基于移動(dòng)GIS的家庭農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王嬌嬌 ，楊 忠 ，2，楊小冬 ，梅 新 ※

（1. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢430062；2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)遙感機(jī)理與定量遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097；3. 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097；4. 北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京100097）

0 引言

家庭農(nóng)場(chǎng)是近幾年我國(guó)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)所大力倡導(dǎo)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式，2013年“中央一號(hào)文件”指出采用多種辦法扶持家庭農(nóng)場(chǎng)，2019年中央農(nóng)村工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室提出啟動(dòng)家庭農(nóng)場(chǎng)培育計(jì)劃等措施［1］。家庭農(nóng)場(chǎng)中采用的精準(zhǔn)施肥技術(shù)既是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)中的核心內(nèi)容［2］，也是我國(guó)大力推廣的施肥技術(shù)。精準(zhǔn)施肥不僅可以提高化肥的利用率，降低成本［3］，減少化學(xué)肥料對(duì)土壤的影響；還能采用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)信息技術(shù)對(duì)農(nóng)場(chǎng)的土壤及作物信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高農(nóng)場(chǎng)管理效率［4-5］。

在精準(zhǔn)施肥方面，國(guó)內(nèi)外的各系統(tǒng)平臺(tái)主要繼承了3種技術(shù)方法：土壤養(yǎng)分測(cè)定技術(shù)、施肥決策模型和專家決策支持系統(tǒng)［6］，并且開(kāi)發(fā)了一系列面向精準(zhǔn)施肥的系統(tǒng)［7-15］。但多數(shù)是針對(duì)整個(gè)地塊、農(nóng)場(chǎng)，甚至縣級(jí)區(qū)域尺度上提供的施肥方案，未考慮同一地塊田間變異情況，少數(shù)能提供變量施肥方案的系統(tǒng)都基于桌面系統(tǒng)或?yàn)g覽器，數(shù)據(jù)的輸入輸出相對(duì)復(fù)雜，操作難度大，使用時(shí)受到電腦設(shè)備或線纜連接的束縛，難以在家庭農(nóng)場(chǎng)中推廣和應(yīng)用。近幾年，隨著家庭農(nóng)場(chǎng)的普及以及智能手機(jī)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的大眾化，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了一系列移動(dòng)端家庭農(nóng)場(chǎng)管理軟件，如Cropio、Agrivi、Granular、Probityfarms等。但是這些軟件多為農(nóng)場(chǎng)綜合管理軟件，功能多偏向農(nóng)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)管理、財(cái)務(wù)分析及農(nóng)田作物數(shù)據(jù)記錄等，精準(zhǔn)施肥僅作為一個(gè)模塊出現(xiàn)［16］，且部分軟件不具有精準(zhǔn)施肥的功能；國(guó)內(nèi)的精準(zhǔn)變量施肥系統(tǒng)多為硬件方面的研究，如變量施肥機(jī)［17-20］等，移動(dòng)端的精準(zhǔn)施肥管理系統(tǒng)較少。

隨著移動(dòng)終端硬件配置的提升和移動(dòng)GIS技術(shù)的成熟，在我國(guó)利用移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的精準(zhǔn)施肥管理系統(tǒng)已經(jīng)成為趨勢(shì)。除此之外，我國(guó)的農(nóng)場(chǎng)大多規(guī)模較小，當(dāng)前階段對(duì)功能齊全的農(nóng)場(chǎng)管理軟件需求不大，而對(duì)于農(nóng)田養(yǎng)分管理及精準(zhǔn)施肥決策的需求更加突出。

針對(duì)我國(guó)家庭農(nóng)場(chǎng)的現(xiàn)狀及市場(chǎng)需求，在參考部分精準(zhǔn)變量施肥機(jī)［21-22］工作原理的基礎(chǔ)上，集成移動(dòng)GIS技術(shù)和精準(zhǔn)養(yǎng)分管理技術(shù)研究設(shè)計(jì)了該農(nóng)田精準(zhǔn)養(yǎng)分管理系統(tǒng)，提供農(nóng)場(chǎng)地塊養(yǎng)分分布情況及變量施肥方案專題圖，方案可通過(guò)shape或txt格式傳輸給精準(zhǔn)變量施肥機(jī)使用，旨在為家庭農(nóng)場(chǎng)中精準(zhǔn)施肥的普及以及農(nóng)業(yè)信息化、現(xiàn)代化提供參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分為3層，包括客戶端應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

（1）客戶端應(yīng)用層主要是在Android Studio開(kāi)發(fā)工具中采用Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、ArcGIS API for Android開(kāi)發(fā)包和MVC框架來(lái)實(shí)現(xiàn)的基于Android移動(dòng)平臺(tái)的APP，負(fù)責(zé)與用戶交互，包括數(shù)據(jù)的管理、地塊的編輯以及專題圖展示等功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層即服務(wù)器后臺(tái)運(yùn)行程序，由Web服務(wù)和GIS服務(wù)兩部分組成。其中Web服務(wù)主要是基于Java Servlet技術(shù)開(kāi)發(fā)的服務(wù)端處理程序，主要負(fù)責(zé)處理和接收移動(dòng)端傳來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)響應(yīng)移動(dòng)端的請(qǐng)求將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)同步到移動(dòng)端以及根據(jù)施肥決策模型生成推薦施肥方案給移動(dòng)端。GIS服務(wù)主要用來(lái)管理農(nóng)場(chǎng)地塊圖層、實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)插值、格網(wǎng)化地塊、統(tǒng)計(jì)單位格網(wǎng)養(yǎng)分平均值等。精準(zhǔn)施肥方案矢量圖主要在這一部分完成，生成的施肥方案可直接導(dǎo)出至變量施肥機(jī)，準(zhǔn)確且高效。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理?？臻g數(shù)據(jù)（地塊的邊界、位置）的存儲(chǔ)管理主要基于ArcGIS的空間數(shù)據(jù)引擎（ArcSDE）和空間數(shù)據(jù)模型在SQL Server中進(jìn)行，屬性數(shù)據(jù)（采樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)、種子信息等）則直接存儲(chǔ)在SQL Server中。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 系統(tǒng)主要功能Fig.1 Functions of system

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分組成，根據(jù)系統(tǒng)的功能分析，其中屬性數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為8個(gè)表：農(nóng)場(chǎng)信息、用戶信息、地塊信息、種子信息、肥料信息、播種方案、采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、施肥方案，數(shù)據(jù)表之間通過(guò)唯一ID字段關(guān)聯(lián)和識(shí)別，具體數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)如表1。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)農(nóng)場(chǎng)地塊和精準(zhǔn)施肥方案矢量數(shù)據(jù)。其中地塊矢量數(shù)據(jù)設(shè)置地塊ID、農(nóng)場(chǎng)ID、地塊名稱、面積和土壤類型5個(gè)屬性字段，精準(zhǔn)施肥方案矢量圖設(shè)置農(nóng)場(chǎng)ID、施肥方案ID、面積、推薦施肥量4個(gè)字段。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與主要技術(shù)

2.1 服務(wù)端實(shí)現(xiàn)

2.1.1 Web服務(wù)

基于Java Servlet技術(shù)開(kāi)發(fā)的在Web服務(wù)器端加載并運(yùn)行的Java應(yīng)用程序，Servlet容器負(fù)責(zé)Servlet和移動(dòng)端的通信以及調(diào)用Servlet的方法。其和移動(dòng)端的通信采用請(qǐng)求/響應(yīng)模式，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。

（1）數(shù)據(jù)同步，移動(dòng)端在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、編輯和刪除操作時(shí)，以Json格式將屬性數(shù)據(jù)或待刪除數(shù)據(jù)的ID發(fā)送給Servlet，Servlet通過(guò)解析Json數(shù)據(jù)，同步在服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（添加、更新和刪除）。在移動(dòng)端初次登錄系統(tǒng)或更換移動(dòng)設(shè)備登錄時(shí)，服務(wù)端響應(yīng)移動(dòng)端的請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容數(shù)據(jù)以Json格式同步給移動(dòng)端。

（2）根據(jù)移動(dòng)端請(qǐng)求，調(diào)用施肥決策模型，計(jì)算施肥量，并同步給移動(dòng)端生成精準(zhǔn)施肥方案矢量圖。在模型的選擇上，該系統(tǒng)選用目前應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)的養(yǎng)分平衡法施肥模型［23-24］。其計(jì)算公式為：

式（1）中，W為所需單位施肥量（kg/hm2），Y為作物的目標(biāo)單位產(chǎn)量（kg/hm2），Nc為作物單位產(chǎn)量所需的養(yǎng)分量（kg），Ns為土壤養(yǎng)分供應(yīng)量（kg/hm2），N為所施肥料中的養(yǎng)分含量（%），E為肥料當(dāng)季利用率（%）。其中土壤養(yǎng)分供應(yīng)量S=土壤養(yǎng)分測(cè)定值×土壤有效養(yǎng)分校正系數(shù)。

2.1.2 GIS服務(wù)

服務(wù)端的GIS服務(wù)是基于ArcGIS Server實(shí)現(xiàn)的，為系統(tǒng)提供底圖數(shù)據(jù)和GIS功能上的支持。

（1）基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)：采用ESRI公共服務(wù)（http：//services.arcgisonline.com/arcgis/rest/services）中的全球影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

（2）要素服務(wù)：將農(nóng)場(chǎng)地塊圖層發(fā)布為ArcGIS Server要素服務(wù)，用于編輯和存儲(chǔ)農(nóng)場(chǎng)邊界和屬性信息。該圖層坐標(biāo)系需與基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)系一致。

（3）GP服務(wù)：發(fā)布支持土壤理化數(shù)據(jù)插值處理、地塊格網(wǎng)化和統(tǒng)計(jì)單位格網(wǎng)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)值的ArcGIS工具箱。

在測(cè)定地塊土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分分布狀況時(shí)，通常是根據(jù)實(shí)際采樣點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)按照一定插值方法來(lái)推算整個(gè)地塊的養(yǎng)分分布狀況。插值方法有很多，該系統(tǒng)選擇在統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域常用的Kriging插值方法。Kriging插值法以變異函數(shù)計(jì)算權(quán)重，不僅考慮了已知樣本和未知樣本之間的距離，還考慮了已知樣本的空間分布及其與未知樣本之間的空間方位關(guān)系，滿足了土壤養(yǎng)分插值的要求。其內(nèi)插公式為：

式（2）中，Z（s0）為預(yù)測(cè)未知的值，Z（si）第i個(gè)位置處的測(cè)量值，λi第i個(gè)位置處的測(cè)量值的未知權(quán)重，s0是預(yù)測(cè)的位置（點(diǎn)），si是已測(cè)的位置（點(diǎn)）；N為已知點(diǎn)（已測(cè)得值的點(diǎn)）的數(shù)目［21-22，25］。

在計(jì)算精準(zhǔn)施肥方案時(shí)，需要考慮到同一地塊的田間變異情況，該系統(tǒng)采用將地塊分成不同的格網(wǎng)，利用養(yǎng)分插值結(jié)果統(tǒng)計(jì)出每個(gè)格網(wǎng)的平均值作為該格網(wǎng)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)值。在生產(chǎn)精準(zhǔn)施肥決策方案時(shí)根據(jù)每個(gè)格網(wǎng)計(jì)算推薦施肥量，這樣充分考慮到了養(yǎng)分田間變異的情況。在格網(wǎng)化和統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)范圍內(nèi)插值柵格平均值時(shí)分別采用ArcMap中的漁網(wǎng)化和柵格統(tǒng)計(jì)工具箱建立模型，以GP服務(wù)的方式發(fā)布到ArcGIS Server上，其中格網(wǎng)創(chuàng)建默認(rèn)間隔為50 m×50 m，用戶也可以根據(jù)實(shí)際情況自行修改。模型如圖2。

圖2 養(yǎng)分格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)模型Fig.2 Statistics model of nutrient

2.2 移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)端主要從用戶管理、地塊管理、信息錄入、土壤養(yǎng)分管理、施肥決策等5個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）用戶管理：一個(gè)農(nóng)場(chǎng)根據(jù)不同的工作分工，給予其相應(yīng)的系統(tǒng)操作權(quán)限，其中農(nóng)場(chǎng)主具有最大權(quán)限，其他工作人員的權(quán)限可由農(nóng)場(chǎng)主自主分配。例如給倉(cāng)庫(kù)管理或采購(gòu)人員，分配種子信息、肥料信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入和編輯的權(quán)限，給施肥工作人員，分配獲得施肥決策方案和導(dǎo)出施肥決策方案的權(quán)限。

（2）地塊管理：用戶在進(jìn)行養(yǎng)分管理和施肥方案決策時(shí)都是基于地塊進(jìn)行的，地塊管理主要實(shí)現(xiàn)用戶在移動(dòng)端對(duì)所屬地塊進(jìn)行矢量化以及對(duì)使用狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整的功能。在對(duì)地塊進(jìn)行矢量化時(shí)，用戶無(wú)需到野外獲取地塊的位置坐標(biāo)，系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)定位功能縮放至用戶位置，用戶通過(guò)移動(dòng)和縮放影像圖層，在影像上找到目標(biāo)地塊。然后按照以下3步完成采集：①粗采集：參考影像上地塊的位置和邊界，點(diǎn)擊移動(dòng)設(shè)備屏幕，通過(guò)將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)，在地圖上繪制出點(diǎn)擊位置的點(diǎn)，通過(guò)連續(xù)有序地點(diǎn)擊地塊各個(gè)邊界角，最終繪制出由所點(diǎn)擊點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的地塊矢量面；②精準(zhǔn)調(diào)整：手指觸摸屏幕采集點(diǎn)會(huì)有誤差，造成第一次點(diǎn)擊構(gòu)成的地塊面并不是完全與地塊重合，還需進(jìn)一步調(diào)整地塊面的節(jié)點(diǎn)，使其完全與地塊重合。其實(shí)現(xiàn)方法主要為拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)，將其坐標(biāo)從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置，或通過(guò)選擇節(jié)點(diǎn)，每次朝一個(gè)方向移動(dòng)一個(gè)屏幕單位的距離。矢量面更新對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為坐標(biāo)變動(dòng)后坐標(biāo)，重新構(gòu)建新的面，這樣可以通過(guò)縮放底圖和微調(diào)整讓地塊矢量面與地塊影像達(dá)到高度重合，從而保證精確度；③屬性錄入：在地塊矢量化完成后需將地塊屬性保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)以地理空間數(shù)據(jù)的形式保存到ArcGIS Server發(fā)布的要素服務(wù)中的圖層中。地塊屬性中的農(nóng)場(chǎng)ID繼承自用戶所屬農(nóng)場(chǎng)的ID，地塊ID通過(guò)時(shí)間自動(dòng)生成，地塊面積通過(guò)繪制的幾何面自動(dòng)計(jì)算，地塊名稱和土壤類型由用戶輸入。錄入完成的地塊可以進(jìn)行暫時(shí)停用、徹底刪除、恢復(fù)使用等操作。

（3）信息錄入：分為種子信息、肥料信息、播種方案的錄入和生產(chǎn)活動(dòng)的記錄。此步為農(nóng)場(chǎng)工作人員記錄管理農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)材料的詳細(xì)信息，這些信息錄入的參數(shù)大多為精準(zhǔn)施肥模型所需參數(shù)（具體需錄入的參數(shù)參照表1）。錄入完成后會(huì)將信息同步到服務(wù)端數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)農(nóng)場(chǎng)工作人員在地塊中進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)（除草、播種、施肥、灌溉等）時(shí)，可在系統(tǒng)中記錄生產(chǎn)活動(dòng)的類型、時(shí)間等，并可上傳保存現(xiàn)場(chǎng)工作照。

（4）土壤養(yǎng)分管理：對(duì)地塊的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行管理，分為采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)管理和養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)可視化2個(gè)功能。采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)管理為對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的添加、刪除和編輯。采樣點(diǎn)地理位置信息可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手機(jī)本身的定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取并自動(dòng)記錄，也可以手動(dòng)錄入經(jīng)緯度信息確定位置；而采樣點(diǎn)的土壤肥力信息可通過(guò)后續(xù)屬性錄入的方式記錄。養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)可視化模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成養(yǎng)分分布結(jié)果圖。

（5）施肥決策：用戶通過(guò)選擇施肥模型參數(shù)（地塊、播種方案、肥料種類、施肥時(shí)間等），服務(wù)端調(diào)用施肥決策模型計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)推薦施肥量，并將整個(gè)施肥方案返回給移動(dòng)端生成施肥方案矢量圖，用戶可查看每個(gè)格網(wǎng)矢量面的相關(guān)屬性：面積、肥料類別、施肥時(shí)間、經(jīng)緯度、推薦施肥量等。最終用戶可根據(jù)需要將施肥方案以shape文件格式或文本文件格式導(dǎo)出，提供給變量施肥機(jī)使用。具體流程如圖3所示（虛線框中為服務(wù)端流程）。

圖3 施肥決策流程Fig.3 Process of fertilization decision

3 應(yīng)用示例

該系統(tǒng)已在河南長(zhǎng)葛實(shí)驗(yàn)基地、河北藁城劉家莊基地和北京市農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行初步試用。

以北京市農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地為例，該試驗(yàn)田位于東經(jīng) 116°16′35″～116°16′43″，北緯 39°56′28″～39°56′38″，地屬華北平原，面積約 6.66 hm2。以小麥和玉米為主要實(shí)驗(yàn)對(duì)象，面積規(guī)模和種植作物都與家庭農(nóng)場(chǎng)相近。測(cè)試了從地塊采集、信息錄入、養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)管理到施肥方案獲取的一系列流程，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖4 地塊采集界面Fig.4 Interface of collection fields

圖5 信息錄入界面Fig.5 Interface of information input

圖6 養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)可視化Fig.6 View of nutrient data

圖7 施肥方案界面Fig.7 Interface of fertilization scheme

在試用過(guò)程中，各實(shí)驗(yàn)基地反饋良好，操作簡(jiǎn)單，功能實(shí)用。在農(nóng)田管理上，相對(duì)于傳統(tǒng)管理模式，工作效率顯著提升。同時(shí)，在保證產(chǎn)量穩(wěn)定（目標(biāo)產(chǎn)量8 250 kg/hm2）的前提下，以氮素施肥為例，相對(duì)傳統(tǒng)施肥方案的平均施氮259.8 kg/hm2，該系統(tǒng)生成的精確施肥方案平均施氮241.8 kg/hm2，節(jié)約純氮約18 kg/hm2，節(jié)約幅度約7%。

4 結(jié)論

家庭農(nóng)場(chǎng)和精準(zhǔn)施肥分別是目前我國(guó)大力推廣的農(nóng)業(yè)模式和施肥技術(shù)，該研究以家庭農(nóng)場(chǎng)為用戶對(duì)象，精準(zhǔn)施肥為重點(diǎn)需求，結(jié)合常用的施肥模型，集成移動(dòng)GIS實(shí)現(xiàn)了該農(nóng)田精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)，既繼承了電腦桌面端軟件所具有的GIS分析功能和可視化功能，又滿足了家庭農(nóng)場(chǎng)對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分管理與精準(zhǔn)施肥的需求。同時(shí)，該系統(tǒng)基于移動(dòng)設(shè)備研發(fā)，減少了對(duì)硬件設(shè)備的需求，使用方式更靈活、方便，相對(duì)于桌面端或Web端，對(duì)使用人員技術(shù)要求低，更利于系統(tǒng)普及，更適合目前中國(guó)家庭農(nóng)場(chǎng)的現(xiàn)狀。