基于GIS技術精準施肥系統的研制

李文文+王雪濤+任磊+陳亮亮+姜娜+張振國

摘 要：該研究是以淮上區數據作為數據支撐，依據國內外典型的精準施肥理論，以及計算機網絡技術和3S集成空間技術，開發出基于ArcObjects與C#.NET的精準施肥專家系統。此系統可以讓農民能夠及時的、有效的收到來自施肥專家針對不同農作物和土壤現狀提供的相應的施肥建議，同時還能為用戶提供圖文并茂的農業百科知識。

關鍵詞：精準施肥；淮上區；GIS；施肥專家系統

中圖分類號 S224.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）05-0108-03

Abstract：This research is based on Huai area data as the data support，based on the theories of domestic and foreign typical precise fertilization，and developing space for computer network technology and 3S integration technology，developed a precise fertilization expert system based on ArcObjects and C#.NET.This system allows farmers to receive corresponding fertilization recommendations from the fertilization expert for different crop and soil status in time and effectively，and also provides users with illustrated agricultural knowledge.

Key words：Precise fertilization；Huai area；GIS；Fertilization expert syste

1 引言

我國傳統農業發展模式、經濟效益和社會效益已無法適應和滿足現代社會發展的需要，我們必須發展現代農業之路。實施精準農業項目可促進現代化農業[1]發展。我們可以根據農作物生長區域的土壤狀況，掌握土壤的需肥規律，來調節肥料的使用分配，提高土壤的利用率，達到用最少的肥料創造農作物高收入的目的，同時還可以避免資源的浪費，改善農田的種植環境[2]。

2 研究區概況

系統的研究試用區域為位于安徽省蚌埠市北部，北緯32°57′～33°05′、東經117°14′～119°08′。它位于江淮分水嶺末尾，是江淮丘陵與淮海平原的過渡地帶。此區域內大多數的景觀為平原、丘陵和臺地三種類型，其中以平原為主，地勢西北高東南低，自然坡降達1/10 000左右。該區域氣候屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，因為它位于亞熱帶與暖溫帶過渡區，所以兼具南北兩方的特點。

3 研究方法

本次研究運用地理信息系統空間分析技術，對采樣點各種土壤養分數據進行分析處理，形成柵格專題數據圖層，并且利用系統開發軟件，研制出精準施肥專家系統，用來實現對施肥建議模型的構建以及形成可視化的輸出結果[3]。

3.1 土壤數據采集 首先采用GPS定位技術，在研究區內確定數據采集點，獲取土壤樣本，然后對采樣點進行土壤化驗，科學有效的測定出土壤pH值與樣本中的有機質含量等，同時還包括部分重要微量元素的含量，最后將測得數據導入精準施肥專家系統數據庫，作為系統的基礎數據。

3.2 養分真實利用率[4] 依照施肥量、土壤養分減少量及作物養分吸收量，得出肥料養分使用率及肥料養分缺失率。

3.3 土壤養分分布 由于土壤養分的空間分布不僅需要考慮到樣本值的大小，還需要考慮到樣本的空間位置和樣本之間的距離。因此我們決定運用地統計分析中的克里金插值法對樣本值進行插值處理，得到土壤養分的空間差異分布結果。根據淮上區土壤養分分布現狀，運用普通克里金法對土壤養分的空間變異特征進行研究，在其研究過程中利用半變異函數描繪土壤性質空間中的變異，從而反映出不同距離觀測值之間的差異，即兩點間差值的方差的一半[5]。

[r（x，h）=12VarZ（x）-Z（x+h）]

其中Z（x）與Z（x+h）為在點x與x+h處的區域變化值。

由此可見，半變異函數隨著自變量x與h的改變而變化，當半變異函數r（x，h）僅與間隔h相關而與地點x無關時，r（x，h）可改寫為r（h），即

[r（h）=12N（h）i=1N（h）[Z（xi）-Z（xi+h）]2]

式中，N（h）是間距為h時的樣點對數，r（h）為變異函數，h為樣本空間間隔距離，稱為步長，[Z（xi）]與[Z（xi+h）]為在點[xi]與[xi+h]處的區域化變量值。r（h）的值在一定范圍內隨h的增長而增大，當測點的間距大于最大相關距離時，該值趨于平穩的靜止狀態。

4 系統設計

4.1 設計原則 系統的面向對象為農民，建設目標是根據地塊現狀實時為農戶提供精準的施肥建議以及種植技術扶持，同時結合管理系統的現階段發展狀況和發展前景，設計出規范的具有科學性、先進性、易拓展和易操作管理等特點的軟件系統。

4.2 系統總體框架 根據系統設計的需求，設計出系統的總體構架，主要分為如下幾個邏輯層次：視圖層（用戶界面）、應用層（服務平臺）、數據層（基礎平臺）和物理層（系統運行平臺）。

4.3 界面設計 界面設計能協助農戶實現簡便、高效的操作，不需要感受后臺繁瑣程序的運行流程。同時由于用戶的文化水平層次不齊且普遍不高，因此，界面設計應盡可能的簡潔化。通過采用用戶原則、數據最小量原則、幫助和提醒原則、媒體組合原則等組合最終設計出的系統界面主要分為：菜單欄、工具欄、屬性欄、圖層區、視圖瀏覽區等。

4.4 數據庫設計 本系統采用的關系數據庫模型是SQL Sever 2008 R2。專家施肥系統屬于典型的應用型信息系統，采用的是混合型結構對模型數據進行存儲，可存儲農作物的空間信息和屬性信息。其中涉及的屬性信息主要包括土壤養分、農業百科及歷年參考數據等信息。

5 專家施肥系統

該施肥系統是基于組件技術ArcObjects與C#.NET的應用型軟件，各組件之間可通過接口進行連接，因此保證了施肥系統的開放性與易拓展性（圖2）。施肥模型的構建具有一定的針對性同時計算數據均由測站點測量處理得到從而保證了專家系統的準確性以及科學性。系統不僅可以提供精確的施肥建議，還能夠為用戶實時推送種植技巧以及田間護理方法等農業百科知識保證了系統的先進性以及實用性。在后期的系統運行中我們還會根據用戶需求及時作出相應的修改措施，確保系統能夠與時俱進為用戶提供精準全面的農業服務。

系統的主要功能模塊分別為：土壤養分、農業百科、施肥建議、歷年數據。

5.1 土壤養分 土壤養分是植物生長過程中從土壤汲取的必須的營養物質。土壤養分模塊主要包含地塊信息、土壤屬性、地塊大量元素含量、地塊微量元素含量以及養分平均值。以上數據信息作為施肥建議模塊的源數據。

5.2 農業百科 農業百科模塊包括種植技術、除草技術和病蟲防害。其中種植技術可以為農戶科普各種作物耕作、栽培的技術手段和操作技巧；除草技術可以幫助農戶科學合理的應用生化技術科學有效的除草，保護農作物能夠充分利用各類生長要素從而促進作物生長；病蟲害可引導農戶從農業、物理、化學以及生物等方面的技術措施減輕或防止病原微生物和害蟲危害作物生長。

5.3 施肥建議 施肥建議模塊是該系統的核心，包含肥料類別與參數、施肥量計算和肥料搭配方案三大方面的計算功能與編輯。系統可以根據當地的土壤養分現狀和農作物所需養分數值計算出各元素的需求量，然后依據農戶選擇的肥料類型配比出最適宜的施肥量。

5.4 歷年數據 農戶可根據歷年數據得出作物各階段生長特性及季節性病蟲害防治時間，從而科學有效地做好相關防治準備工作和應對措施。

5.5 系統實現

5.5.1 開發軟件 Microsoft Visual Studio 2012。

5.5.2 服務器要求 操作系統Windows Sever2003以上的版本；數據庫采納SQL Sever 2008 R2；GIS軟件ArcGIS 10.2、ArcGIS Sever 10.2、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

5.5.3 客戶端要求 操作系統Windows XP以上、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

6 結論

施肥專家系統，是利用地理信息系統強大的空間分析技術和組件式ArcObjects與C#.NET開發出來的一款軟件，能根據采樣點信息對區域的土壤養分數據進行科學的評估，同時根據農作物各階段需求對農作物施肥提供全面、精確、有效的建議，確保農民能夠根據土壤現狀進行科學、有效的合理施肥。

雖然施肥專家系統能夠利用施肥模型給用戶提供科學的施肥配方，但配方的科學性仍會受到各環節數據準確性的影響，同時肥料的利用率還與地形地貌、降雨以及施肥方式等因素有關，因此后續的過程中我們仍需要根據具體問題在系統優化環節中做進一步的改進。

參考文獻

[1]李廷軒.農業信息管理[M].成都：四川大學出版社，2001.

[2]周治國，曹衛星，朱艷，等.基于GIS的作物生產管理信息系統[J].農業工程學報，2005，21（1）：114-118.

[3]李崇貴，陳崢，韋徳恩，等.ArcGIS Engine組件式開發及應用[M].北京：科學出版社，2012.

[4]王火焰，周健民.肥料養分真實利用率計算與施肥策略.土壤學報，2014，51（2）：216—225.

[5]湯國安，楊昕.地理信息系統間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2002.

（責編：張長青）