庫爾勒香梨種植信息提取與管理系統(tǒng)設計研究

陳換美，郭振華，張 鋒，許 方

（1.巴音郭楞職業(yè)技術學院 機械電氣工程學院，新疆 庫爾勒 841000；2.金風天翼風電有限公司）

庫爾勒香梨種植信息提取與管理系統(tǒng)設計研究

陳換美1，郭振華1，張 鋒2，許 方2

（1.巴音郭楞職業(yè)技術學院 機械電氣工程學院，新疆 庫爾勒 841000；2.金風天翼風電有限公司）

農(nóng)業(yè)信息化的蓬勃發(fā)展，催生了果園信息化管理。在這樣的背景下，“3S”技術已廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域，同時降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。本文從“3S”技術的概念、功能及其在果園農(nóng)業(yè)的應用現(xiàn)狀進行深入闡述，結合庫爾勒香梨的自然生態(tài)條件和經(jīng)營現(xiàn)狀，分析了“3S”技術在庫爾勒香梨種植中應用的可行性，并對庫爾勒香梨果園信息提取與管理系統(tǒng)進行了總體設計，對系統(tǒng)各功能模塊做了簡單介紹。

“3S”技術；精準農(nóng)業(yè)；信息化管理；庫爾勒香梨

信息化在農(nóng)業(yè)中的廣泛應用，使農(nóng)業(yè)信息化得到了蓬勃發(fā)展，并在發(fā)達國家形成一些特征：即形成以國家為主體的完善信息體系，健全的信息化制度，發(fā)達的信息化農(nóng)業(yè)設施以及完善的農(nóng)業(yè)和農(nóng)資市場信息化服務體系。農(nóng)業(yè)信息化高速發(fā)展的同時，果園的信息化管理在悄然興起。發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)信息化管理方面發(fā)展比較成熟，并已經(jīng)在果園管理方面得到應用。我國的農(nóng)業(yè)信息化起步較晚：1979年，我國首次在農(nóng)業(yè)上應用遙感技術；1981年建立中國農(nóng)業(yè)科學院計算中心，開始以計算、數(shù)學規(guī)劃和統(tǒng)計應用為主的農(nóng)業(yè)科研工作；1998年12月，國家科技部召開全國農(nóng)業(yè)信息化科技工作會議[1]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國已將數(shù)據(jù)庫、專家決策系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術應用諸多的農(nóng)業(yè)領域，對推動農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展起到積極作用。李想[2]從系統(tǒng)的技術體系、系統(tǒng)目標、系統(tǒng)構成及實施過程方面，探討了基于GIS的果園信息化管理系統(tǒng)的設計。董希玲、楊愛潔、劉燕德等[3-5]分別基于NET技術、GPS技術對果園管理系統(tǒng)進行了研究，實現(xiàn)了對果園溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測和遠程管理。由此可見，我國在果園信息化管理方面尚處于初級階段，大部分研究局限于引用單一技術進行果園信息采集處理。構建的數(shù)據(jù)庫缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，應用面受到較大限制，缺乏“3S”技術的有效融合。本文旨在深入了解“3S”技術在庫爾勒香梨種植過程中的應用價值，剖析“3S”技術在庫爾勒香梨種植過程中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，以期為調(diào)整庫爾勒香梨生產(chǎn)布局，使香梨種植向適宜區(qū)和最適宜區(qū)轉變提供思路，為庫爾勒香梨實現(xiàn)規(guī)?；N植、信息化管理提供思路，有利于提高庫爾勒香梨在行業(yè)內(nèi)的知名度，實現(xiàn)庫爾勒香梨的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 “3S”技術

“3S”技術是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）、遙感技術（Remote Sensing，簡稱RS）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）的統(tǒng)稱。

1.1 全球定位系統(tǒng)（GPS）

全球定位系統(tǒng)（GPS），又稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個由24顆導航衛(wèi)星組成的導航系統(tǒng)。導航衛(wèi)星可以對地球上大部分地區(qū)實施精準定位，用戶通過GPS接收機即可獲得測試點的位置、速度、時間等數(shù)據(jù)信息。

1.2 遙感（RS）技術

遙感技術（RS）是非接觸地快速、大面積觀測地物狀態(tài)的現(xiàn)代化手段，是運用衛(wèi)星、飛行器等手段收集地面目標的電磁輻射信息，結合物理、數(shù)學和地理學等相關理論方法揭示目標性質、形象、分布和動態(tài)變化的現(xiàn)代探測技術。

1.3 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS），也被稱為“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”。GIS可以在計算機系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)對地球表層空間的地理相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、運算、分析。

1.4 “3S”技術

“3S”技術是將GPS、RS、GIS三者集成，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取到模擬展示一體化?！?S”技術并不是簡單的將GPS、RS、GIS三者組合，依據(jù)其應用水平集成方式分為2種：（1）相互之間調(diào)用一些基本功能實現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作，主要應用在低級階段；（2）GPS、RS、GIS三者不只是相互調(diào)用，而是一個有機整體，可以實現(xiàn)協(xié)調(diào)應用，對獲取的數(shù)據(jù)可以實時動態(tài)更新，實現(xiàn)分析判斷與現(xiàn)場勘察的實時化動態(tài)化，并為決策提供技術支持。

“3S”集成技術集成了RS、GPS、GIS三者的優(yōu)勢，在集成體系中，GPS和RS負責獲取信息和實現(xiàn)空間定位；GIS對獲取的信息進行分析和管理。目前“3S”技術已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、水利工程、土地利用的動態(tài)監(jiān)測等方面應用，并取得很多成功經(jīng)驗。

2 “3S”技術在林果種植中的應用

雖然“3S”技術理念推廣已久，但我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程仍是粗放經(jīng)營模式，并沒有實施按需調(diào)控，增加生產(chǎn)成本的同時造成了環(huán)境污染。近年來，隨著“3S”技術應用研究的不斷深入，一批研究成果得到推廣。在田間作物機械上安裝GPS，可以實現(xiàn)精確定位，通過自動導航，實現(xiàn)田間農(nóng)機精準灌溉、噴藥、施肥等作業(yè)；GIS可以將大量相關信息進行分析、管理，提供決策；RS可應用于農(nóng)田信息的精準采集[6]。通過將三者高效結合，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的利用率和準確性，對于減少農(nóng)田環(huán)境污染、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本具有一定作用。

2.1 變量施肥

變量施肥是以“3S”技術為核心，將土壤不同面積單元的產(chǎn)量信息與土壤性質、農(nóng)田的生態(tài)條件、溫濕度條件及障礙因子等進行疊加分析，根據(jù)農(nóng)作物的生長模型、營養(yǎng)平衡的條件，施肥專家系統(tǒng)輸出科學的施肥方案，對于農(nóng)作物的合理追肥具有重要意義。變量施肥在對土壤進行科學施肥的同時，精準的滿足了作物對營養(yǎng)的動態(tài)需求，實現(xiàn)農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)機械的有機緊密結合。結合“3S”技術，變量施肥已經(jīng)得到實際應用，并取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。如：新疆棉花生產(chǎn)上應用平衡施肥WebGIS專家系統(tǒng)后，氮肥利用率提高了10%。金之慶等建立了水稻精準種植信息系統(tǒng)后，在應用試驗中發(fā)現(xiàn)，化肥施用量減少15%，單產(chǎn)提高8%。水肥耦合的理論也在精準灌溉的同時得到應用，提高了肥料的利用率。

2.2 防治病蟲害

目前，農(nóng)作物病蟲害的防治主要依賴農(nóng)藥。農(nóng)藥在使用過程中，不僅殘留于農(nóng)產(chǎn)品表面，一部分甚至滲入農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部，直接進入食物鏈。大量農(nóng)藥的使用，會降低農(nóng)產(chǎn)品質量，甚至發(fā)生食物中毒事故。應用“3S”技術的時效性、定量化性和高精度性，能夠及時預測病蟲害的發(fā)生，并給出防治方案，指導農(nóng)技工作者及時防控，使用盡量少的農(nóng)藥達到理想的防治效果?！?S”技術在暴發(fā)性、遷飛性農(nóng)業(yè)病蟲害，特別是蝗蟲發(fā)生動態(tài)檢測方面具有廣闊的應用前景。GIS能夠預測病蟲害的傳播風險，并建立動態(tài)模型，通過對病蟲害適生性進行分析，達到提高植物檢疫的工作目的。

3 “3S”技術應用于庫爾勒香梨種植管理的可行性

3.1 系統(tǒng)需求分析

庫爾勒香梨生產(chǎn)存在的主要問題有：果農(nóng)技術水平較低，接受新觀念、新技術的能力較差；缺乏健全而有力的推廣體系，果農(nóng)難以及時獲得新成果、新技術、新知識等信息；單產(chǎn)低、質量差導致庫爾勒香梨生產(chǎn)效益低；果實著色差、果形不夠端正、果實病蟲害嚴重，農(nóng)藥和有害元素檢出率高，一些農(nóng)藥和有害元素存在嚴重超標；另外果園管理分散，果樹生產(chǎn)管理方式落后，都是庫爾勒香梨存在的問題。針對這些問題，充分利用現(xiàn)代測繪技術、計算機與網(wǎng)絡技術，綜合運用土壤學、氣候學、果樹學等知識建立智能、先進的信息化服務系統(tǒng)，為庫爾勒香梨園信息化、科學化生產(chǎn)與管理提供技術支撐?；凇?S”技術、數(shù)據(jù)庫技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術為支撐，設計與開發(fā)庫爾勒香梨園信息化管理與服務系統(tǒng)。

3.2 可行性分析

充分收集與整理庫爾勒香梨園信息化管理所需信息，歸納分類并設計適于查詢、修改、擴展的數(shù)據(jù)庫結構框架，建立示范區(qū)果園綜合信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)果園信息的快速查詢與發(fā)布；基于Arc Engine中的三維控件構建果園的三維虛擬場景，利用攝像機錄制果園在不同季節(jié)、不同時期（花期、果期等）的真實場景，并為果樹附上屬性，實現(xiàn)庫爾勒香梨園三維展示、果樹信息的快速查詢；基于網(wǎng)絡技術開發(fā)網(wǎng)絡通訊工具，實現(xiàn)果農(nóng)與專家在線交流；最后，基于VB+ AE為開發(fā)工具，研發(fā)庫爾勒香梨園信息化管理與服務系統(tǒng)。通過系統(tǒng)研發(fā)，為庫爾勒香梨園信息化、科學化生產(chǎn)與管理提供技術支撐。

庫爾勒香梨園管理信息系統(tǒng)是以庫爾勒香梨果園的管理為研究對象，一方面，果農(nóng)可以根據(jù)自己的賬號登錄系統(tǒng)，全面了解果樹資源信息、果園管理知識及果園的土壤、氣候、農(nóng)藥施用、地形等方面的信息；另一方面，職能部門及科學研究單位可以根據(jù)賬號登錄系統(tǒng)，通過綜合分析各種信息，制定預防、指導等決策，正確引導果農(nóng)合理管理果園。

4 系統(tǒng)總體設計

4.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)使用對象主要面向果農(nóng)與相關職能部門，果農(nóng)主要進行查詢、瀏覽和技術咨詢，職能部門（管理員）主要進行數(shù)據(jù)的錄入與更新、決策和在線答疑等操作。農(nóng)情數(shù)據(jù)采集終端綜合應用GPS技術、嵌入式技術、多通道多傳感器數(shù)據(jù)采集技術、3G通信技術、GIS技術以及RS技術開發(fā)。農(nóng)情數(shù)據(jù)采集終端通過監(jiān)測儀器、外圍傳感器獲得信息數(shù)據(jù)，利用無線網(wǎng)絡將獲取的信息上傳到精準農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)服務平臺，服務平臺對信息入庫、統(tǒng)計分析、決策等進行處理，并最終以統(tǒng)計圖表和地圖的形式展示出來，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體設計

4.2 系統(tǒng)功能模塊設計

根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)的總體結構設計，本系統(tǒng)主要劃分為以下幾個模塊（圖2）：系統(tǒng)管理模塊、基本信息模塊、GIS功能模塊、多媒體播放模塊、決策服務模塊、在線咨詢模塊、數(shù)據(jù)庫維護模塊。（1）GIS功能模塊。該模塊是系統(tǒng)的主要功能模塊，充分結合了“3S”技術。實現(xiàn)自治區(qū)、州（市）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村和果園多級地圖瀏覽、統(tǒng)計分析以及虛擬果園三維場景展示等功能。地圖包含行政區(qū)界線圖、遙感影像、庫爾勒香梨種植區(qū)分布等，可以實現(xiàn)庫爾勒香梨園分布專題圖制作，查詢庫爾勒香梨種植面積、庫爾勒香梨種類及產(chǎn)量等屬性信息；市級地圖包含矢量行政界面圖、庫爾勒香梨種植分布區(qū)等圖件，可以實現(xiàn)與省級地圖同樣的功能；鄉(xiāng)鎮(zhèn)地圖包含矢量界面圖、土壤有機質采樣點分布圖、土壤含水量采樣點分布圖，其中土壤樣本是實地采集獲得，并在實驗室內(nèi)測定土壤的有機質和含水量，通過IDW插值實現(xiàn)制作土壤有機質或含水量等值線圖等功能；村級地圖包含行政界線圖、庫爾勒香梨果園分布圖；果園地圖是通過GPS實地測量獲得果園邊界和每一顆果樹的位置坐標繪制而成，可以查詢每棵果樹的坐標、樹高等信息，并可以進行增刪、更新等操作。（2）基本信息模塊。該模塊實現(xiàn)果園基本信息的錄入、更新、瀏覽、查詢等功能，通過條件引導和模糊查詢的方式幫助用戶對興趣信息的獲取，并以報表的形式打印出來。所有的數(shù)據(jù)信息存儲于SQL Server數(shù)據(jù)庫之中，并通過ADO進行連接。基本信息包括果園信息和果樹信息，其中果園信息包括果園編號、所有人、果園面積、施肥和噴藥種類、生產(chǎn)成本等信息；果樹信息包括果樹編號、樹齡、種類、位置及圖片等信息。（3）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)登錄、用戶管理和系統(tǒng)幫助3個子模塊。登錄模塊獲取用戶名及密碼，并通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的信息進行檢驗，當用戶名及其密碼正確時，能成功登錄系統(tǒng)。用戶等級可分為游客、管理員和專家用戶3種，游客只能查詢數(shù)據(jù)、瀏覽地圖等操作；管理員可以進行數(shù)據(jù)的增刪、用戶管理，本地數(shù)據(jù)庫維護等操作，專家用戶具有遠程數(shù)據(jù)庫維護權限。用戶管理模塊實現(xiàn)用戶的增刪、密碼修改和信息更新等功能。幫助模塊介紹系統(tǒng)的各個功能模塊，幫助用戶熟悉系統(tǒng)的基本操作。（4）多媒體展示模塊。該模塊用于果園真實場景、果園管理、果樹整枝調(diào)控、果樹圖片等媒體數(shù)據(jù)的增刪、瀏覽和播放。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的果園或果樹編號查詢指定的視頻或圖片，也可以在地圖瀏覽或三維場景展示中點擊相應的果園或果樹查看，并在相應的控件中播放。（5）決策服務模塊。該模塊分為決策模塊和服務模塊2個子模塊，決策模塊包括病蟲害癥狀、發(fā)生規(guī)律和防治措施查詢，果園土壤墑情、土壤養(yǎng)分快速診斷、統(tǒng)計分析等決策支持功能，并均可調(diào)用本地數(shù)據(jù)庫和遠程數(shù)據(jù)庫中的信息。服務模塊包括天氣查詢、行政代碼查詢，計算器、日歷和通訊錄等基本服務功能。（6）在線咨詢模塊。用戶可以通過專家咨詢模塊對遇到的問題及時有效的解決。該模塊包括發(fā)送郵件、在線留言、即時聊天和相關技術網(wǎng)站瀏覽等功能。發(fā)送郵件是基于SMTP通訊協(xié)議開發(fā)；在線留言是通過遠程數(shù)據(jù)庫鏈接，用戶的留言及時存入遠程數(shù)據(jù)庫中，專家查看后及時回復，并將回復信息及時傳送給用戶；即時聊天模塊實現(xiàn)用戶與專家的即時聊天。用戶可通過瀏覽技術網(wǎng)站及時了解果樹市場、管果園理、病蟲害防治等信息。（7）數(shù)據(jù)庫維護模塊。該模塊分為本地數(shù)據(jù)庫維護和遠程數(shù)據(jù)庫維護2個模塊，用戶角色為管理員時可以進行本地數(shù)據(jù)庫的維護操作，角色是專家用戶時可以操作本地和遠程數(shù)據(jù)庫。

5 問題與展望

通過查閱國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前“3S”技術在果園信息管理方面已得到初步應用，但應用水平較低、功能簡單化，缺乏系統(tǒng)切實的基礎研究，系統(tǒng)的推廣應用阻力較大。因此，“3S”技術在庫爾勒香梨園信息化中的應用研究，在理論、方法和技術等方面均有很大的發(fā)展前景。（1）加強“3S”技術集成研究。在加強“3S”技術集成應用促進果園信息化進程的同時，應進一步加強其與物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡技術等高新技術的融合應用，實現(xiàn)果農(nóng)對信息果園的基本需求。（2）探討高精度和普適性的土壤養(yǎng)分和含水量估測模型。研究區(qū)位于沙漠綠洲地區(qū)，土壤類型為單一的沙壤土，所建立的估測模型具有局限性，根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)、不同土壤類型土壤的高光譜反演指標存在差異，所建立的估測模型也不盡相同，因此應探討更加高效、普適性更強的土壤指標估測模型。

[1]王建強，王麗梅.3S技術在精細農(nóng)業(yè)發(fā)展中的綜合應用探討[J].水利科技與經(jīng)濟，2008（3）：235-236，244.

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[5]劉燕德，吳滔.基于無線傳感網(wǎng)絡的果園環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2011（21）：4469-4472.

[6]張廣波.基于3S技術的蘋果園信息提取與管理系統(tǒng)開發(fā)[D].山東農(nóng)業(yè)大學，2015.

2016-10-12