基于移動GIS的現代農業產業園區管理系統研制

牛穎超,周忠發*,王小宇,李丹丹

（1貴州師范大學喀斯特研究院，貴陽 550001；2貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴陽 550001）

現代農業產業園區是指在一定區域內以市場為向導，以現代科學技術為支撐，通過土地、科技、資本高度集中與高度管理的方式，對傳統農業結構進行調整和改造，智能化經營的新型農業［1-2］。現代農業產業園區始于20世紀90年代初，對農業資源的合理利用和農業技術的改進是一個跨越性的創舉。隨著我國農業的快速發展，現代農業產業園區也隨之大量涌現。現代農業產業園區是以“高科技、高品質、高效益”為宗旨進行建設的，如今已是最主要的農業發展形式，其也存在一些問題，如農業園區界定不明確、土地利用規劃不合理、管理經營混亂難以規模化等，因此農業園區的管理至關重要［3-5］。目前，現代農業產業園區的軟件管理形式主要是以桌面端為主，已不能滿足用戶的需求。隨著智能手機的普及，人們更傾向于運用移動端的現代農業產業園區的管理模式［6-7］。

移動GIS是建立在移動計算環境中，在有限處理能力的移動設備上運行的提供移動中的、分布的和隨遇的地理信息服務的GIS系統［8-9］。為滿足移動GIS應用行業的需求，Esri公司推出ArcGIS Runtime SDK for Android、超圖推出SuperMap iMobile for Android等二次開發包，具有地圖瀏覽、空間分析、數據編輯、導航定位等功能，目前已被廣泛應用于智慧交通、智慧旅游、野外數據采集等領域。如吳揚安［10］開發了基于ArcGIS for Android的城市管網巡檢系統，申友汀等［11］研發了基于ArcGIS for Android的福州市實時路況系統，張海瑞等［12］研究了基于ArcGIS for Android的野外實習數據采集與導航系統等。本研究采用移動GIS技術與Android Studio平臺相結合，開發基于移動GIS的現代農業產業園區管理系統，以期為用戶提供方便、快捷、智能化的管理平臺，并保證農業園區信息的實時性。

1 系統開發框架的構建與功能設計

1.1 系統開發框架的構建

1.1.1 系統開發運行環境

現代農業產業園區管理系統的構建-開發環境是由JDK（Java Development Kit）、Android SDK（Software Development Kit）、ArcGISRuntime SDK for Android以及Android Studio構建。JDK是Java語言的軟件開發工具包，是整個Java開發的核心；Android SDK是由谷歌推出的Android軟件開發工具包，Android的完全開放性為開發者提供了更大的自由平臺［13-15］；ArcGISRuntime SDK for Android是Esri公司為開發者提供的移動應用開發環境，便于開發者用Java打造炫酷的地圖應用并部署在Android智能手機、平板電腦等終端上［16］；Android Studio是由谷歌2013年在I/O大會上推出的新的Android開發環境，是一個基于IntelliJ IDEA的 Android集成開發工具［17-18］。

1.1.2 系統框架設計

移動端GIS現代農業產業園區管理系統的整個框架由數據層、服務層、應用層、表現層4個層次組成，系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram of the system

數據層是用于現代農業產業園區各類數據的存儲。一是園區的空間數據，包含基礎地理信息、土壤重金屬污染數據、土壤酸堿度等地圖文檔數據；二是屬性數據，即氣象站數據、企業業務數據、不同用戶信息數據等。此外還有一些不便于數據庫存儲管理的jpg、txt、html、doc數據，將其放在服務器上以方便調用。

服務層是以ArcGISServer和Tomcat作為服務器，為系統的數據顯示、編輯、分析和共享提供支持。ArcGISServer是一個GIS服務器，用于構建集中管理、支持多用戶的GIS應用平臺，以服務的形式實現園區空間數據的對外發布，為系統的客戶端提供GIS地圖數據等支持。Tomcat服務器是一種輕量級應用服務器，通常將數據以xm l或者JSON格式進行封裝，然后把封裝好的數據返回給客戶端，客戶端以網絡的形式進行訪問，由此減輕新建連接對數據庫服務器的壓力。

應用層是整個系統響應客戶端請求的核心層，并根據用戶請求類型做出相應的響應，為園區提供GIS地圖顯示、GIS查詢分析、影像發布、氣象站數據管理、企業業務數據管理、用戶數權限管理等功能，方便客戶端與后臺進行數據交互，完成數據查詢。

表現層為用戶呈現出流暢、豐富、美觀的可視化界面，方便不同用戶快捷地嵌入與分類，為園區的數據查詢、數據分析、決策支持、氣象數據、導航定位、企業管理以及宣傳等功能提供展示平臺。

1.2 系統功能設計

1.2.1 園區基礎信息查詢模塊

園區基礎信息查詢模塊包含園區的基礎地理信息、數字高程模型、土地利用分類、土壤酸堿度分布、遙感影像功能。通過園區的基礎地理信息可了解園區分布狀況、交通、水系等；由數字高程模型可知園區的地形空間分布特征；土地利用分類是區分土地利用空間地域組成單元的過程，由此了解園區的土地利用情況，因地制宜利用園區的土地資源；根據土壤酸堿度分布合理種植與土壤酸堿度相適應的作物和植物；查看園區遙感影像圖直觀了解地物分布狀況。

1.2.2 園區土壤重金屬污染空間分析模塊

土壤中重金屬含量超過自然條件下含量就會對土壤造成污染，如果在作物中長期積累，通過食物鏈進入人體，就會對人體健康造成嚴重損害。因此，對土壤重金屬污染的評價具有十分重要的意義。根據園區的分布特征布設采樣點，運用綜合指數評價方法獲取Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金屬的評價結果，利用反距離權重法進行空間插值，可視化顯示園區土壤環境質量的空間分布情況。

1.2.3 園區氣象站數據查詢功能模塊

園區氣象站數據查詢功能模塊是調用中國氣象局的接口，獲取園區氣象數據，包括園區的風速、日照時數、蒸散量、雨量、溫度、濕度等。管理者可以根據氣象數據種植適宜農作物，對農作物進行灌溉施肥以及預防病蟲害等。

1.2.4 導航定位功能模塊

北斗導航定位功能模塊是通過ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口調用手機內置北斗導航定位系統或GPS定位系統，實現精準定位，獲取用戶當前所在位置，用戶也可以任意放大、縮小、還原地圖，導航功能讓用戶在陌生的地方不迷路，劃出路線確保用戶準確無誤到達目的地。

1.2.5 園區企業宣傳模塊

園區企業宣傳模塊是為園區企業量身打造的，公司可以將企業的簡介、宣傳及產品在該模塊呈現，消費者可以更好地了解園區，走近園區。

2 系統應用案例

2.1 園區概況

貴州省貴陽市花溪區久安現代高效茶葉示范園區位于貴陽老城區的西南面，花溪區的西北部，阿哈湖畔上游。園區海拔在1 090—1 450 m，相對高差為100—360 m，適宜茶葉種植，因此園內茶樹資源豐富，具有保護價值的古茶樹54 000叢以上，占地266 hm2以上。古茶樹群樹齡均在600年以上，其中樹齡2 000年以上的有19叢，1 000年以上的有14 050叢。古茶樹資源珍稀，利用和研究價值大。選擇該園區為例構建移動GIS的現代農業產業園區管理系統對園區茶葉種植及保護具有十分重要的意義，可避免貴州地形崎嶇，管理者無法到達現場的弊端。

圖2 系統功能模塊設計圖Fig.2 Design diagram of system function module

2.2 園區系統應用

2.2.1 系統客戶端展示界面

友好的系統展示界面構建是軟件吸引用戶、提高用戶體驗的重要因素之一，所以系統的架構會根據用戶的需求進行改造搭建。久安現代高效茶葉示范園區用戶需要通過驗證進入主界面（圖3），主要由園區風景欣賞、系統功能、走近園區三部分組成。點擊園區風景欣賞輪換圖片，用戶可以了解園區實時動態；整個系統的核心部分是系統功能，包括數據查詢、數據分析、決策支持、氣象數據、導航定位、企業管理六大模塊；走進園區可以方便用戶介紹產品以及消費者選購產品。

2.2.2 系統服務端實現

現代農業產業園區管理系統的開發需要服務端數據庫的支持與服務的訪問，本研究系統服務端的實現采用ArcGISServer和Tomcat服務器。ArcGISServer是提供GIS服務的服務器產品，實現地理信息數據的發布。以MapService形式發布基礎地理信息、土地利用分類、土壤酸堿度分布、土壤重金屬污染空間分析以及導航定位地理地圖；以ImageService形式發布數字高程模型、遙感影像，通過在Android Studio的布局文件中添加MapView進行訪問。Tomcat服務器是一種輕量級應用服務器，將封裝好的xml或者JSON格式的氣象站數據、企業業務數據、用戶信息數據以HTTP協議的形式返回給客戶端并響應客戶端的各種請求。

2.2.3 系統功能實現

（1）數據查詢

通過數據查詢模塊，用戶可以獲取園區的基礎信息、數字高程模型、土地利用狀況、土壤酸堿度信息以及園區的遙感影像，均是由ArcGISRuntime SDK for Android通過ArcGIS Server地圖發布服務獲取數據。該模塊功能展示如圖4所示。

（2）數據分析

數據分析模塊是依據貴州省背景值評價標準，通過反距離權重插值法，制作土壤重金屬（Hg、As、Cd、Pb、Cr）污染指數評級圖，用戶可以了解園區的土壤重金屬污染情況。此模塊由ArcGISRuntime SDK for Android通過ArcGISServer地圖發布服務獲取數據，最終以如圖5的界面呈現。

圖3 系統主界面Fig.3 System main interface

圖4 數據查詢模塊Fig.4 Data query module

圖5 數據分析模塊Fig.5 Data analysismodule

（3）導航定位

導航定位模塊通過ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口調用手機內置北斗導航定位系統或GPS定位系統實現用戶定位以及區域查詢功能，并給予用戶友好的體驗界面，方便使用，如圖6所示。

（4）氣象站數據查詢

氣象站數據包含兩個模塊：氣象數據模塊和決策支持模塊（圖7），主要包含的數據有園區降雨量、溫度、濕度、風速、日照時數、蒸散量等。用戶可以根據氣象數據對園區的農作物進行管理，如灌溉、施肥、預防病蟲害以及洪澇災害等。

圖6 導航定位模塊Fig.6 Navigation and positioning module

圖7 氣象站數據查詢模塊Fig.7 W eather station data querymodule

（5）企業管理

企業管理模塊為園區公司的內容簡介，通過此模塊消費者可以對園區公司概況進行了解，點擊企業園區風景圖便可進入企業的官方網站，由此了解公司的產品并購買（圖8）。

圖8 企業管理模塊Fig.8 Businessmanagementmodule

3 結論

本研究基于Android智能手機，以Android Studio為研發平臺，結合 ArcGIS Runtime SDK for Android研制了移動GIS的現代農業產業園區管理系統。該系統具有園區信息查詢、土壤重金屬污染空間分析、氣象站數據查詢、導航定位、企業宣傳等功能，具備安裝方便、運行快捷、操作簡單、展示直觀、信息多樣化等特點，用戶能夠隨時了解園區的情況及動態，并提高園區建設、生產和智能化管理的水平。該系統以貴州省貴陽市花溪區久安現代高效茶葉示范園區為例進行試用，效果良好。因此，基于移動GIS的現代農業產業園區管理系統具有獨特的作用和優勢，在今后的農業產業園區建設和管理方面可推廣應用。

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