測土配方施肥輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)

李永浩 王魯 王翔宇

摘? 要：測土配方施肥在我國農(nóng)作物種植方面發(fā)揮著重要作用，基于Eclipse平臺，運用Java語言和WebGIS技術(shù)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫，并引入相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了測土配方施肥輔助決策系統(tǒng)。由Android移動端和PC端組成，通過采用改進的克里金插值算法處理采樣點的土壤養(yǎng)分信息以獲取更多數(shù)據(jù)，通過GPS定位技術(shù)獲取位置信息，并通過Web Service技術(shù)從服務(wù)器遠(yuǎn)程獲取土壤養(yǎng)分信息。根據(jù)用戶對不同作物產(chǎn)量的需求，制定出合理的施肥建議，為種植戶提供輔助決策，實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。

關(guān)鍵詞：WebGIS;測土配方施肥;克里金插值法;移動開發(fā)技術(shù);作物產(chǎn)量模型

中圖分類號：TP391.7;S147.2? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0030-03

Abstract：Soil testing and formula fertilization play an important role in crop planting in China，based on Eclipse platform，using Java language and WebGIS technology，using MySQL database，and introducing related data processing technology，a decision-making system of soil testing formula fertilization is designed and developed. It is composed of Android mobile terminal and PC terminal. The improved Kriging interpolation algorithm is used to process the soil nutrient information of sampling points to obtain more data，GPS positioning technology is used to obtain the location information，and Web Service technology is used to obtain the soil nutrient information from the server remotely. According to the needs of users for different crop yields，make reasonable fertilization suggestions，provide auxiliary decision-making for growers，and achieve accurate fertilization.

Keywords：WebGIS;soil testing formula fertilization;Kriging interpolation;mobile development technology;crop yield model

0? 引? 言

農(nóng)業(yè)能夠為人們帶來生活的必需用品，帶動生產(chǎn)生活資料的發(fā)展，因此勢必要提高土地產(chǎn)量。提高產(chǎn)量最主要的辦法就是調(diào)整土壤中各個養(yǎng)分的含量分布，使其更適合作物的生長。測土配方就是以土壤的養(yǎng)分含量的測量和施肥實驗為根本，進而通過結(jié)合農(nóng)作物的需肥和施肥規(guī)律、土壤的保肥能力以及供肥能力來合理施肥使作物產(chǎn)量提高的一種方法，因此測土配方對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，減少農(nóng)戶的不必要支出以及減少農(nóng)業(yè)因施肥而帶來的土壤污染和環(huán)境的污染具有非常重要的影響作用[1]。

1? 需求分析

1.1? 功能需求分析

本研究基于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)關(guān)于測土配方施肥的研究，目標(biāo)為綜合運用WebGIS、Andriod、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，克里金插值算法、測土配方施肥技術(shù)等技術(shù)，用來開發(fā)研究更全面更科學(xué)的測土配方施肥系統(tǒng)。與傳統(tǒng)施肥系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)的包括移動端和PC端兩個終端，使用移動端查詢更方便快捷，使用PC端可以進行更細(xì)致的查詢。通過獲取目標(biāo)地區(qū)的土壤養(yǎng)分含量，選擇要種植的作物，將目標(biāo)產(chǎn)量和養(yǎng)分含量信息帶入作物產(chǎn)量模型，從而獲得施肥意見，實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。改進了以往的插值算法，采用兩次插值算法，先通過土肥站獲得的一些基本點進行一次插值，獲得土壤養(yǎng)分信息排布的大致規(guī)律圖，二次插值用于用戶想要精準(zhǔn)查詢某一地塊的土壤養(yǎng)分信息時，會根據(jù)距離一次插值點最近的兩個點進而二次插值，得到目標(biāo)查詢地點更為準(zhǔn)確的土壤養(yǎng)分含量。讓最后得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確，促進施肥水平和技術(shù)的提高。減少了肥料的施用量，增加了利用效率，更能減少因施肥帶來的環(huán)境污染，減少了農(nóng)戶的成本，促進了農(nóng)業(yè)的信息化、精確化發(fā)展[2]。

1.2? 技術(shù)路線

1.2.1? 設(shè)計路線

首先通過土肥站得到采樣點的土壤養(yǎng)分信息，采用克里金插值算法，獲取整個區(qū)域的土壤養(yǎng)分柵格數(shù)據(jù)，然后建立數(shù)據(jù)庫，用來存儲土壤養(yǎng)分信息。系統(tǒng)分為前端用戶端和后臺數(shù)據(jù)庫端，后臺數(shù)據(jù)庫端通過Web Service與前臺用戶端實現(xiàn)連通，結(jié)合移動端和PC端，借助WebGIS里的功能來逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能。用戶先通過定位確定所在地的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，因第一次插值分布點不夠細(xì)致，故采用第二次插值，對距離目標(biāo)所在地最近的幾個點進行第二次插值，使獲取的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，用戶選擇要種植的作物（例如小麥、玉米、大豆），根據(jù)數(shù)據(jù)庫中土壤養(yǎng)分含量分布，選擇該作物目標(biāo)產(chǎn)量，將數(shù)據(jù)帶入作物產(chǎn)量模型中，來制定出更為合理的施肥決策和意見[3]。從而完成測土配方施肥的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，實現(xiàn)了土壤養(yǎng)分含量隨地區(qū)分布的數(shù)據(jù)的共享，使農(nóng)業(yè)更加現(xiàn)代化、信息化、智能化，從而促進了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1.2.2? 數(shù)據(jù)處理

本文采用的插值方法為克里金插值法，其插值法是通過建立一系列的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，通過對已經(jīng)給定的空間來擬合并估算單元格的值，用來生成柵格數(shù)據(jù)庫，其算法結(jié)果相比其他插值算法更為精準(zhǔn)，本文通過二次引用可以使結(jié)果更準(zhǔn)確[4]。

本實驗從土肥站獲取土壤養(yǎng)分含量信息（包括各種有機質(zhì)、氮磷鉀及土壤pH值等），使用ArcGIS中的克里金插值法來對其數(shù)據(jù)進行插值處理，進而生成土壤養(yǎng)分的圖層信息，一次插值可使數(shù)據(jù)點均勻地分布在所查地區(qū)，由于一次插值分布點不夠精確[5]。因此可在一次插值基礎(chǔ)上，對分布點進行二次插值，使結(jié)果精確到要查詢的某個點的土壤養(yǎng)分信息，獲得所需點更準(zhǔn)確的養(yǎng)分信息。通過對給定的某一固定空間來進行擬合估算單元格的值，生成柵格數(shù)據(jù)庫。

1.2.3? 數(shù)據(jù)存儲

本文使用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，將上一步生成的柵格數(shù)據(jù)存儲到MySQL的數(shù)據(jù)庫中，為保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)具有空間特性，應(yīng)將信息的行信息和列信息位置一并存儲到數(shù)據(jù)表中[6]。

系統(tǒng)總數(shù)據(jù)庫中包括土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫和輔助決策數(shù)據(jù)庫兩個子數(shù)據(jù)庫，土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫主要包含通過插值獲取到的不同位置的土壤養(yǎng)分信息。

通過將數(shù)據(jù)庫中的土壤養(yǎng)分信息和目標(biāo)產(chǎn)量帶入模型即可獲得施肥建議及分析數(shù)據(jù)。

2? 系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，視圖層為PC端的用戶和移動端Android用戶，Web、GIS服務(wù)層為Web Service和GIS Service，數(shù)據(jù)層即為后臺數(shù)據(jù)庫，用來存儲數(shù)據(jù)，如圖1所示。

進行數(shù)據(jù)查詢時，表現(xiàn)層中的PC端口通過系統(tǒng)的查詢接口查詢目標(biāo)地區(qū)的經(jīng)緯度，通過服務(wù)層中的Web Service和GIS Service來訪問數(shù)據(jù)庫中的土壤養(yǎng)分信息庫，進而反饋給PC端口，其中運行在服務(wù)器上的PC端口通過Web Service服務(wù)端口將信息傳遞給用戶。移動端口不同于PC端口，是通過GIS定位來實現(xiàn)獲取手機當(dāng)前所在地的經(jīng)緯度，然后通過GIS服務(wù)層訪問到數(shù)據(jù)庫，反饋給移動端用戶當(dāng)前所在地的土壤養(yǎng)分信息。PC端通過網(wǎng)頁，移動端通過APP，輸入目標(biāo)產(chǎn)量，然后結(jié)合要查詢地的土壤養(yǎng)分信息，提供給用戶合理的施肥意見和建議。

本系統(tǒng)分為移動端和PC端兩個部分，由于移動端是使用APP的形式，因此要添加定位模塊。

2.2? 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

本系統(tǒng)分為兩個客戶端，除后臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能有所不同，配方施肥決策功能是一致的。一個系統(tǒng)分為后臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫模塊和前臺用戶功能模塊，后臺數(shù)據(jù)庫主要包括管理員信息認(rèn)證、LBS+GPS移動端定位、查詢點數(shù)據(jù)獲取以及獲取施肥方案。前臺用戶功能主要包括具體數(shù)據(jù)查詢、具體施肥意見、圖片下載、地理信息數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)更新與維護、問題咨詢、系統(tǒng)幫助。移動端相較于PC端后臺數(shù)據(jù)庫模塊多了LBS+GPS移動端定位功能，其余均相同。移動端和PC端登錄的管理員信息是互通的，如圖2所示。

其中，后臺數(shù)據(jù)庫模塊包括：

（1）管理員信息認(rèn)證：由于系統(tǒng)使用的對象不同，以及出于系統(tǒng)的安全性考慮，會有不同的權(quán)限，且移動端和PC端可同時登錄一個賬戶。

（2）LBS+GPS移動端定位：該模塊主要是通過調(diào)用Android手機上集成的GPS模塊從而獲取手機當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度，進而實現(xiàn)手機的定位，從而對當(dāng)?shù)氐耐寥鲤B(yǎng)分信息進行分析，進一步給出意見。

（3）查詢點數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^土肥站先獲取采樣點的地理數(shù)據(jù)信息，第一次克里金插值算法，分成若干個點使數(shù)據(jù)均勻地分布在查詢區(qū)域。由于用戶所查詢點可能不在第一次插值分布點上，則取距離與想要測點最近的兩個點，通過二次克里金插值算法，來科學(xué)地計算出所測地的土壤養(yǎng)分含量信息。Web Service相當(dāng)于一個中間介質(zhì)，用來將用戶的需求傳遞給數(shù)據(jù)庫，然后再將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)反饋給用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢與瀏覽。

（4）獲取施肥方案：根據(jù)上一步服務(wù)器反饋給用戶的數(shù)據(jù)，經(jīng)對不同目標(biāo)作物產(chǎn)量模型進行計算，來得到需要的施肥量，從而幫助用戶給出合理的施肥意見。

前臺用戶功能模塊包括：

（1）具體數(shù)據(jù)查詢：土壤養(yǎng)分信息查詢是通過輸入要查詢地區(qū)或點擊要查詢的土壤類型，首先要讀取到后臺數(shù)據(jù)庫中土壤的養(yǎng)分含量信息，然后將查詢申請轉(zhuǎn)換成SQL語言在數(shù)據(jù)庫中進行查詢遍歷，尋找最匹配的點，然后通過將各個營養(yǎng)成分的表格傳輸?shù)絇C端的網(wǎng)頁或者移動端的APP。具體包括：

1）移動端是通過GPS或者基站定位來獲取移動端所在地區(qū)的經(jīng)緯度，然后以當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度作為參數(shù)傳遞到Web Service進行數(shù)據(jù)查詢，然后在通過Web Service傳遞回移動端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢。Web起到了在Android和MySQL數(shù)據(jù)庫之間信息傳遞的橋梁作用。

2）PC端系統(tǒng)的查詢功能主要是通過工具中的信息查詢功能選擇想要查詢的地區(qū)實現(xiàn)的。

（2）具體施肥意見：是測土配方施肥決策功能是在土壤中養(yǎng)分含量查詢的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)的，使用的是目標(biāo)產(chǎn)量法，即當(dāng)用戶通過養(yǎng)分查詢功能查詢到想要查詢土壤的養(yǎng)分信息之后，若欲種植小麥、玉米、大豆，應(yīng)先將其養(yǎng)分信息及目標(biāo)產(chǎn)量帶入作物的產(chǎn)量模型中，移動端通過APP，PC端通過網(wǎng)頁將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，然后經(jīng)服務(wù)器來引用目標(biāo)產(chǎn)量施肥模型建立的系統(tǒng)函數(shù)，計算出施肥量，并將土壤養(yǎng)分和施肥信息傳輸?shù)奖碇校ㄟ^表的形式最后反饋給用戶施肥建議。

（3）圖片下載：該功能主要是提供土壤的氮、磷、鉀等有機含量的空間分布圖的下載。這些分布圖會以圖片的形式存儲在服務(wù)器上，當(dāng)用戶提交瀏覽下載的申請后，Web服務(wù)器端將會把圖片的訪問地址嵌入到HTML中，進而展現(xiàn)在用戶面前，供PC端和移動端的用戶下載。

（4）地理信息數(shù)據(jù)瀏覽：功能主要包括放大，縮小，平移等功能，也是WebGIS比較常用的幾個功能，其中的放大和縮小是由兩種方式組成，第一種是固定倍數(shù)的整體方法縮小，適用于瀏覽整體地圖的放縮，第二種是規(guī)定局部自己選擇倍數(shù)的放縮，這樣更具有局部性，平移則是通過點擊地圖，拖動鼠標(biāo)來實現(xiàn)地圖的平移，選擇自己想要查詢的地區(qū)[7]。

（5）數(shù)據(jù)的更新與維護：如果某地區(qū)耕作久了，土壤里的養(yǎng)分含量肯定會有變化，當(dāng)土壤數(shù)據(jù)變化時，需要更新最新的土壤數(shù)據(jù)來給用戶提供最新最準(zhǔn)確的施肥意見。

（6）問題咨詢：用于為用戶提供咨詢問題的渠道，移動端可點擊該功能通過向發(fā)送惠農(nóng)平臺短信的形式進行問題咨詢，PC端可通過惠農(nóng)平臺網(wǎng)上人工客服進行咨詢。

（7）系統(tǒng)幫助：通過介紹該系統(tǒng)的各個功能的用途和使用方法，方便用戶了解使用。

3? 結(jié)? 論

本測土配方施肥系統(tǒng)通過與移動端和PC端的綜合運用，通過對Android技術(shù)、Web網(wǎng)頁技術(shù)、MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)、克里金插值算法、測土配方施肥技術(shù)以及WebGIS技術(shù)等的合理綜合運用，實現(xiàn)了用戶通過移動端的APP和PC端的網(wǎng)頁對當(dāng)?shù)赝恋仞B(yǎng)分信息的處理和查詢，并通過當(dāng)?shù)氐耐寥鲤B(yǎng)分信息以及適合種植什么作物給用戶提供科學(xué)的決策意見和分析，為用戶提供科學(xué)的施肥意見和建議。從而提高作物的產(chǎn)量，減少對環(huán)境的污染，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

參考文獻：

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作者簡介：李永浩（1995-），男，漢族，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)業(yè)信息化;通訊作者：王魯（1981-），男，漢族，山東泰安人，副教授，博士研究生，主要研究方向：機器學(xué)習(xí)與智能計算;王翔宇（1995-），男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。