林地土壤肥力評價及配方施肥系統設計與實現

潘桂穎，石媛媛，余春和，唐 健，王豐勝

(1.廣西壯族自治區林業科學院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區測繪地理信息檔案資料館，廣西 南寧 530023； 3.廣西國有雅長林場，廣西 樂業 533209)

近10年來，廣西人工林種植面積持續快速增長，2017年，廣西全區森林面積達1480萬hm2，森林覆蓋率達62.31%，居全國第一[1]。廣西如今已成為全國發展林漿紙一體化、林板一體化產業自然條件最優越的省份。然而，大面積單一純林經營、多代連栽也出現了樹種結構單一、土壤退化等問題。為此，需要充分應用林業科學研究成果和先進經營理念，結合互聯網、地理信息系統等先進技術，大力推廣以測土配方施肥、調控營養平衡為主的精準施肥技術，維持林地土壤肥力，促進人工林林地可持續經營。

WebGIS是利用互聯網技術來擴展和完善地理信息系統的一項技術[3]。從互聯網的任意一個節點，用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析[4]。通過研究和開發基于WebGIS的廣西人工林施肥系統，實現基于空間位置的廣西人工林土壤狀況在線查詢和精準配方施肥，為各林場和林業經營者提供人工林土壤施肥管理的有效技術手段，促進林業可持續發展。

1 系統設計

圖1 系統架構

1.1 總體構架

圖2 系統功能

使用廣西壯族自治區林業科學院林地測土配方施肥數據以及推薦施肥模型，向林場和林業經營者提供區域化的林地土壤信息查詢、施肥方案推送等方面的服務。系統要求使用方便、界面美觀。基于以上要求，系統采用B/S架構，使用HTML、JavaScript、C#語言、Microsoft Silverlight技術進行開發應用層和表現層，使用微軟 Internet Information Services(IIS)網絡服務器作為業務邏輯層的網絡服務模塊。在服務層，系統直接采用天地圖服務和發布自定義服務。數據層以MS SQL Server 搭配 ArcSDE進行數據組織和管理。在網絡瀏覽器和Web應用層使用REST風格的Web Service接口。整個系統采用分布式架構，本項目布置在2臺華為彈性云服務器上。系統總體架構見圖1。

1.2 功能設計

經過調研分析，對于系統功能的需求主要分為對基礎地理信息的查詢和操作功能、配方施肥決策功能和用戶管理功能3個方面。基礎GIS功能主要包括地圖縮放及漫游、查詢、圖層顯示及控制、測量功能；配方施肥決策功能主要包括養分含量查詢功能、施肥配方決策功能、土壤肥力評價功能等；用戶管理功能主要包括用戶注冊、認證、權限管理等功能。系統功能結構見圖2。

1.3 數據庫設計

數據的分類存儲對提高系統開發、維護和系統管理的效率具有很大的作用。根據數據的分類進行存儲進而產生數據庫的組織結構，系統數據庫主要由2部分構成。

1)土壤養分空間數據。土壤養分空間數據是支撐系統運行的主要數據。土壤養分空間數據的來源是林業測土配方施肥項目中實地對林地土壤采樣化驗得到的表格數據。表格內容包括采樣編號、采樣地點、pH值和有機質、氮、鉀等15種土壤養分含量，見表1。

表1 土壤養分數據

2)輔助資料數據。本系統使用的輔助資料數據包括林業經營類的數據如林班、樹種、樹齡、行間距和樹種各年齡段需要的養分特性等，這些數據是進行土壤養分查詢和施肥決策的重要依據。輔助資料數據還包括一些行政區劃、林班數據等林業設施類數據，主要用于統計分析。

1.4 ArcGIS Server中使用天地圖

系統在ArcGIS for Silverlight下使用天地圖服務。天地圖服務使用緩存數據[5]，所以ArcGIS Server中需要創建自定義圖層類，這個類要繼承Tiled Map Service Layer類；自定義圖層中需要定義以下4個屬性和方法：①切圖的范圍Full Extent；②空間參考系Spatial Reference；③地圖切片信息Tile Info，包括切片的大小、級數，以及每級的空間分辨率；④還需要重寫Get Tile Url方法。當地圖控件的范圍改變時，需要獲取到當前范圍的信息，并將范圍內的所有切片全部按順序顯示出來。

2 系統實現

2.1 空間數據瀏覽

空間數據瀏覽主要是對地圖數據進行縮放、平移和全圖瀏覽幾個功能組成。在瀏覽器中對地圖的瀏覽是WebGIS基本的功能。ArcGIS API for Silverlight提供了方便簡潔的瀏覽控制工具，實現了縮放、平移、全圖顯示等基本的GIS操作方法。

2.2 土壤專題數據制作與發布

系統共使用580個采樣點數據，主要分布在廣西人工林種植集中區，為了得到覆蓋全廣西的主要林地范圍的連續數據，采用了高斯格呂克空間插值方法，對包括pH值在內的15種養分含量分布生成土壤養分柵格圖，形成一個包含15個圖層的柵格數據集。采樣點分布和土壤養分含量(有機質)插值結果如圖3。這個柵格數據集通過ArcGIS Server發布成影像服務后，就可以實現在客戶端查詢土壤養分的功能。

圖3 采樣點分布和土壤養分含量(有機質)插值

2.3 土壤養分查詢與評價

養分查詢功能主要是通過發布出來的養分分布圖層進行點查詢、面查詢和林班查詢。點查詢就是用戶通過鼠標在地圖上選擇查詢點，系統立即返回該地的各種養分元素含量。面查詢是用戶在地圖依次點擊多個點，形成一個閉合多邊形，系統立即返回多邊形中各種養分元素的含量，該含量值是多邊形內養分含量的平均值。林班查詢是面查詢的一個擴展，在列框中選擇林場、分場、林班的名稱，系統會自動放大到林班的位置，高亮顯示林班邊界并返回林班中各種養分元素的含量。

在養分查詢功能的基礎上，通過與后臺數據分級匹配，得到感興趣區域的土壤肥力等級、大量元素養分均衡狀況和微量元素水平等。其中肥力從好到次用5個等級分別以↑、、→、、↓直觀表示。在Silverlight開發環境下開發各種圖表界面，系統為展現土壤養分均衡狀況開發了雷達圖界面，以氮、磷、鉀、有機質、pH值5個關鍵指標衡量土壤養分的高低與平衡；微量元素水平采用折線圖表示，見圖4。

圖4 土壤肥力評價

2.4 施肥決策發布

在施肥推薦功能模塊下，用戶查詢輸入感興趣區域、樹種、樹齡、種植密度等信息后，系統會根據區域土壤養分狀況和配方施肥模型給出推薦施肥方案。得到施肥配方后用戶可以選擇保存到本地、打印，推送到手機等操作。

圖5 施肥方案推薦

3 小結

基于WebGIS的人工林土壤肥力評價及配方施肥系統依靠GIS先進的圖形化管理功能，以及天地圖和ArcGIS Server等WebGIS技術的網絡地理信息發布功能，實現了基于空間位置的人工林土壤狀況在線查詢和精準配方施肥，為林場和林業經營者的人工林施肥管理、決策支持提供直觀的地理信息服務與數據保障，有力促進林業可持續發展。