精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计

　　摘要；田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节，长期以来，困扰该环节的一个技术瓶颈是客户端实时数据采集与服务器端联动式决策的一体化处理，本文利用AreIMS的技术框架，利用AreXML语言，开发了适用于精准农业分布式数据采集、可独立运行，能实现空间决策分析的技术系统。系统由数据采集、数语处理、信息分析与智能决策4个模块组艾，本文结合该系统在菜西市高科技农业示范园区的应用实例，揭示了这一系统的逻耕设计、物理实现、技术特色及主要功能。该系统的逻辑设计为精准农业园区高效采集、传输、处理信息和数据提供了一套可行的技术框架。

　　关键词：精准农业；数据采集；空间决策分析；ArcIMS

　　0引言

　　随着人口增长对农业生产和环境压力的不断增加，如何以最少的要素投入和环境污染实现最大化的产出越来越受到人们的重视[1]，精准农业由于有效地利用了现代信息技术，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作与管理技术，达到可持续农业生产的目的，日益受到国内外的重视[2-6。目前，精细农业在中国甚至世界范围内还处在研究和应用的初始阶段，许多技术还不完善。其中，如何准确反映参数的空间分布、如何实现田间信息的快速采集和处理等技术的研究在精细农业相关的技术研究中相对滞后，需要进一步深入研究7实现田间数据的快速采集和处理需要解决的一个关键问题是实现数据的分布式采集和浏览器对矢量数据的显示，以实现联动式决策[-11。本文采用ArcIMS的技术结构体系，开发了适用于精准农业工程中的分布式数据采集系统[12]，通过在菜西市高科技农业示范园区的试用，发现该系统移植性强，对硬件的要求低。其基于Web的特征，尤其是在数据采集与空间分析决策的实时操作，以及基于矢量的数据传输技术具有一定创新性，适宜在农业工程设计与实践中推广。

　　1系统总体设计

　　系统是基于Internet、面向对象的分布式数据采集、处理与智能决策系统。其技术内核是ArcIMS核心技术。长期以来，数据的分布式采集与空间决策问题-直是制约精准农业发展的技术瓶颈，系统主要技术突破是利用ArcIMS的技术框架，解决了这一技术难题，为精准农业的数据采集与决策服务。

　　系统基本模块有4个：数据采集模块、数据处理模块、信息分析模块与智能决策模块（图1），数据采集模块包括设备配置、信息读取与格式设置3个子模块；数据处理模块在Web页面上实现了ArcGIS的大部分空间分析功能，包括基于空间位置或属性信息的选择功能，Web页面上信息的放大、缩小与平移等，所有这些功能由3个子菜单管理：图幅裁碱与空间合并、信息显示、格式转换；信息分析模块有2个子菜单；缓冲区分析菜单与邻域分析菜单，这两个空间分析功能是该系统实现数据采集与分析过程的基础，也为该系统拓展其它功能奠定了基础；智能决策模块主要包括日常管理决策、优化管理决策两个子菜单，智能决策模块实际上实现的功能是一种应急处理，主要应对突发事件的处理。

　　2系统的功能实现与数据格式

　　利用ArcXML.语言与面向对象的开发策略，通过二次开发（利用ArcXML.编写超文本文件，并提交到系统编译，调试与运行）实现了系统4个功能模块的功能。为实现精准的、基于空间的智能决策，选择了矢量格式作为数据的存储格式，使空间定位信息仅仅依赖于数据采集与记录精度的制约，提高了智能决策的精度与效率。

　　2.1 系统功能实现

　　该系统充分利用了ArcIMS本身负载的客户端功能，HTML Viewer用来获取基于图像的地图和表格数据，通过它可以实现图形和属性的交互，并可以嵌入到任何HTML站点来为用户提供动态、集中、互动的地图服务。Java Viewer包含了丰富的GIS工具，都支持要素流，因此可以使用一些GIS功能，如移动地图显示窗口、查询空间及属性数据等。当使用的是标准客户端浏览器，且在服务器端设定该页面使用Feature Service时，上述两个功能的实现可以分两种情况：

　　1）如果操作所需要的数据已经传递给客户端并位于客户端缓存中了，则依靠浏览器自身读取数据并按照要求予以显示；

　　2）如果数据还没有或者没有完全传递给客户端，则客户端向服务器发送新的请求，完成这一操作。当在服务器端设定该页面使用Image Service时，则每一次操作都要向服务器发送新请求，由服务器生成新的图像传回客户端予以显示，如缓冲区分析、距离量算、增加诸如文本、图像或图形一类的Map Notes，都可以传到客户端并显示在地图上，以供实时察看。同时，该系统还可以创建Edit Notes，保存成地图的空间和属性数据并提交服务器，向服务器端提供决策信息。由于所采集的数据都是基于空间的，这为实时空间定位与对采集到的数据进行图形化表征提供了一个运行效率高、操作简便的接口.AreXML.技术在系统中作为一条“链子”，把客户端、Web服务器、应用服务器端、空间数据服务器端紧密链接在一起。

　　2.2矢量数据格式

　　系统使用Shape File的数据文件格式.具体数据的调用过程是Feature Server服务器从Shape文件数据集读取数据，并转换为经过数据压缩和流化的矢量格式（ArcXML）传t i；Query Serve查询功能用来返回对空间和属性数据的查询结果。系统同时利用了Extract Server的功能，根据客户端的请求，从服务器端（Shape文件）抽取指定的数据，把该数据以压缩过的Shape文件格式返回给客户端，就可以实现信息的职能决策。

　　3系统功能与应用实例

　　莱西市高科技农业示范园区占地320亩，其中40亩的花卉和苗圃作为精准农业示范区，本系统的设计目标是为实现该苗圃的精准种植、信息化管理服务。花卉、绿化林木对土壤的要求较高，土壤的环境、质地以及微量元素的含量直接影响了花卉和林木的生长状况。土壤信息的采集和花卉、苗木的生长状态实时监测是该系统在功能设计上优先考虑的重点。从土壤信息的采集上看，该系统可以采集土壤无机盐、金属离子、阴阳离子及其酸碱度信息，并将该信息与样点的位置信息结合起来（表1），为精准决策提供基础信息。

　　4 结 论

　　本文利用ArcIMS的技术框架，设计了适用于精准 农业分布式数据采集和可独立运行并可辅助空间决策 分析的系统。系统具有几个突出优点：第一，在拓扑结构 上属于一个分布式系统，实现了信息的分布式采集、实 时传输与实时决策。第二，系统所有采集到的数据都附 有高精度的空间位置信息，空间位置信息与属性信息的 集成采集与传输不仅提高了数据采集与传输的效率，同 时保障了系统的实时决策能力。第三，该系统实现了从 客户端的数据采集与传输到服务器端的集成、智能决 策、反馈与实时调控的一体化作业流程。 系统具备较强的应用性，可以实现田块内动态信息 的实时监测，并依赖该系统实现实时决策和动态调控。 该系统可以用于田块内病虫害发生、对土壤信息、作物 的生长态势等进行监测，为精确把握作物的生长状态， 合理地调控整个生长过程提供决策参考。

　　[参考文 献

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