基于移動GIS的棉蚜蟲害熱點發生區域監測系統

周文杰+趙慶展+靳光才+許金霞+張清+張鴻靜

摘要：為快速準確實現棉蚜蟲害熱點發生區域監測，系統采用移動GIS技術加載新疆生產建設兵團第七師一二五團研究區基礎地理數據矢量圖，對棉蚜發生的點區域或面區域進行采樣，采用反距離插值方法獲取棉蚜蟲害發生等級柵格圖，然后對柵格數據進行裁剪、重分類、矢量化和空間鏈接處理獲取每個條田塊的棉蚜蟲害發生等級，在此基礎上計算每個條田塊Getis-Ord Gi*統計量，獲取每個條田塊的GizScore，當該值為正且數值越大時，則表示該條田塊為棉蚜蟲害發生的熱點區域，棉蚜蟲害暴發的可能性越大。研究區初步應用結果表明，用戶可利用手機APP實時掌握棉蚜蟲害的發生等級，全面了解棉蚜蟲害發生的熱點區域，具有操作簡便、高效便捷、實時性強等特點。

關鍵詞：移動GIS；棉蚜蟲害；熱點區域；監測系統

中圖分類號： S127；S435.622+.1

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0366-05

棉花是新疆最主要的經濟作物，2010年新疆棉花產量約占全國總產量的42%[1]，棉花“三蟲”即棉鈴蟲、棉蚜、棉葉螨、“兩病”即黃萎病、枯萎病是危害最為嚴重和分布較廣的病蟲害，平均每年造成產量損失約15%～20%[2-3]，成為新疆和兵團棉花可持續發展的主要障礙。

棉蚜具有寄主廣、代數多、數量大、耐藥性強的特點[4-6]，一旦大規模暴發，將嚴重影響棉花的產量。棉蚜蟲害的監測方式有田間調查、傳感器網絡監測、遙感監測。目前，已有研究學者對其進行了大量研究，周海波等對小麥蚜蟲的田間調查、監測技術及防治策略進行研究[7]；陸明星等研究了水稻鉆蛀性螟蟲的田間調查和測報技術[8]；齊建東等提出一種新穎的、基于無線多媒體傳感器網絡的森林病蟲害監測預警系統的解決方案[9]；馬菁等對寧夏回族自治區中寧縣規模化枸杞種植區，通過遙感近地高光譜技術，利用光譜儀技術對盛果期的健康枸杞冠層和感染了木虱、癭螨、負泥蟲、白粉病的染病枸杞冠層進行光譜特征測定[10]；許章華等以寄主葉面積指數構建馬尾松毛蟲的遙感反演模型[11]；衛黎光等將地面實測冠層高光譜數據模擬為TM多光譜數據，從而分析衛星傳感器多光譜波段對病害的影響情況，并構建多光譜指數（PMSI）估測白粉病嚴重程度[12]。傳統的病蟲害監測方式雖然在理論上可行，但在實際應用過程中，田間調查方式采集工作效率低、易出錯且數據管理工作量大、維護困難，難以適應棉蚜蟲害時空變異性強的特征[13]；無線傳感器網絡監測棉蚜信息成本高、系統維護較為復雜[14]；遙感技術在大面積蟲害監測過程中具有獨特作用，但其數據源受過境時間的影響在時間上相對滯后，對棉蚜的監測一般在災中、災后進行，地面驗證依然是提高遙感監測精度的必要手段[15-17]。

在棉蚜蟲害發展的過程中，由于采集環境以及樣點空間分布的復雜性，傳統的調查方式無法有效地輔助調查人員前往采樣點并提高蟲情信息采集與發布效率。移動GIS的發展為解決上述問題提供了有效的方法。本研究針對棉蚜蟲害數據采集工作效率低下、空間分析復雜度較高以及預警信息傳播的滯后性等問題，在研究棉蚜蟲情發展的基礎上，利用移動GIS技術實現棉蚜蟲害的數據采集，分析棉蚜蟲害的空間分布，研究棉蚜暴發的熱點區域，推算棉蚜的空間聚集性，最終將專題圖進行發布，用戶可在手機上進行查看，此方式在棉蚜蟲害信息采集的樣本點的選擇上具有隨機性，在棉蚜蟲害空間分布的監測上具有實時性。

1 系統總體設計

1.1 需求分析

系統研究區域是新疆生產建設兵團第七師一二五團。棉蚜蟲害熱點發生區域監測系統是在采樣條田的棉蚜發生等級基礎上，對其進行空間分析，進而在較大空間尺度上對棉蚜蟲害進行監測，同時找出棉蚜蟲害發生的熱點區域。采樣條田的棉蚜發生等級通過移動GIS進行采集[18]，系統開發著重解決如下幾個核心需求：如何獲取未采集條田的棉蚜蟲害發生等級；如何獲取棉蚜蟲害暴發的熱點區域；如何將空間分析專題圖進行發布。

目前，移動GIS技術可實現地圖顯示、空間分析、地圖服務生成等一系列功能。如ESRI提供了移動GIS開發工具包，ArcGIS Runtime SDK for IOS提供了大量的API，結合XCode開發工具，可以在IOS平臺以地圖服務的形式通過網絡向用戶顯示棉蚜蟲害發生等級的專題圖。在服務端，借助ArcGIS Desktop鏈接Oracle棉蚜蟲害時空數據庫并加載已采集條田的棉蚜蟲害發生等級，通過空間插值技術獲取未采集條田的棉蚜發生等級，最終通過ArcGIS Server發布棉蚜蟲害發生等級專題圖，為IOS客戶端調用該地圖服務提供支持。

空間插值分析結果為柵格數據，該數據從較大的空間尺度描述了棉蚜蟲害發生的空間分布。在柵格數據的基礎上，對其進行重分類、矢量化處理，最終通過空間位置鏈接技術映射每個條田的棉蚜發生等級。

在空間插值分析的基礎上，利用Getis-Ord Gi*統計量計算每個條田塊在統計意義上的顯著性聚集或離散模式，聚集性高的條田塊則為棉蚜暴發的熱點區域。

1.2 體系結構及功能設計

系統分為客戶端和服務端2個部分，采用C/S架構，客戶端和服務端的通信采用2G/3G/4G/Wi-Fi技術。本系統的體系結構主要包括3個部分，即表現層、邏輯層、數據層。表現層主要提供用戶訪問的接口；邏輯層主要處理空間分析、客戶端服務端通信、數據庫訪問等問題；數據層主要存儲用戶信息、棉蚜蟲害發生等級現勢數據等，系統體系結構見圖1。

系統功能設計采用面向對象的設計方法。客戶端主要包括注冊登錄模塊、專題圖顯示模塊、定位顯示模塊；服務端主要包括空間分析模塊（包括空間插值分析、重分類、柵格數據轉矢量、空間位置鏈接分析、熱點分析）、數據存取模塊、數據通信模塊等。

定位顯示模塊主要調用手機的GPS模塊，獲取用戶的當前位置，并在地圖上進行顯示。當用戶訪問地圖時，系統調用該模塊。專題圖顯示模塊的主要功能是通過專題圖的方式向用戶展示棉蚜發生等級的空間分布。用戶訪問該模塊時，系統首先調用定位顯示模塊，直接將用戶的位置在地圖上顯示出來，進而可以查看當前位置的棉蚜發生等級分布情況。

數據存取模塊是提供數據庫訪問的接口，為各個模塊操作數據庫提供支持。數據通信模塊實現了應用程序向服務器發送請求的http協議接口，為氣象獲取模塊提供支持。空間分析模塊的實現需要借助ArcGIS Desktop，利用其提供的各種工具實現空間分析。服務端系統運行流程見圖2。

2 系統核心功能實現

2.1 反距離插值分析

由于研究區采樣條田在棉蚜蟲害發生等級等方面具有代表性，因此系統考慮采用反距離插值方法進行分析。在反距離的插值過程中，與插值點距離最近的若干個已知樣本點對內插點值的貢獻最大，其貢獻大小與距離成反比。其數據理論是加權平均，即將已知樣本點各數值乘以相應的單位數（權數），然后求和得總體值，再除以單位數之和。假設xi為已知樣本點，yi為已知樣本點對應的權數，y為加權算術平均數（即預測值或內插值），則加權算術平均數的計算公式為：

在具體操作過程中，對采集的條田（條田在矢量圖上顯示為多邊形）需要進行多邊形轉點處理，該操作可由ArcGIS Desktop的工具Feature To Point完成。完成多邊形轉點之后，可對點進行空間反距離插值。因為空間插值的結果為非整數，因此需要對插值后的柵格進行重分類處理，使得棉蚜發生等級為整數等級，最后進行剪裁。為了實現對每個條田進行等級處理，需要對柵格圖進行矢量化處理，最后進行空間位置鏈接，在條田尺度上獲取棉蚜發生等級。

2.2 熱點分析

通過對棉蚜蟲害進行熱點分析，可以得知棉蚜蟲害暴發的熱點區域，在棉蚜蟲害的預警方面具有重要意義。熱點分析主要是對棉蚜蟲害數據集的每一個條田塊計算Getis-Ord Gi*統計。通過計算z得分和P值，可以知道高值或低值條田塊在空間發生聚類的位置，其工作方式為查看臨近條田塊的棉蚜發生等級。棉蚜發生等級較高的條田塊往往容易引起注意，但可能不是具有顯著統計學意義的熱點。棉蚜蟲害發生等級較高的條田塊要成為具有顯著統計意義的熱點，該條田塊應該具有高發生等級，且被其他同樣具有高等級的條田塊所包圍。某個條田塊及其相鄰的條田塊的局部總和將于所有的條田塊的棉蚜發生登記相比較；當局部總和與所預期的局部總和有很大差異，以致于無法成為隨機產生的結果時，會產生一個具有顯著統計學意義的z得分。為數據集中的每個條田塊返回的G*i統計就是z得分。對于具有統計學意義的z得分而言，z得分越高，高值熱點的聚類就越緊密，其理論流程以及z得分置信度如圖3所示。

ArcGIS Desktop對熱點分析提供了很好的支持，借助其模型構建器（model builder）可以以流程化的方式對熱點分析的有關計算進行運算，ArcGIS Desktop對熱點分析進行建模的主要分析工具為Hot Spot Analysis With Rendering，該工具需要選擇對進行熱點分析的空間矢量數據文件進行選取，同時指定分析的數據屬性。建模過程如圖4所示。

2.3 系統運行實例

系統在2015年新疆生產建設兵團一二五團進行試驗研究，選擇該團10個生產單位，每個生產單位10塊條田，單次數據采集強度100條，采集周期為5 d。以單次采集的數據為樣點，對該數據進行反距離插值分析和熱點分析，并將其對應專題圖進行發布，試驗結果分別見圖5、圖6。

3 結語

本系統的試驗數據是新疆生產兵團第七師一二五團的植保人員在2015年采集的，系統運行結果符合實際情況。農技人員可使用智能終端APP對棉蚜蟲害的發生等級進行采集，采集結果通過網絡傳輸至數據庫，服務端經過處理后，可將棉蚜蟲害的空間分布以及熱點發生區域以專題圖的形式進行對外發布，用戶可在APP上直接訪問該專題圖，進而實時掌握

棉蚜蟲害的發生趨勢。從應用情況來看，更加精確的植棉區分布數據對棉蚜蟲害熱點區域的分析具有提升作用。在系統運行方面，棉蚜專題圖的生成雖然在一定程度上實現了自動化，但在實現全過程自動化方面仍然有一段距離，為系統添加預警模塊并向用戶推送是完善系統的一個重要方向。

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