全事件有積極的作用。在后續(xù)的工作中，需要對本系統(tǒng)的地圖服務功能進行完善，并著重加強地圖分析方面的應用。

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