廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務 平臺設計與構建

洪運維 潘桂穎

（1. 廣西經貿職業技術學院, 廣西 南寧 530021；2.南寧師范大學, 廣西 南寧 530001）

《全國鄉村產業發展規劃（2020—2025年）》提出, 要構建全產業鏈, 以信息技術打造供應鏈, 對接終端市場, 以市場需求為導向, 促進農戶生產、企業加工、客戶營銷和終端消費連成一體、協同運作, 增強供給側對需求側的適應性和靈活性, 同時要培育區域公用品牌, 根據特定自然生態環境、歷史人文因素, 明確生產地域范圍, 強化品種品質管理, 保護地理標志農產品, 開發地域特色突出、功能屬性獨特的區域公用品牌, 以質量信譽為基礎, 創響一批鄉村特色知名品牌, 擴大市場影響力。廣西地理標志農產品豐富多樣, 地理標志農產品不僅是農民增收致富的好門路, 而且也成為了助推鄉村產業振興的新動能。然而, 廣西地理標志農產品多而不強的問題依然突出：其一, 由于產銷兩端信息不對稱, 廣西鄉村里品質很好的土貨賣不到好價錢, 導致原本應該“名利兼收”的優質農產品“名利欠收”。其二, 因為缺乏科學的種植方法, 地理標志農產品生產常常受到土壤退化、病蟲、氣候災害等不良因素影響, 導致產量和品質下降, 一些地理標志農產品的品牌魅力正在流失。其三, 由于地理標志農產品是高附加值產品, 較普通的農產品具有更高的價值, 在高額利潤的驅使下, 市場上一些地理標志農產品長期被假冒偽劣產品冒充。如果缺乏必要的防偽溯源體系, 久而久之消費者對地理標志農產品品牌不再信任。缺少地理標志農產品大數據服務平臺。建立農產品大數據服務平臺有利于實現農業精準生產, 優化農產品電子商務智慧營銷。近年來, 關于農產品電子商務平臺應用研究已較為成熟, 針對農產品電商應用研究近年來也逐漸興起, 但以往的農產品電商服務平臺內容單一、只聚焦貿易, 不能服務產業全鏈條, 對延長產業鏈、提升價值鏈、完善利益鏈、保障供應鏈發揮作用??；同時, 以往研究多數為單項技術的研發, 未能將整個產業鏈的數據和技術綜合應用, 不能滿足實際應用的需求。因此, 為解決廣西地理標志農產品產銷對接不緊密、不穩定、信息化服務弱的突出問題, 加強綠色食品、有機農產品和地理標志農產品認證管理, 強化全過程農產品質量安全監管, 健全追溯體系, 實現促進農產品供需平衡、優化農業生產結構、提高農產品供給質量、增加農民收益的目標, 應建立面向社會服務的地理標志農產品平臺。本文以廣西典型種植類地理標志農產品（以下簡稱“地標作物”）為研究對象, 對廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺及其關鍵技術進行設計研發, 以促進地標作物的發展和資源整合。

1 建設內容

利用互聯網、時空大數據、網絡地理信息系統（WebGIS）等技術在廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺中應用。

實現對廣西地標作物信息資源統一管理, 如地標作物的名字、品種分類、圖片、登記年份、所在地區、產品、自然風采、生產模式、包裝方式、地理分別等。

搭建地標作物電子商務平臺, 實現地標作物在線便捷交易, 地標作物生產經營者可以通過服務平臺銷售生產的地標作物產品。

實現地標作物產品的產出地塊位置可追溯。研究Web GIS技術在地塊溯源的應用, 地標作物生產經營者出售地標作物產品時, 需要上傳地標作物產品的出產地塊位置, 消費者購買地標作物產品時, 可以通過在線地圖查看出產地塊位置。

實現對地標作物的成熟期預測。通過平臺可以查詢某個地標作物的多年平均成熟時間、歷史成熟周期以及預測下一期成熟的時間。

搭建種植技術交流服務模塊。搭建種植技術交流服務模塊, 實現相關用戶對地標作物的技術交流, 提高地標作物的種植水平, 并搭建供應/求購大廳服務模塊, 實現對地標作物產品供需信息互通。

2 開發環境

服務器采用Windows Server 2016 64位操作系統, 平臺采用B/S架構, 使用前后端分離模式設計, 采用相關的技術規范和標準來支持系統的安全、運行和維護。服務器后端開發編程語言為C#, 使用ASP.NET Core 3.1、Entity Framework Core等后端框架技術, 客戶端（PC端）開發使用HTML5、CSS3、JavaScript等網頁開發技術, 選取Node.js 14.5.0作為前端開發環境, 使用Vue 2.5.2、Vue-Router 3.0.1、Vuex 3.1.1、Axios 0.19.0、Element 2.10.1、Bootstrap 3.4.1、Echarts 4.5.0等前端框架技術, 本地軟件開發環境及工具使用Visual Studio 2017、Visual Studio Code, 廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺數據庫使用SQL Server 2014、ArcSDE 10.2、Redis 5.0, Web 服務器為IIS 7.5等。

3 系統設計

3.1 平臺業務數據庫建設

根據廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺建設內容, 平臺的業務數據庫建設主要完成對地標作物數據、地標作物產品數據、地標作物成熟期數據、地標作物求購數據、地標作物供應數據、地標作物種植技術數據、地標作物在線商城的基礎數據（用戶數據、地標作物產品數據、訂單數據、支付數據、提現數據、地址數據等）、平臺的基礎數據（權限、系統配置等）等平臺業務數據進行數據庫數據表設計及統一管理, 實現對平臺業務數據的維護, 如增加、修改、刪除、查詢、禁用等。

3.2 地標作物時空數據庫建設

根據農業農村部農產品地理標志登記產品公告中劃定的地域保護范圍, 主要以市、縣、鄉鎮三級行政區劃界限為依據, 在GIS軟件中生成各種地標作物的種植范圍數據。在地標作物種植范圍內, 由地標作物生產方（銷售方）在提交地標作物產品銷售信息的同時, 以國家地理信息公共服務平臺“天地圖”為底圖, 通過WebGIS技術在線劃定并提交各自的地標作物生產地塊, 最終形成地塊尺度的各種地標作物空間分布數據。各種地標作物空間數據以Geojson文本格式保存在SQL Server數據庫中。數據庫信息平臺建設的要求, 可以概括為目標、坐標、指標、精度、邊界的統一, 在空間數據的基礎上, 擴展完善每一塊地標作物的種植、收獲等重要時間節點數據, 就形成了地標作物時空數據庫。

3.3 功能結構設計

平臺功能結構設計有當前收獲模塊、地標作物模塊、成熟期模塊、地理分布模塊、種植技術模塊、供應/求購大廳模塊、地標商城模塊、信息管理模塊, 平臺的功能結構如圖1所示。

圖1 平臺功能結構圖

獲取當前一段時間進入成熟期、正在收獲的地標作物信息, 如地標作物名稱、地標作物圖片、生物特性、生長環境、地理分布、成熟期、地標作物生產經營者, 以及預估產量、預計市場價格等信息。

地標作物品種信息查詢。通過調查發現, 大部分消費者對地理標志農產品的認知情況基本了 解, 系統實現對廣西地標作物的品種分類及信息檢索, 可獲取各品種地標作物名稱、地標作物介紹、地標作物圖片、地標作物生物特性、地標作物價值、地標作物生產模式、地標作物包裝、地標作物所在地區、地標作物登記年份、地標作物的生產經營者、地標作物農業專業合作社、該品種的相關研究機構及專家等信息。

地標作物成熟期預測。通過常年平均成熟期和歷史成熟期等數據, 預測地標作物下一期的早熟時間、中熟時間、成熟時間、爛熟時間、平均成熟時間。

地標作物地理分布查詢。實現地標作物的地理分布范圍查詢, 基于WebGIS可視化展示各地標作物的地理分布, 經緯度、高程、適宜該地標作物生長的土壤特性、土壤含水量、溫濕度、降水量等地理和氣象信息。

種植技術交流服務。為平臺用戶（普通用戶、地標作物生產經營者、地標作物管理者、研究人員等）搭建一個種植技術交流服務模塊。平臺用戶可在平臺上了解土壤施肥、農業機械、耕作技術等技術文章, 也可就發布詢問種植問題、講述種植故事等進行交流, 形成農產品品牌集聚交流區, 發布的內容需經過平臺校驗文字/圖片是否含有違法違規內容。通過種植技術交流, 獲取科學有效信息, 提高地標作物的種植技術水平。

地標作物供應/求購消息獲取。為平臺用戶搭建一個地標作物供應/求購大廳服務模塊。平臺用戶可以在大廳中發布供應/求購信息, 如供應/求購的地標作物、質量描述、供應/求購量、供應/求購時間、聯系地址等信息。

地標作物商城。為平臺用戶搭建一個地標作物商城, 平臺用戶對要購買的地標作物產品, 加入購物車, 通過在線支付（支付寶支付、微信支付）, 生成訂單, 實現地標作物產品的在線銷售。在地標作物商城銷售的地標作物產品, 具有地塊溯源信息。地標作物生產經營者上傳地標作物并在線銷售時, 需要進行繪制并綁定該地標作物產品種植的出產地塊。

信息管理模塊（個人中心）。用戶登錄平臺后, 對其個人信息、種植技術文章、地標作物產品管理、訂單管理、提現申請、地址信息、供應信息、求購信息等進行管理。

平臺配套對應的后臺管理系統, 平臺的管理者及開發者登錄后臺管理系統后, 可對平臺各類數據維護、數據導入、支付設置、系統配置等。

3.4 業務設計流程

用戶進入廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺的首頁界面后, 可以查看當前時間成熟期的地標作物信息, 如地標作物名稱、地標作物圖片、生長特性、生長環境、早熟時間、中熟時間、成熟時間、爛熟時間、地理分布圖, 瀏覽地標作物的百科信息、各種成熟期、供求信息、種植技術交流文章、地標作物商城的地標作物產品信息。如需要對種植技術文章進行評論、查看供應/求購的詳情信息和購買地標作物商城的地標作物產品等, 則需要登錄平臺方可操作。登錄平臺賬號獲取系統權限授權后, 可以對賬號數據進行信息管理。平臺業務流程設計圖如圖2所示。

圖2 平臺業務流程設計圖

4 關鍵技術

4.1 WebGIS

WebGIS（網絡地理信息系統）是指工作在Web網上的GIS, 是傳統的GIS在網絡上的延伸和發展, 具有傳統GIS的特點, 可以實現空間數據的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS基本功能, 同時也是Internet上地理信息發布、共享和交流協作的基礎。平臺運用WebGIS技術實現了地標作物種植范圍的在線生成、編輯、提交到數據庫、查詢和地圖輸出。主要采用 ArcGIS API for JavaScript 產品技術, 接入國家地理信息公共服務平臺“天地圖”公眾版在線地圖, 作為空間參考底圖, 在“天地圖”上實現地標作物種植范圍的查詢、顯示。地標作物生產經營者在錄入銷售信息的同時, 使用系統開發的基于WebGIS技術的地標作物出產地塊勾畫工具, 在“天地圖”上勾畫種植的地塊輪廓并提交到平臺數據庫保存。消費者查看想要購買的地標作物產品時, 除了可以看地標作物產品的一般信息外, 還可以通過在線地圖查看產品的出產地塊及其周邊環境。

4.2 成熟期預測

地標作物成熟期指主產品器官的營養物質積累到最佳值, 并出現固有狀態和色澤, 可適時收獲的時期。作物收獲時間對作物的產量、品質有重要的影響。廣西地形復雜, 生態氣候多樣, 地標作物種類繁多, 地標作物成熟時間、地域分布不均, 全年均有不同作物成熟。作物的成熟期對生產方和消費方都是重要的信息。地標作物生產經營者需要根據地標作物的成熟期安排生產活動, 如確定收獲時間、安排收獲、包裝和運輸銷售等生產環節投入的人力、物力、財力資源等；消費方感興趣的則是當前或者特定日期處于成熟期的地標作物是什么品種, 以便采購。通過收集各種地標作物歷年的成熟日期, 保存在地標作物時空數據庫。在此基礎上, 開發在線圖表用于各種地標作物的成熟時間的展示和查詢。對于特定區域的單個品種作物來說, 多年的成熟時間會有一定的前后波動, 波動范圍一般為幾天到半個月。單個品種地標作物多年的成熟日期數據形成一個時間序列, 利用序列預測分析方法可以對一個即將到來的成熟期進行預測。特定地標作物成熟時間序列預測分析就是利用過去歷年該地標作物成熟時間的特征來預測未來該地標作物成熟的時間。廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺成熟期預測采用AR（auto-regressive）模型, 亦即是自回歸模型對單個地標作物成熟期進行預測。其原理是利用觀測點前若干時刻的變量的線性組合來描述觀測點后若干時刻變量的值, 屬于線性回歸模型。AR模型認為, 任意時刻的觀測值x取決于前面p個時刻的觀測值加上一個誤差, 見下公式：

式中ε是均值為0、方差為σ的白噪聲序列。

4.3 Redis

廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺業務數據多且查詢訪問頻繁, 為了提高平臺用戶的訪問速度, 增強用戶使用體驗, 減輕平臺服務器的讀寫壓力, 防止服務器宕機, 在平臺中使用Redis作為存儲數據庫, Redis的中文名為遠程字典服務, 是一個key-value存儲系統, 特點就是數據都存在內存中, 擁有極高的讀寫性能, 同時, Redis提供了RDB和AOF兩種持久化方案, 將內存中的數據保存到磁盤中, 避免數據丟失, 保證了平臺的數據存儲安全, 而且Redis的主從復制可以實現高可用和分布式。它支持存儲的value類型相對更多, 包括string（字符串）、list（鏈表）、set（集合）、sorted set（有序集合）、hash（散列）和geospatial（地理空間）索引半徑查詢等, 在平臺中, 記錄地標作物等基礎數據, 使用了Redis中的string字符串數據類型, 記錄地標商城平臺用戶的購物車數據以及一些頻繁變化的數據, 使用了hash散列類型。這些數據類型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更豐富的操作, 而且這些操作都是原子性的。在此基礎上, Redis支持各種不同方式的排序。與Memcached（一種分布式內存對象緩存系統）一樣, 為了保證效率, 數據都是緩存在內存中。區別的是Redis會周期性地把更新的數據寫入磁盤或者把修改操作寫入追加的記錄文件, 并且在此基礎上實現了master-slave（主從）同步。

同時, 為了保證Redis緩存數據和SQL Server數據實時同步, 采取以下方案：一是引用SQL Server事務（Transact-SQL）, 因為事務有一致性保證, 事務成功后再更新緩存。二是在緩存里面引用一些訪問控制位, 數據庫變化后, 同步變更對應的訪問控制位, 然后從緩存查詢時, 先判斷該訪問控制位, 當數據發生變化時就從數據庫查詢, 沒有變化直接從緩存查詢。

5 系統實現

廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺通過Web方式對外提供服務, 平臺開發采用了前后端分離架構設計, 可以實現前后端獨立部署, 前端應用可以獨立運行在自己的服務器上, 而不受后端上線計劃的影響。同時對開發成員分清職責, 明確分工, 提高效率, 平臺功能模塊復雜, 拆分可以降低維護成本。為了方便后續平臺系統演進, 后端可以遷移到微服務, 前端可以遷移到微前端架構等。

平臺客戶端（PC端）基于Node.js環境開發設計, 使用Vue.js漸進式框架搭建前端項目頁面, 使用Axios庫實現客戶端與服務端的數據通信。使用Element組件庫進行組件化開發, 使用ECharts開源可視化圖表庫對地標作物的成熟期進行可視化展示, 使用Bootstrap前端框架進行響應式布局等。平臺服務器端通過ASP.NET Core、Entity Framework Core等框架技術實現客戶端應用程序接口（API）服務, 前后端之間選擇JSON Web Token（JWT）作為用戶認證鑒權的核心機制, JWT用于在各方之間以 JSON 對象的形式安全傳輸信息, 此信息可以驗證和信任, 因為它是數字簽名的。在平臺中, JWT將用戶數據加密存儲, 分發給客戶端, 客戶端將其放在特定的header字段中, 服務器收到請求后, 解析JWT判斷用戶身份, 對用戶請求進行限權（授權）, 它與cookie-session的機制相比, JWT更加輕量和方便, 節約了開發和運維成本。為了提高前后端開發人員的開發效率, 解決前后端開發人員在開發平臺過程的溝通問題, 平臺通過Swagger生成的接口開發文檔進行解決。平臺部分功能界面如圖3、圖4、圖5所示。平臺的架構設計具有良好的穩定性、擴展性、安全性、易用性, 較強的災難恢復能力, 能夠防止各類用戶誤操作可能造成的數據丟失、破壞。同時采用定時策略定期對數據進行備份, 能持續為各類地標作物用戶群體提供優質的地標作物信息服務。

圖3 平臺地標作物成熟期功能界面

圖4 平臺地標作物地理分布功能界面

圖5 平臺地標作物商品添加功能界面

6 結束語

廣西種植類地理標志農產品產銷一體化服務平臺運用互聯網、時空大數據、WebGIS等技術, 進一步整合典型種植類地理標志農產品數據信息, 實現了廣西典型種植類地標作物數據的統一管理、地理分布區域展示、成熟期預測、在線銷售、出產地塊溯源、種植技術交流服務等功能, 一定程度上解決了廣西地標作物產銷對接不緊密、信息化服務弱等一系列生產、銷售問題, 使地標作物數據更加準確客觀有效, 為農民、地標作物生產經營者、地標作物管理者、研究人員提供及時、準確、全面、可視化的信息服務, 并為農業合作社管理部門提供有效的地標作物數據, 使廣西著名的地標作物在平臺上能夠進行智慧化建設并有效科學地開展, 促進地標作物服務和管理水平提高。同時通過網絡地理信息系統技術, 為地標作物的出產地塊溯源提供強有力的數據保障, 實現對地標作物出產地塊溯源, 增強信息透明度, 增強對生產地的認可, 規范溯源行為, 彌補了以往傳統農產品電子商務平臺系統的溯源強度不足, 為今后新型農產品電子商務平臺發展提供了參考。該平臺作為技術成果, 參與完成廣西科技廳對廣西地標作物大數據工程技術研究中心的驗收, 后續可進一步結合人工智能算法、大數據技術, 融合廣西典型地理標志作物生長環境相關的氣候、土壤、地形等數據, 在平臺之上探索建立墑情監測、病蟲害預報、遙感估產模型、發布監測與預警信息, 為地標作物的各類用戶提供更加精準、優質、便捷的服務。