基于“3S”的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁克奎　+鐘凱文

摘要：為了解決人地矛盾，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的契機(jī)下，研究利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GIS技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)情信息的實(shí)時(shí)采集、綜合利用，構(gòu)建基于“3S”的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)建包括農(nóng)情采集終端硬件設(shè)計(jì)、農(nóng)情采集終端嵌入式軟件開發(fā)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)開發(fā)。

關(guān)鍵詞：北斗；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；3S技術(shù)

中圖分類號(hào)：S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0399-03

收稿日期：2014-02-23

基金項(xiàng)目：廣東省中國(guó)科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（編號(hào)：2011B090300048）；廣東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：10151007003000002）；廣東省科技計(jì)劃（編號(hào)：2011B060500056）。

作者簡(jiǎn)介：丁克奎（1987—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事數(shù)字城市、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市研究。Tel：（020）87680967，E-mail：dinkfamily@gmail.com。近年來，我國(guó)耕地面積不斷減少、質(zhì)量不斷下降、污染逐漸嚴(yán)重、人口持續(xù)增長(zhǎng)，人口與耕地之間的矛盾還將長(zhǎng)期存在，再加上山地、高原、丘陵約占我國(guó)國(guó)土面積的2/3及家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，決定了我國(guó)地塊分散及小型化。因此，精耕細(xì)作式的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（也稱精細(xì)農(nóng)業(yè)）是解決我國(guó)人地矛盾，實(shí)行農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化的必然途徑，也是解決“三農(nóng)”問題的必經(jīng)之路[1]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)調(diào)動(dòng)耕地生產(chǎn)力，以最少或最節(jié)省的投入達(dá)到同等產(chǎn)出或更高的產(chǎn)出，可以高效利用各類農(nóng)業(yè)資源并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益[2]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基于空間變異理論，以地塊內(nèi)每個(gè)小區(qū)為單位采集農(nóng)情信息，獲取土壤性狀與生產(chǎn)力空間差異、農(nóng)作物苗情[3-4]。農(nóng)情數(shù)據(jù)采集、作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量檢測(cè)、作物模擬和空間決策支持是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[5-6]。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在種植業(yè)方面研究最多、應(yīng)用最廣，但是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)同樣適用于林業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)等[7-8]。筆者從農(nóng)情采集終端、終端嵌入式軟件設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理服務(wù)平臺(tái)3個(gè)方面對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)行研究，旨在為促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1支撐技術(shù)

1.1地理信息系統(tǒng)

相對(duì)于其他信息管理系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)（GIS）的優(yōu)勢(shì)在于具有強(qiáng)大的空間分析能力、海量地理數(shù)據(jù)管理能力。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)牽涉到海量農(nóng)情信息地理空間數(shù)據(jù)，可以利用GIS將這些農(nóng)情信息數(shù)據(jù)加工處理成GIS圖層，簡(jiǎn)化農(nóng)情信息數(shù)據(jù)管理。對(duì)這些農(nóng)情信息數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)模型、專家系統(tǒng)等空間分析，不僅可以進(jìn)行耕地生產(chǎn)力時(shí)空差異評(píng)價(jià)，還可以指導(dǎo)優(yōu)化播種、施肥、灌溉、病蟲害防治等種植管理及產(chǎn)量預(yù)測(cè)[9]。將管理措施與歷年產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比分析可以修正知識(shí)模型、專家系統(tǒng)以及進(jìn)行農(nóng)業(yè)調(diào)整、規(guī)劃、戰(zhàn)略部署[10]。同時(shí)，GIS還可以對(duì)自然災(zāi)害等突發(fā)異常情況快速評(píng)估其影響范圍、程度，應(yīng)用空間分析決策支持制定應(yīng)對(duì)措施以減少損失。

1.2遙感

遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的主要作用是大面積快速了解最新作物生長(zhǎng)狀況、耕地生產(chǎn)力空間差異信息（土壤、水分、空氣等）以及異常情況，及時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)政策、戰(zhàn)略，提高作物品質(zhì)、產(chǎn)量。遙感可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供以下2類相關(guān)數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)信息、時(shí)空動(dòng)態(tài)變化信息[11]?；A(chǔ)信息包括基礎(chǔ)設(shè)施、地塊分布、土壤肥力狀況等信息。時(shí)空動(dòng)態(tài)變化信息包括作物生長(zhǎng)狀況、病蟲害、土壤墑情、微生物、雜草等信息。利用飛機(jī)、飛艇、氣球等作為傳感器平臺(tái)的航空遙感，尤其是低空遙感的快速發(fā)展為靈活、方便、低廉地快速獲取高分辨率農(nóng)情信息提供了可能[12]。

1.3北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航正在逐漸滲透到人類生活中，深刻改變了人類的生產(chǎn)生活方式、思維習(xí)慣。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。與GPS相比北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有定位功能，還可以進(jìn)行通信，可以在用戶間進(jìn)行位置傳遞。在地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中斷或不暢等情況下，定位、雙向通信的特點(diǎn)決定了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在生命線工程中不可取代的作用。將北斗衛(wèi)星定位模塊集成到農(nóng)情采集終端，可以準(zhǔn)確記錄設(shè)備地理位置，在采集農(nóng)情信息的同時(shí)提供空間信息，同時(shí)可以在播種、施肥、灌溉、施藥等種植作業(yè)中進(jìn)行精確導(dǎo)航、定位[13]。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)情采集終端是綜合應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、嵌入式技術(shù)、3G通信技術(shù)、多傳感器多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GIS技術(shù)以及信息融合技術(shù)開發(fā)，集多種測(cè)量要素于一體的多功能農(nóng)情信息采集終端。農(nóng)情采集終端通過外圍傳感器、監(jiān)測(cè)儀器獲得農(nóng)情信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)保持通信，將農(nóng)情信息數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息入庫、信息統(tǒng)計(jì)分析、空間決策支持，并將處理結(jié)果以地圖、統(tǒng)計(jì)圖表等直觀形式展示出來，從而指導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（圖1）。

2.2農(nóng)情采集終端設(shè)計(jì)

農(nóng)情信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14]。農(nóng)情采集終端采集的信息包括土壤成分/養(yǎng)分信息、土壤特征信息、作物生長(zhǎng)小氣候信息、圖像信息等。農(nóng)情采集設(shè)備內(nèi)部主板卡設(shè)計(jì)采用性能優(yōu)越的基于ARM9低功耗CPU、具有MiniSA總線擴(kuò)展功能的公控核心板，集成一系列硬件擴(kuò)展模塊：北斗衛(wèi)星定位模塊、3G通信模塊、ZigBee通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等。硬件系統(tǒng)的高度集成提高了系統(tǒng)防震動(dòng)及野外抗干擾性能，有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使設(shè)備更能適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。人機(jī)交互界面采用較大尺寸的VGA觸摸屏，減少誤操作并保證產(chǎn)品的操作性能，外殼、對(duì)外接口具備防水防潮功能。農(nóng)情采集終端依靠傳感器采集農(nóng)情信息數(shù)據(jù)，主要包括NIR土壤養(yǎng)分分析儀（土壤養(yǎng)分監(jiān)測(cè)）、RY-G/N光照度傳感器（光照度監(jiān)測(cè)）、RY-ZW光量子傳感器（光量子監(jiān)測(cè)）、RY-DW土壤溫度傳感器（土壤溫度監(jiān)測(cè)）、TDR土壤水分傳感器（土壤水分監(jiān)測(cè)）、土壤電導(dǎo)率傳感器（土壤電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)）、植物葉綠素傳感器（植物葉綠素監(jiān)測(cè)）、RY-FS風(fēng)力風(fēng)速傳感器（風(fēng)力風(fēng)速監(jiān)測(cè)）、RY-FX風(fēng)向傳感器（風(fēng)向測(cè)量）、光纖pH值傳感器（pH值監(jiān)測(cè)）、VC1009二氧化碳傳感器（二氧化碳監(jiān)測(cè)）、RY-YL雨量傳感器（雨量測(cè)量）、JWSK-6+VS-6室外型溫濕度變送器套裝（空氣溫濕度監(jiān)測(cè)）、紅外攝像槍（圖像監(jiān)控）。endprint

2.3嵌入式軟件組成和功能模塊設(shè)計(jì)

農(nóng)情采集終端嵌入式軟件采用Linux操作系統(tǒng)，使用 C++ 語言編寫。農(nóng)情采集終端通過接口接收傳感器及監(jiān)測(cè)儀器收集到的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到農(nóng)情采集終端內(nèi)存上，在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域?qū)⑥r(nóng)情信息數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)平臺(tái)，同時(shí)提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、視頻瀏覽、系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備控制等功能?？紤]到野外強(qiáng)光操作環(huán)境，農(nóng)情采集終端界面采用高對(duì)比度背景與高亮度前景顯示設(shè)計(jì)。農(nóng)情采集終端的功能主要包括農(nóng)情綜合信息采集和通信、信息管理等功能（圖2）。

2.4服務(wù)平臺(tái)軟件組成與功能模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server 2003，服務(wù)發(fā)布平臺(tái)為Apache tomcat 6，數(shù)據(jù)庫為ORACLE 11g。通信服務(wù)程序采用Web Service程序開發(fā)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。Web服務(wù)程序采用B/S（brower/server）結(jié)構(gòu)，GIS平臺(tái)為ArcGIS Server10.0，開發(fā)語言為Java，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)采用基于J2EE組件開發(fā)技術(shù)的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)按照需求采取遠(yuǎn)程單位分散，逐級(jí)集中的管理模式。在J2EE結(jié)構(gòu)下開發(fā)，可以跨平臺(tái)運(yùn)行，通過XML技術(shù)提供可跨平臺(tái)交換、移植的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。農(nóng)情采集終端通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將采集的信息上傳到后臺(tái)服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)平臺(tái)再通過Web技術(shù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，讓用戶可以隨時(shí)隨地了解到最新農(nóng)情信息。服務(wù)平臺(tái)提供用戶管理、數(shù)據(jù)管理與瀏覽、數(shù)據(jù)共享、空間分析及空間決策支持、提供精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案等功能（圖3）。

2.5數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開展一切作業(yè)的前提，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ORACLE 11g中，其中地理空間數(shù)據(jù)使用 Geodatabase 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫組織，通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎存儲(chǔ)在ORACLE 11g；屬性數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在ORACLE 11g，通過數(shù)據(jù)訪問接口進(jìn)行訪問。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主要涉及以下數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（地形地貌、土地利用、道路、水系、基本設(shè)施、地塊分布、行政區(qū)劃等）；北斗數(shù)據(jù)（北斗控制點(diǎn)、農(nóng)情信息采樣點(diǎn)等）；土壤數(shù)據(jù)（N、P、K及微量元素等礦物質(zhì)，溫濕度，電導(dǎo)率，pH值，微生物，質(zhì)地，結(jié)構(gòu)，成分，滲透性，含水量，持水量，厚度等）；環(huán)境數(shù)據(jù)[空氣溫濕度（日、月平均以及極值）、風(fēng)力風(fēng)速、降水量（月、年平均以及高強(qiáng)度6 h降水量）、日照時(shí)間和強(qiáng)度、電磁輻射、二氧化碳濃度、氣壓等]；苗情數(shù)據(jù)（作物的種類、結(jié)構(gòu)、品種、生長(zhǎng)發(fā)育、抗性、品質(zhì)、病蟲害等）；作物數(shù)據(jù)（作物分布、種植面積、產(chǎn)量水平、生育期、營(yíng)養(yǎng)需求、結(jié)構(gòu)等）；作物相關(guān)數(shù)據(jù)庫（化肥農(nóng)藥的品名、價(jià)格、狀態(tài)、作用、使用方式等）；知識(shí)模型（包括產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型、耕地生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型、光合作用模型等與作物相關(guān)的評(píng)價(jià)、管理、投入產(chǎn)出、預(yù)測(cè)知識(shí)模型）；遙感數(shù)據(jù)（現(xiàn)階段主要是指衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，TM、SPOT 5廣東全省衛(wèi)星影像）。

3結(jié)論

基于“3S”的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)將首先在廣東省推廣，取得一定成果之后，再根據(jù)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行修改完善，進(jìn)而推廣到其他省份。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的實(shí)施可以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，提升我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、農(nóng)業(yè)裝備智能化、農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的現(xiàn)代化水平，利用高端、前瞻的信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)資料利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率，對(duì)于確保國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)及糧食安全、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

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