基於WebGIS的菸草種植管理資訊系統研發論文
基於WebGIS的菸草種植管理資訊系統研發論文
引言
空間資訊科技在推廣菸葉生產實時監測，提高農民科技素質，最佳化菸草種植模式與技術等方面起到至關重要的作用M。2015年全國菸草工作會議提出，大力推進“兩化”融合，全面加強資料資源開發應用，提高行業資訊化建設水平。近年來，隨著菸草產業結構調整和空間資訊科技的快速發展，學者們對菸草資訊化管理與“3S”技術的融合進行了一系列研究，並取得良好的效果。如董謝瓊等H應用GIS技術進行雲南省烤煙種植區劃研究，實現了原料基地的最佳化選擇;魯韋坤等利用“3S”技術，建立了現代菸草農業示範區規劃資訊系統;楊小冬等^設計了基於Web GIS的農業生態監測與決策支援系統以指導菸葉種植和生產。李一山等開發了基於ASP.NET的優質烤煙生產技術諮詢系統。但現有系統主要是針對菸草種植現狀資料進行決策分析，缺少將系統監測、管理、決策和RS技術(高光譜)相結合的具有較強時效性和綜合性的大型菸草應用系統。由於數字化菸草種植管理系統各資源環境要素具有較強的時空差異性，若能與高光譜和Web GIS技術有機整合，藉助GIS強大的空間分析能力和高光譜技術的高時空解析度，可深層次地挖掘作物的決策支援能力，使菸草種植管理資訊系統資料獲取、儲存、檢索與分析等逐步向實時監測、精確模擬及智慧化決策方向發展。
中國菸葉總產量約佔世界總產量的41.5%。其中，烤煙約佔世界烤煙總產量的59.9%。菸葉種植主要集中於雲南、貴州、四川、重慶、湖南、河南等地的貧困山區0，其中，黔西北山地是西南地區重要的菸草種植區，也是烤煙種植的適宜區，為提高該區域菸草種植質量，提升山區菸草管理效率，本系統採用面向物件軟體設計思想，利用網路資料庫、Google Maps API、Web GIS等技術，設計並構建出菸草種植空間管理資訊系統，依託高光譜技術的定期監測，實現了菸草種植環境監測、智慧化預警、網路化管理。
1系統結構設計
本系統涉及主要菸草的高光譜監測模型、栽培管理知識模型、生長過程模擬模型等相關數字菸草種植管理模型，本研究遵循整合性、實用性、可拓展性的設計原則，對組成系統的各構件及相互關係進行合理組織和設計，在傳統的3層結構一使用者層、業務邏輯層、資料層的基礎上，根據系統資料處理流程，採用資料分層技術對使用者層、業務邏輯層、資料層進行功能的分割和細化，設計出新型軟體架構體系(圖1)。該體系融合了高光譜遙感技術、GIS技術與空間定位技術，基於Web GIS平臺，解決了模型元件間、模型元件與業務功能之間複雜的資料相容、整合分析問題。不僅從邏輯上將子系統劃分成資料層、開發層、邏輯層、使用者層和資料庫管理層，還將常規業務邏輯抽取出來，減少了各個子模組間的依賴關係，使系統以彈性方式進行耦合，滿足系統的整合性和擴充套件性要求。
1.1系統總體構架
依據系統整體架構，對業務邏輯層進行細分，劃分結果見系統功能框架圖(圖2)。本系統最上層為系統層，中間為功能層，最下層為分析層，由於菸草種植管理系統的主要使用者群為菸草種植區內部管理人員和系統維護人員，系統應用廣泛，不同種植區網路通訊狀況差異性較大，故本系統採用了基於B/S的三層系統結構模式設計，空間資料庫採用ArcSDE10.2資料引擎，業務資料庫採用SQLServer2008、WebGIS伺服器採用ArcGISServer10.2，客戶端採用瀏覽器提升系統的可操作性。
1.2系統模組分析
1.2.1使用者登陸子系統
本系統主要對達到一定許可權的菸草種植管理、系統維護等相關人員開放相應的功能。擁有不同許可權的使用者，透過登陸模組登陸本系統後，系統可以根據使用者許可權自動啟用、遮蔽相應的模組，從而實現資料個性化處理功能。
1.2.2資料更新模組
菸草種植與初加工過程涉及監測、管理、決策資料龐雜，且資料格式多樣，為資料收集、彙總帶來諸多不便，而基於WebGIS的網路資料填報方式能實現資料實時多次填報，系統定期上傳，解決了使用者在實際應用中資料更新的問題。同時，為了實現資料融合、共享，在開發資料更新系統時設定了嚴格的資料校驗，不符合要求的資料一律不能入庫，並提示上傳人員更改格式後上傳。
1.2.3資料瀏覽與查詢模組
本系統依據使用者的瀏覽、查詢請求，自動產生相應的結果，並根據需要將結果以網頁、WebGIS圖形(以種植區1:10000DEM和0.5m解析度遙感影像圖為基礎資料)或圖表形式在瀏覽器顯示出來，透過程式開發可實現查詢指標共有29個，使用者可根據複合查詢條件，篩選查詢目標，部分查詢程式碼如下：
1.2.4菸草生長現狀分析模組
菸草生長現狀分析、趨勢分析、菸草估產的開發是本專案的重點也是難點所在，透過對歷年研究區域菸草的生長監測資料的分析，建立相應的生長現狀、趨勢分析、產量預測數學模型，並透過計算機程式設計，以WebGIS技術平臺為載體，使分析結果以圖形或圖表形式直觀地表現出來。使用者只需點選相應子模組命令，就可以瞭解研究區域煙田分佈、菸草主產區的菸草生產現狀及發展趨勢。透過本系統使菸草主產區歷年來菸草生長監測資料得以充分有效利用，為區域烤煙行業發展決策的重要依據。
1.2.5高光譜監測分析模組
高光譜技術在菸草中的'研究主要集中在冠層與葉片水平。通常利用原始光譜反射率與菸草的葉面積指數、生物量、品質指標等建立監測模型，透過反演，對菸草的生長和菸葉品質進行估算和監測0。高光譜監測技術用於菸草長勢、產量預測，可實現菸草生長監測規模化，空間資料獲取即時化，並利用估產模型對菸草產量進行預測。本系統透過IDL語言開發集合了ENVI高光譜影像解譯技術，高光譜資料以標準格式上傳後，系統自動對影像進行流程式處理，處理結果以屬性統計表、菸草產量預測圖的形式儲存於SQLServer中，便於使用者呼叫查詢。
1.2.6資料輸出模組
本資料輸出模組是整個系統的輸出視窗，系統所有分析結果都要透過本模組實現輸出。輸出的方式有網頁顯示、WebGIS圖形、圖表輸出等幾種。具體的輸出方式可根據使用者需求及系統自身特點進行選擇定製。
1.2.7資料庫管理子系統
系統根據不同的使用者授予不同的訪問許可權，使用者可以在許可權範圍內進行資料的瀏覽、查詢、編輯更新等操作。系統自身對使用者傳輸資料進行分類組織、儲存和管理各種資料，確定以何種檔案結構和存取方式在儲存級上組織這些資料，如何實現資料之間的聯絡，並在一定週期內進行資料備份，儲存歷史資料。
2系統實現
2.1系統開發環境
本系統根據資料獲取途徑、預處理軟體的不同，選取ENVI+IDL5.0和ArcEngine9.3軟體作為WebGIS資料處理平臺，同時，選取集成了AJAX專案模板的VisualStudio2010作為高效開發WebGIS的應用平臺。為實現資料可相容和高效呼叫，系統採用SQLServer2008為設計資料庫，高光譜處理模型元件採用IDL語言按COM標準進行開發，選用C#語言作為系統整合基本開發語言，應用HTML語言進行介面設計，使用者系統介面如圖4所示。
2.2系統運用
以貴州省六盤水市水城縣鹽井鄉為應用案例，對所構建系統中使用者登入子系統，資料更新、查詢、瀏覽、輸出，菸草長勢分析，高光譜監測，資料庫管理等模組功能進行除錯運用。為提高除錯結果的可信度，先將該鄉的氣象、土壤、品種、農村種植經濟資訊等資料為基礎資料建立了屬性資料庫，同時，將菸草種植區1:10000地形圖、高解析度的Google影像圖、基礎資料圖進行疊加建立了空間資料庫。除錯應用結果表明：系統的組織結構和功能設計符合菸草種植空間資訊管理及輔助決策系統的設計思想，並表現出較高的穩定性和普適性。透過使用該系統，實現了鹽井鄉菸草種植資訊的規範化管理及高效、便捷的查詢，運用高光譜預測模型生成的決策結果與當地實際狀況和專家經驗基本符合，且系統的預測結果可以不同專題圖和統計報表等形式進行顯示。
3結論與討論
在總結、融合菸草生產管理決策及評價理論與技術成果的基礎上，構建了高光譜菸草監測模型，菸草生產潛力分析和精確菸草估產知識模型，例項證明，上述模型應用的適應性強，為菸草管理決策提供一種良好方法。將WebGIS和高光譜遙感技術相結合，利用Arc GIS API For Javascript為開發平臺，構建了菸草種植空間資訊管理與輔助決策系統，實現了基本地圖操作、菸草空間資訊查詢與瀏覽、種植制度評價、適宜性區劃、生產潛力分析、高光譜長勢監測、圖表輸出以及系統維護功能，提升系統輔助決策的準確性和普適性。
以貴州省六盤水市水城縣鹽井鄉為系統應用案例，對系統進行了檢驗，結果表明，系統實現了高光譜空間資訊決策化管理，不僅顯著提高了空間資訊的管理效率和查詢速度，在菸草生產管理決策方面也表現出了較好的時效性和指導性。