基于WebGIS的數字農業園區信息系統研究

嚴志雁，吳 輝，丁 建，趙曉東，陳桂鵬*，朱 敏

(1.江西省農業科學院 農業經濟與信息研究所，江西 南昌 330200；2.江西省農業信息化工程技術研究中心，江西 南昌 330200；3.江西省自然資源測繪與監測院，江西 南昌 330000；4.井岡山農業科技園管理委員會，江西 吉安 343016；5.景德鎮市農業經營管理站，江西 景德鎮 333000)

現代農業園區就是以實現農民富裕為主要目標，以高科技為依托，市場信息為導向，農業資源的高效持續利用為根本，集高效種養、加工配銷、示范推廣等于一體的現代農業[1]，是傳統農業向現代農業轉型的重要農業生產組織形式。隨著3S(全球定位系統GPS、地理信息系統GIS、遙感RS)技術的發展，應用3S技術建立面向農業園區管理和農業信息服務系統，是實現農業園區業務信息管理與農田數字化管理的重要手段之一。

WebGIS是基于Web技術的GIS，即基于網絡提供地理信息服務[2]。國內外基于WebGIS技術開展了農村設施、土地資源、生態系統、病蟲害的監測及管理系統應用研究。Costantino等建立了集區域地圖、正射影像、景觀規劃等數據的WebGIS平臺[3]；Binh等建立了一種對鹽水入侵現象數據的存儲、管理、分析和可視化的WebGIS方法[4]；張學利等采用云計算技術搭建了農業綜合信息服務應用系統，實現了農業用地資源、土地利用現狀、水資源分布、氣象信息等農業資源的管理與共享查詢[5]；Pan等基于WebGIS、快速響應編碼、射頻識別等技術，建立了農田土壤重金屬污染風險評價決策支持系統[6]；黃沖等開發了多種作物重大病蟲害的數字化監測預警系統，包含基于WebGIS的農作物重大病蟲害監測預警、情報信息發布等功能[7]。

盡管WebGIS在農業應用上已有研究，數字農業園區發展存在以下幾個方面的問題：(1)缺少土壤、氣象、地圖等園區的基礎數據，缺乏支撐數據管理、分析及可視化的工具。(2)側重政務管理及信息宣傳[8]，缺少面向入駐園區企業的農技信息服務模型。園區對切合生產實際、系統化的數字化管理和服務系統有著強烈的市場需求。

本文針對農業園區管理和服務信息化需求，提出了基于WebGIS的數字農業園區建設方案，設計了園區資源與業務管理、農業環境監測數據的查詢分析、報警、挖掘和水稻施肥推薦等功能，以期為數字農業在農業園區管理和服務上的深入應用提供信息系統工具。

1 系統設計

1.1 需求分析

數字農業園區的建設目標是實現農業園區生產的數字化管理、分析和信息服務[9]。農業園區管理機構負責建立和管理園區資源數據集，通過人工測量、物聯網監測等多種手段相結合的方式，采集了地理空間、農田環境等數據；園區入駐企業等實體向園區管理機構租用園區土地、購買水電等資源，系統需要實現園區土地租用、物業管理及水電管理等業務管理；面向園區入駐企業，園區管理機構還需開展預報警、施肥推薦及栽培技術推薦等信息服務。數字農業園區信息系統的使用人是農業園區資源供需主體，通過農業園區資源供需主體的角度分析系統的功能定位(圖1)，分析農業園區管理和服務信息化實現方式，得到園區管理服務信息系統功能需求(圖2)。

圖1 用戶用例

圖2 園區管理服務系統功能需求體系結構

1.2 數據來源

采集的數據資料包括以下4個方面：(1)空間數據。通過航拍制作正射影像，在QGIS Desktop 3.14.16軟件中進行數據編輯、制作土地利用圖，保存為shapefile文件，包括道路、水系數據、農田數據。農田數據將園區的土地類型進行了詳細劃分，包括連棟大棚、茶園、林地、稻田、旱地等多個圖層，屬性數據通過對農業園區實地采集獲得。以PostgreSQL 9.6+PostGIS 2.5.3為空間及其屬性數據庫管理平臺。

(2)土壤數據。園區地塊土壤肥力數據由實地采樣后化學分析測得，然后導入空間數據庫。

(3)設施設備數據。物聯網設備包括大田物聯網傳感器、小型氣象站等，設施包括連棟大棚內的控溫、灌溉、監控、通風、水肥一體化設施；采集的農田環境數據包括氣溫、降水、風速、土壤溫度、土壤含水率等，直接通過網絡存入服務器數據庫中。

(4)農業園區資源、業務管理數據。現場人工采集農田租賃、種植作物數據等園區資源數據，以獨立表格存儲，并將園區資源及其業務管理與空間數據關聯。

1.3 系統框架結構

針對數字農業園區的需求，系統在總體功能上主要分為：資源維護、業務管理、統計信息、農技信息服務和系統管理等5個部分(圖3)。資源維護功能包含園區內的土地資源信息、物聯網設備、水電煤表等信息，業務管理功能包括土地租用、物業管理、水電煤管理等業務，農技信息服務功能包含墑情報警和水稻施肥推薦，統計信息包括地塊信息統計、用水用電信息統計、租金統計等。土地利用現狀信息、物聯網監測點位數據、區域監測專題圖等地圖的顯示均由WebGIS技術實現。區域監測專題圖則是根據由點到面的區域模擬結果，動態生成、在線顯示區域監測結果信息，并通過風險模型計算相應的監測風險，實現報警功能。

圖3 系統總體功能模塊設計

1.4 平臺開發語言及工具技術

系統Web前端開發使用Html、JavaScript等語言，采用Openlayers 4.6作為地圖前端開發，實現地理數據展示、圖形繪制、屬性處理等功能，以Geoserver 2.14和Tomcat 7.0作為地圖和Web服務器，服務器后臺應用采用Java語言進行編譯，業務數據庫系統采用MySQL 5.6，空間數據庫采用PostgreSQL 9.6和PostGIS 2.5。

2 系統農技信息服務中分析模塊的構建

2.1 基于克里金插值的土壤墑情報警

為實現對整個園區土壤墑情報警的精準服務，本文在試驗園區中部署了作者團隊自行研發的農業環境傳感器[10]，用于監測包括土壤含水率等數據的農田環境信息，為使土壤墑情點狀監測數據轉變為面狀數據，需要對離散監測點數據進行空間插值。

本文采用克里金插值法對土壤墑情進行插值，克里金插值法是一種部分空間插值法，是基于區域化變量的可用數據和變差函數的結構特征，來估計區域化變量值的最佳線性無偏方法[11]。設研究區域為A，研究區域物理屬性Z(x)∈A，x為空間坐標，Z(xi)為采樣點xi(i=1,2,…,n)處的物理屬性，坐標點x0處屬性Z(x0)估計值計算見式(1)[12]。

(1)

λi(i=1,2,…,n)為待求權系數。Z(x)滿足在無偏條件下使估計方差達到最小假設，即滿足下面2個假設：(1)Z(x)的數學期望存在且等于常數；(2)Z(x)協方差Cov(x0,xj)存在且只與2點之間的相對位置有關，即協方差存在且平穩。依據無偏性要求，及在無偏條件下使方差最小，可得系數λi(i=1,2,…,n)求解方程組式(2)。

(2)

其中，μ為拉格朗日乘子。

土壤含水率是土壤水分平衡中重要的供給項，作物都有生物學土壤含水率的上下限，超過土壤含水率范圍，作物生長將會受到極大的限制，依據作物最適宜土壤含水率，分為4個等級，采用模糊隸屬度法將墑情風險進行分級[13]，得到作物墑情風險值，風險最大為1，最小為0，計算見式(3)。

(3)

2.2 基于地塊信息的水稻氮肥施用推薦

試驗園區主要農作物水稻的產量在很大程度上受土壤肥力的影響。各個經營主體的施肥方法仍然是憑經驗，往往施肥過度，既增加成本又污染環境。因此，依據園區地塊數據和氮肥推薦模型給園區經營主體提供施肥方案十分必要[14-17]。

氮肥用量計算方式見式(4)。

Ni=Si×[W×(Y-X)/E]

(4)

其中：Ni是地塊i所需施氮肥的數量(kg)，Si地塊i的面積；W為1 kg稻谷產量需從土壤的吸氮量(kg)，早稻W=0.02，晚稻W=0.022；Y為目標產量(kg/hm2)，X為基礎產量(kg/hm2)，即不施肥情況下水稻的產量，本文X取4665 kg/hm2[18]；E是土壤氮吸收率，與土壤質地有關，一般沙土為30%、壤土為35%、黏土為40%。

3 系統實現

3.1 系統基礎功能實現

3.1.1 資源管理功能 資源管理功能模塊為提供園區資源的數據管理功能。管理數據內容包括以下4個方面。

(1)土地利用現狀數據。提供數據接口，用于系統關聯園區地塊數據，土地利用現狀數據通過土地利用圖導入得到，地圖數據變更在系統外部采用專業GIS軟件實現。支持對地塊土壤肥力數據的編輯，土地利用現狀管理界面見圖4。系統以列表形式管理地塊的土壤肥力數據，包括pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀等指標。

(2)土地承租戶數據。提供對園區內土地使用企業的管理，支持對企業及其聯系人員的編輯。系統以列表形式管理入駐園區所有企業信息，包括企業名稱、法人、田間管理員、聯系方式等。

(3)田租、物業費、水電費標準數據，提供對園區資源服務收費標準的管理，為園區物業管理模塊及收費催繳系統提供數據支撐。

(4)關聯小型氣象站、物聯網傳感器節點等設備。系統提供對園區小型氣象站、物聯網監測節點設備的管理配置和數據對接。物聯網監測點設備的新建或更新，采用OpenLayers提供的圖形新建或刪除功能實現，具體方法：通過OpenLayers的ol/interaction/Draw函數畫出Point類型的features，利用WFS服務將新建或變更的features，并提交到GeoServer進行保存。

物聯網監測點設備通過GPRS將監測信息(空氣溫度和濕度、光照、土壤溫度、土壤含水率、電導率、pH值等)上傳至服務器數據庫，在設備管理模塊中將物聯網監測點設備ID和圖上新建點的ID關聯，并將監測點信息在圖上顯示。

3.1.2 業務管理功能 業務管理功能模塊以列表形式提供對園區土地租用、房屋租用、物業、水電等業務管理，列表中操作列所包含的功能：新建、查看、編輯、刪除、短信提醒。以土地租用為例，建立了土地租用管理的概念模型(圖5)。

(1)土地租用管理。用于管理土地租用業務，業務信息包括地塊編碼、承租人、用途、租金、起租時間、到期時間，可對土地進行新建租約和續租，可對即將到期租約進行短信提醒續租，土地租用管理界面如圖6所示。

圖6 土地租用管理界面

(2)水電燃氣管理。用于管理園內水電燃氣費用管理業務，業務信息包括序號、表號、使用人、單價、數量、上期表數、本期表數、抄表日期、繳費狀態等。

(3)物業管理。用于管理物業費用收取業務，業務信息包括房屋編號、承租人、費用類型、費用、賬單日期、繳費日期。

(4)通知管理。用于管理園區內廣播信息的編輯與發送，業務信息包括序號、姓名、電話號碼、簡要說明、是否發送成功。如通知發送失敗，系統可進行重新發送。部分通知業務流程如圖7所示。

圖7 推薦施肥及墑情風險通知流程

(5)園區安防。用于管理園區所有視頻攝像頭及其數據對接，通過點擊選中攝像頭列表中某個攝像頭，即可顯示該攝像頭的畫面。

3.2 農技信息服務應用

3.2.1 土壤情況查詢 系統實現了地塊土壤養分數據的查詢，包括氮、磷、鉀、有機質、pH值等綜合養分信息，土壤養分情況如下圖8所示，可生成土壤養分數據的養分變更趨勢折線圖，便于進行不同年份的對比分析，應用操作實現了通過鼠標點選、條件查詢方式激發地塊屬性信息條件查詢。系統通過專題圖給出了地塊土壤養分數據(圖9)。

圖8 點選查詢土壤養分數據

圖9 有機質分布

3.2.2 墑情報警 本文采用基于物聯網的土壤墑情傳感器監測園區土壤數據，可采集到地下5～40 cm深的土壤墑情[19]，監測點數量10個。為估測整個園區的墑情，需將物聯網監測點實時墑情數據與空間數據的融合，運用式(1)～式(3)的插值算法計算整個園區墑情的相應數據，做出作物旱情等級預警，形成整個園區的墑情專題圖(圖10)，然后通過短信系統將報警信息發送至田間管理員。

圖10 墑情風險分布

3.2.3 水稻田施肥推薦 結合園區水稻田塊數據，運用式(4)的推薦算法，計算整個園區內水稻田塊施肥數據，得到水稻田氮肥施肥推薦專題圖(圖11)，最后將每個田塊的施肥數據通過短信系統發送至田塊管理員。

圖11 水稻田施氮量推薦

4 結論

實現農業數字化管理、信息化服務是現代農業的基本要求，本文結合農業園區管理需求，以實現精準農業為目的，以園區資源和業務管理可視化應用系統為主要研究對象，提出并實現了基于WebGIS的農業數字園區系統。主要內容有：對農業園區內物聯網監測點數據進行了空間插值，建立了園區墑情報警模型；完成了基于地塊信息的水稻氮肥施用推薦；系統實現了農業園區資源、業務的數字化管理，采用WebGIS技術實現了園區土地利用現狀、土壤性狀、墑情及施肥推薦的可視化。該系統在江西省農業科學院高安試驗基地園區進行了試驗，提高了農業園區管理的信息化水平，面向園區企業提供預警及農技信息服務。

本系統仍需將農業環境信息與作物栽培學結合做更深入的研究分析，才能實現更精準的預警信息服務，還需逐步增加作物種類、施肥、施藥等農技信息服務內容，進一步提高農業園區業務管理、生產指導和決策支持的信息化水平。