基于GIS的食用豆信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

康曉潔， 張蕙杰， 龔 謹(jǐn)， 諸葉平

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

食用豆是指以食用籽粒為主，包括食用其干、鮮子粒和嫩莢為主的各種豆類作物［1］。近年來隨著人們生活水平的不斷提高，食用豆作為優(yōu)化居民飲食結(jié)構(gòu)和改善食物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要食品，消費(fèi)需求量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的態(tài)勢，有力推動了食用豆產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷壯大。當(dāng)然，中國食用豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍存在著政策關(guān)注不夠、生產(chǎn)波動大、產(chǎn)后深加工水平低下等一系列問題，影響了食用豆豆農(nóng)的種植積極性和食用豆產(chǎn)業(yè)的健康良性發(fā)展［2-6］。為此，農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部建立專項(xiàng)資金支持食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的建立，進(jìn)一步推動食用豆產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。依托國家食用豆現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的建立，本研究選取不同豆種的食用豆主產(chǎn)區(qū)作為固定觀察點(diǎn)對其生產(chǎn)貿(mào)易情況進(jìn)行詳細(xì)的跟蹤調(diào)查，旨在通過全面調(diào)查掌握中國食用豆產(chǎn)業(yè)的相關(guān)基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)建立食用豆信息管理系統(tǒng)，對其進(jìn)行規(guī)范管理、信息查詢、系統(tǒng)分析，從而實(shí)現(xiàn)迅速準(zhǔn)確地調(diào)閱及生成食用豆相關(guān)信息。與此同時，由于食用豆生產(chǎn)、加工、銷售、貿(mào)易和地理空間有著密切聯(lián)系，數(shù)據(jù)大都具有空間內(nèi)涵，因此在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時加入空間信息可以使數(shù)據(jù)分析更加透徹［7-8］。地理信息系統(tǒng)(Geographic information system，簡稱GIS)是采集、存儲、管理、檢索、分析和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。將GIS功能融入到食用豆信息系統(tǒng)，使地理信息系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)功能融合在一起，地理空間信息滲透到數(shù)據(jù)分析中，從而深度挖掘出更多直觀有用的信息，為國家食用豆技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系提供更多輔助決策，對推動食用豆產(chǎn)業(yè)及技術(shù)體系發(fā)展，調(diào)整中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義［9］。并為將來建立食用豆災(zāi)害預(yù)警、產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)提供基礎(chǔ)［10-11］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)按照邏輯結(jié)構(gòu)分為四層:人機(jī)交互層、業(yè)務(wù)邏輯層、技術(shù)支撐層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫層。人機(jī)交互層是用戶與系統(tǒng)的交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、查詢、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示以及數(shù)據(jù)圖表查詢結(jié)果輸出;業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的邏輯處理，包括地圖數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù);技術(shù)支撐層包括系統(tǒng)中用到的組件技術(shù);基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫層包括全國1∶4.0×106電子地圖的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及食用豆產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure graph of the system

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求，數(shù)據(jù)庫分為食用豆產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫和空間信息數(shù)據(jù)庫。食用豆產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫主要存儲食用豆產(chǎn)業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，即從觀察點(diǎn)獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用Microsoft access數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫訪問采用標(biāo)準(zhǔn)化查詢語言SQL來實(shí)現(xiàn)?？臻g信息數(shù)據(jù)庫采用超圖提供的全國1∶4.0×106電子地圖。食用豆產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫通過地區(qū)代碼字段與地理信息數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，通過字段名稱的統(tǒng)一，為今后數(shù)據(jù)庫的修改、擴(kuò)充提供了便利條件(圖2)。

圖2 食用豆產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫Fig.2 The database of edible beans industry

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)目前國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系需求，系統(tǒng)涉及的食用豆資源主要包括綠豆、蕓豆、蠶豆和豌豆。涉及的數(shù)據(jù)主要包括豆農(nóng)家庭成員情況、豆農(nóng)家庭基礎(chǔ)設(shè)施情況、食用豆種植情況、豆種使用情況、食用豆種植技術(shù)服務(wù)情況、食用豆銷售情況、食用豆加工情況、食用豆貿(mào)易情況、國家政策服務(wù)情況以及豆農(nóng)其他谷物種植情況。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)規(guī)范管理的情況下，支持多條件查詢食用豆資源各種信息。GIS以組件的形式嵌入系統(tǒng)中，支持食用豆資源各種信息空間可視化，使原來管理信息系統(tǒng)中很多抽象的數(shù)據(jù)與地理位置建立聯(lián)系，直接顯示在地圖上，方便用戶在地圖上直接操作MIS，使信息查詢、統(tǒng)計(jì)變得更加簡單、直觀［12］?；贕IS的食用豆信息系統(tǒng)將以全新的方式來管理和利用食用豆產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，規(guī)范數(shù)據(jù)管理，挖掘數(shù)據(jù)的潛力，提高數(shù)據(jù)的利用價值。

2.1 數(shù)據(jù)存儲和管理

在數(shù)據(jù)存儲和管理功能上，系統(tǒng)對用戶進(jìn)行分組授權(quán)，根據(jù)數(shù)據(jù)安全級別和功能復(fù)雜程度的不同，把用戶分為普通管理員和用戶，分別登陸系統(tǒng)［13］。管理員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、管理和修改。食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系示范點(diǎn)剛剛建立，隨著食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系研究的深入，收集到的食用豆資源會逐漸增多，數(shù)據(jù)量會逐漸增大、數(shù)據(jù)涉及面也會越來越廣，將變化了的和新收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時編輯和更新，保證食用豆產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的實(shí)時性和可靠性，是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、輔助決策的關(guān)鍵［14］。為使系統(tǒng)直觀、易操作，數(shù)據(jù)更新模塊采用內(nèi)容查詢方式更新，將食用豆產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表表名作為“查詢內(nèi)容”，將各張表中的戶號設(shè)為關(guān)鍵字，在系統(tǒng)中查詢到所要修改的內(nèi)容直接修改保存。系統(tǒng)在存儲和更新方式上實(shí)現(xiàn)手動輸入和Excel導(dǎo)入。

2.2 數(shù)據(jù)查詢

借助于GIS的功能，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種查詢方式:一種是從地圖到屬性數(shù)據(jù)查詢，一種是從屬性數(shù)據(jù)到地圖查詢。在系統(tǒng)中，GIS二次開發(fā)方式采用了超圖基于共相式GIS內(nèi)核進(jìn)行開發(fā)的組件式GIS二次開發(fā)平臺SuperMap Objects.NET 6R，在共相式GIS內(nèi)核(UGC)中實(shí)現(xiàn)GIS的核心技術(shù)，在UGC外建立訪問數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)框架(SuperMap SDX+)，支持多種數(shù)據(jù)格式訪問，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、空間索引技術(shù)和數(shù)據(jù)查詢技術(shù)［15］。從地圖到屬性數(shù)據(jù)查詢，用戶可在地圖上點(diǎn)擊任意區(qū)域，系統(tǒng)通過SDX+建立空間數(shù)據(jù)庫和食用豆產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，返回食用豆資源屬性信息。從屬性數(shù)據(jù)到地圖查詢，用戶通過選取食用豆資源某一方面或幾方面的信息作為指標(biāo)，系統(tǒng)通過ADO接口訪問Access數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)庫連接，將指標(biāo)數(shù)據(jù)作為字段添加到地圖屬性數(shù)據(jù)庫中，通過接口連接UGC內(nèi)部，將指標(biāo)在地圖上顯示［16］。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，按照從定性—定量—定性分析的順序，對收集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理歸類并進(jìn)行分析，最終形成分析報告的過程，從而達(dá)到對研究對象更為深刻的認(rèn)識。通過對食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，進(jìn)而通過區(qū)別數(shù)量的界限確認(rèn)質(zhì)的變化，揭示食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易發(fā)展?fàn)顩r和規(guī)律。針對調(diào)查數(shù)據(jù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)有平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)，可描述數(shù)據(jù)的集中趨勢、離散程度和相關(guān)強(qiáng)度。為使統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以圖表形式直觀顯示，系統(tǒng)中使用了TeeChart組件技術(shù)。

2.4 專題圖分析

專題圖是為適應(yīng)某種專門需要而著重顯示制圖區(qū)域內(nèi)某一種或某幾種自然現(xiàn)象或社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的地圖。專題圖不僅可以使數(shù)據(jù)可視化，而且用來做專題變量的屬性數(shù)據(jù)的變化分布狀況和規(guī)律以及發(fā)展變化趨勢都將會一目了然。食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易行為都和地理信息有著密切聯(lián)系，通過專題圖對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將屬性數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，在挖掘?qū)傩詳?shù)據(jù)之間關(guān)系的同時對數(shù)據(jù)的空間分布情況有了更深的了解，從而挖掘出更多的直觀有用的信息完成輔助決策［17］。根據(jù)屬性數(shù)據(jù)性質(zhì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單值專題圖、分段專題圖和統(tǒng)計(jì)專題圖功能以及各種圖形渲染風(fēng)格(大小、顏色、線型、填充等)。單值專題圖和分段專題圖是針對單一數(shù)據(jù)指標(biāo)制作專題圖進(jìn)行分析，所不同之處在于單值專題圖將數(shù)據(jù)指標(biāo)相同的歸為一類并設(shè)定一種渲染風(fēng)格，著重表示現(xiàn)象質(zhì)的差別;分段專題圖將數(shù)據(jù)指標(biāo)以某種分段方式分成多個范圍段，不同范圍段設(shè)定不同的渲染風(fēng)格，著重表示現(xiàn)象量的差別。同時分段專題中的過濾功能可以使用戶方便地查詢到不同數(shù)量級在地圖上的空間分布情況，有助于實(shí)現(xiàn)食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易區(qū)域發(fā)展?fàn)顩r的分析。統(tǒng)計(jì)專題圖的特點(diǎn)是可以基于一個數(shù)據(jù)指標(biāo)或多個數(shù)據(jù)指標(biāo)制作專題圖，從而可以實(shí)現(xiàn)一次性對一個數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對多個數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

下面以2011年和2012年云南大理白族自治州洱源縣、大理市、祥云縣和彌渡縣觀察點(diǎn)食用豆播種面積和食用豆新品種使用情況的調(diào)查數(shù)據(jù)為例，使用系統(tǒng)專題圖分析功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3為所調(diào)查農(nóng)戶在2011年和2012年主要作物播種面積專題圖?？傮w來看，兩年里食用豆的播種面積在各個縣都占主要地位，僅在2011年彌渡縣和2012年大理市食用豆播種面積位居第二，由此可知食用豆為當(dāng)?shù)刂匾募Z食作物之一。從縱向來看，2012年洱源縣食用豆播種面積變化較大，將近減少7.5 hm2。其他三縣基本保持不變。但是通過圖中可以看到，洱源縣其他作物播種面積也大幅下降，說明2012年洱源縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能由于自然災(zāi)害等原因呈現(xiàn)下滑趨勢。從橫向來看，2011年大理市食用豆播種面積居四個縣之首，依次是洱源縣、彌渡縣，祥云縣;2012年大理市食用豆播種面積仍居首位，依次是彌渡縣、祥云縣，洱源縣，說明食用豆在4個縣的播種面積年際間變化相對不大。

圖3 作物播種面積專題圖Fig.3 The thematic map of crop sowing area

圖4為2011年和2012年豆農(nóng)在種植食用豆時使用新老品種播種面積專題圖。從縱向來看，祥云縣和彌渡縣在2011年新品種使用量均在90%以上，但是在2012年新品種使用量大幅下降;洱源縣和大理市兩年內(nèi)新老品種使用情況基本保持一致，使用老品種所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新品種，說明四個縣的食用豆新品種推廣工作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖4 新舊品種播種面積專題圖Fig.4 The thematic map of new and old seed sowing area

圖5為2011年和2012年導(dǎo)致豆農(nóng)在食用豆種植中不使用食用豆新品種的各種原因的比例圖。從縱向來看，主要影響豆農(nóng)使用新品種的因素在洱源縣、彌渡縣和祥云縣基本沒有太大變化，大理市變化較大。從橫向來看，2011年豆農(nóng)在上一年留種是導(dǎo)致豆農(nóng)在食用豆種植中不使用新品種的主要原因，這一因素的影響力在祥云縣最為突出，其次是彌渡縣、大理市和洱源縣。沒有其他品種好和新品種價格是次之的影響因素。2012年上一年留種依然是影響洱源縣、祥云縣和彌渡縣的主要因素，但是大理市的豆農(nóng)卻有較多人是出于隔年換的想法使用舊品種，說明不同地區(qū)食用豆新品種使用的影響因素存在一定差異。

圖5 影響食用豆新品種使用專題圖Fig.5 The thematic map of factors influencing new edible bean varieties use

圖6為2011年和2012年豆農(nóng)選擇食用豆新品種時重點(diǎn)關(guān)注的新品種各種性能的專題圖。從橫向來看，2011年4個縣的基本情況大致相同，豆農(nóng)重點(diǎn)關(guān)注的新品種性能依次為新品種的高產(chǎn)、不易感染病害、不宜感染蟲害的能力以及未來食用豆質(zhì)量好、售價高，關(guān)注最低的是新品種的抗旱能力;2012年新品種高產(chǎn)特性依舊是豆農(nóng)最為關(guān)心的，同時豆農(nóng)對新品種抗旱能力的要求有所提高，而對未來食用豆是否質(zhì)量好、售價高的關(guān)注度有所降低。這可能與2012年食用豆生產(chǎn)受降水等自然條件影響較大有關(guān)。

圖6 新品種性能關(guān)注專題圖Fig.6 The thematic map of the concerns with new variety performance

以上對食用豆播種面積和食用豆新品種使用情況的部分?jǐn)?shù)據(jù)分析表明:在云南大理白族自治州4個縣食用豆的播種面積較大，為當(dāng)?shù)刂饕Z食作物之一。但食用豆新品種的使用情況不容樂觀。食用豆所用品種基本來自于豆農(nóng)自產(chǎn)自留的種子，種子更新?lián)Q代極慢。通過對圖4的分析了解到，新品種本身性能沒有得到良好的體現(xiàn)和種子價格太貴是造成這一現(xiàn)象的主要原因;通過對圖5的分析了解到，豆農(nóng)對新品種性能最為關(guān)心的依然是新品種的高產(chǎn)性能，其次才是產(chǎn)品質(zhì)量和銷售前景，這也是造成食用豆質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素。種子作為特殊和不可替代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是發(fā)揮農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)作用的載體，它體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)科技水平的高低。因此，針對目前食用豆新品種的使用情況，必須加大配套技術(shù)的使用以體現(xiàn)食用豆新品種的新特性，同時加大對食用豆產(chǎn)業(yè)的扶持力度，對豆農(nóng)使用新品種進(jìn)行資金補(bǔ)貼，提高其使用新品種的積極性;同時增強(qiáng)豆農(nóng)對食用豆質(zhì)量的重視意識，食用豆的優(yōu)質(zhì)是開拓食用豆市場、擴(kuò)大食用豆貿(mào)易、實(shí)現(xiàn)食用豆更高經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，是增強(qiáng)豆農(nóng)種植食用豆積極性和推動食用豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。

3 結(jié)論

在國家食用豆現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建立初期，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GIS的食用豆信息系統(tǒng)。系統(tǒng)將管理信息系統(tǒng)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易數(shù)據(jù)規(guī)范管理、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析和專題圖分析。利用該系統(tǒng)對云南大理白族自治州洱源縣、大理市、祥云縣和彌渡縣調(diào)查數(shù)據(jù)的整理、輸入、查詢和分析，實(shí)現(xiàn)了從調(diào)查材料輸入到有效信息輸出的過程。系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)規(guī)范能力，高效快速的數(shù)據(jù)操作大量減少了人力的消耗，同時在數(shù)據(jù)檢索和分析方面融入了地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)二維表格分析以外的數(shù)據(jù)地圖分析，為提高數(shù)據(jù)的利用價值提供了技術(shù)支撐。通過對4個縣食用豆種植和食用豆新品種使用情況的數(shù)據(jù)分析，得出了云南大理白族自治州食用豆種植及食用豆新品種目前發(fā)展?fàn)顩r，對食用豆產(chǎn)業(yè)體系在云南的新品種推廣發(fā)展提出了建議。同時，食用豆生產(chǎn)周期較長，制約食用豆產(chǎn)量增長的因素也很多，如氣候、蟲害、自然災(zāi)害等，而且食用豆市場供求形勢的變化也非常快，因此建立食用豆信息化網(wǎng)絡(luò)，將信息化服務(wù)貫穿于食用豆生產(chǎn)、銷售、加工和貿(mào)易的全過程，遍及食用豆災(zāi)害預(yù)警、產(chǎn)品流通、產(chǎn)業(yè)效益、產(chǎn)品質(zhì)量安全等各個方面，將是未來國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的一項(xiàng)重大任務(wù)?；贕IS的食用豆管理信息系統(tǒng)為將來建立食用豆信息化網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

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