基于WebGIS的安徽省小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建

丁文浩， 劉心怡， 陽小牙， 夏 川

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 安徽省北斗精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息工程實驗室， 安徽 合肥 230036； 4.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院， 安徽 合肥 230036)

赤霉病作為小麥主要防治對象，目前在世界主要糧食產(chǎn)區(qū)依舊沒有很有效的根治辦法[1]。小麥赤霉病不僅造成小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，而且赤霉病會在小麥籽粒中不斷繁殖生長，進(jìn)而在小麥籽粒中產(chǎn)生多種霉素，被人畜食用進(jìn)入體內(nèi)對生命健康造成嚴(yán)重威脅[2]。針對小麥赤霉病，學(xué)者們開展了大量的研究。2009年，Nicholson等[3]研究了赤霉病病原菌的分布和優(yōu)勢小種的生存受氣候的影響，證實了氣象條件對赤霉病發(fā)生有顯著的影響。2011年，James等[4]研究了氣候?qū)τ谛←湷嗝共〉挠绊?，?gòu)建了英國赤霉病發(fā)病率的預(yù)測模型。2013年，賈花萍[5]構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的量子優(yōu)化模型，分析了有關(guān)小麥赤霉病的發(fā)生率。2016年，姚衛(wèi)平等[6]以池州市小麥赤霉病為研究對象，建立回歸模型對上述因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，從而得到準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)與設(shè)計原則

1.1 系統(tǒng)總體框架

安徽省小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基于PHP開發(fā)平臺，使用Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，采用JavaScript等計算機(jī)語言，基于SOAP、HTTP協(xié)議，通過WebService技術(shù)[7-8]提供公共服務(wù)接口，建立了基于B/S架構(gòu)的Web服務(wù)和移動客戶端的雙模式、雙通道終端應(yīng)用。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對小麥赤霉病病害預(yù)測分析，為農(nóng)業(yè)專家提供了一種隨時、隨地、隨身的新型病害預(yù)測模式，為農(nóng)戶提供了方便快捷的病害信息服務(wù)[9-10]。此外，結(jié)合上述信息，可以針對性地為種植戶提供相應(yīng)的解決方案。整個系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)層主要為本平臺建立起一個“星型”數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中每名數(shù)據(jù)采集人員通過電腦、移動終端上報數(shù)據(jù)。目前，形成一個綜合數(shù)據(jù)庫，包括小麥赤霉病發(fā)生的時間、地區(qū)、病害程度等構(gòu)成的病害數(shù)據(jù)表，點(diǎn)、線、面現(xiàn)狀構(gòu)成的空間數(shù)據(jù)表，以及外部導(dǎo)入的氣象數(shù)據(jù)表等。

(2)應(yīng)用層主要面向植保人員和領(lǐng)域?qū)＜?。植保人員上報數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，系統(tǒng)通過地圖展示病害發(fā)生范圍及發(fā)生程度，通過圖表形式展示病害數(shù)據(jù)。領(lǐng)域?qū)＜覒?yīng)用系統(tǒng)平臺查詢各地上報數(shù)據(jù)，隨時了解各個地區(qū)的病害情況，有利于科學(xué)研究。同時，也可與植保人員進(jìn)行互動，提高各植保站的工作效率。

(3)表現(xiàn)層利用Web UI組件和用戶業(yè)務(wù)接口組件定制開發(fā)頁面，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行定向處理和特定展現(xiàn)。針對固定業(yè)務(wù)功能集合，開發(fā)移動客戶端，并以多樣形式展現(xiàn)給用戶。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

(1)技術(shù)先進(jìn)性。根據(jù)農(nóng)作物病害蟲害監(jiān)測工作的需要，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、WebService、Ajax架構(gòu)等先進(jìn)的信息技術(shù)來開發(fā)與設(shè)計安徽省小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并依據(jù)積累的測報數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，建立多種病害預(yù)測模型和方法，為主管部門和植保站的病害防治工作提供決策支持和參考服務(wù)[11-12]。

(2)規(guī)范性。病害數(shù)據(jù)采集按照統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計數(shù)據(jù)的類型和格式，氣象數(shù)據(jù)直接由安徽省氣象觀測站提供，保障了數(shù)據(jù)的規(guī)范性和代表性。

(3)實用性。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰，系統(tǒng)界面美觀，系統(tǒng)維護(hù)簡單方便，數(shù)據(jù)源易于更新，滿足赤霉病病害監(jiān)測工作。

(4)通用性。本系統(tǒng)是針對安徽省小麥赤霉病的具體情況開發(fā)設(shè)計的，對別的省市可以通用，只需要收集省市各植保站的病害信息等數(shù)據(jù)源即可。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

安徽省小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要模塊分為信息顯示子系統(tǒng)和后臺管理子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 安徽省小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要模塊

(1)信息顯示子系統(tǒng)分為WebGIS展示系統(tǒng)和分析預(yù)測系統(tǒng)。WebGIS展示系統(tǒng)可以直觀查看赤霉病發(fā)病的地區(qū)及發(fā)病程度，并且可以在地圖上進(jìn)行地區(qū)選擇、位置導(dǎo)航等操作。分析預(yù)測系統(tǒng)可以對不同地區(qū)小麥赤霉病的發(fā)病程度進(jìn)行預(yù)測并且以圖表的形式展現(xiàn)出來，讓用戶有很直觀的感受。

(2)后臺管理子系統(tǒng)包括用戶及管理人員的相關(guān)信息并以圖表的形式進(jìn)行展示，方便后期對其進(jìn)行操作管理，還包括系統(tǒng)的相關(guān)信息方便使用者查看。

2.2 主要系統(tǒng)功能實現(xiàn)

WebGIS的功能設(shè)計其核心功能就是地圖展示。地圖往往被廣泛應(yīng)用于許多具有全球衛(wèi)星定位功能的設(shè)備，且結(jié)合服務(wù)器端的路徑運(yùn)算可以完成路徑規(guī)劃以及地理坐標(biāo)獲取等復(fù)雜運(yùn)算。電子地圖的實現(xiàn)依賴計算機(jī)技術(shù)，數(shù)據(jù)的存儲、查找、計算等均由計算機(jī)完成，執(zhí)行數(shù)字化的命令。電子地圖儲存的地理位置信息數(shù)據(jù)通常是矢量圖，借助矢量圖可以實現(xiàn)等比擴(kuò)大或縮小地圖，以及從正北到任意角度的旋轉(zhuǎn)操作，且多次放大仍不模糊。隨著地理信息系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，這項技術(shù)在許多領(lǐng)域也日漸成熟。電子地圖的組成部分主要包括背景部分、道路線條、地圖之上的標(biāo)準(zhǔn)信息以及POI。此外，部分商業(yè)電子地圖還會根據(jù)用戶需求推出一系列新奇實用的功能，例如三維地圖等。在實用性方面，電子地圖已經(jīng)具備位置信息獲取、測距、導(dǎo)航以及地標(biāo)檢索等功能。此外，電子地圖可以對傳統(tǒng)地圖進(jìn)行圖層的疊加，通過多種方式對地圖中的要素進(jìn)行重新組合，以方便用戶使用，且效率較高，能夠節(jié)約用戶的時間。通過將衛(wèi)星影像與實際地圖相結(jié)合的方式作圖，可以直觀地反映出某一區(qū)域的具體情況，并可以進(jìn)行等高線標(biāo)注等輔助測繪工作[13]。

針對安徽省小麥赤霉病的數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用熱力圖來表現(xiàn)這一情況。熱力圖是一種統(tǒng)計圖表，用以表示在某一特定區(qū)域內(nèi)某些特定點(diǎn)的密集程度。密集程度越高，其顏色就更加趨向于紅色，而密集程度較低的區(qū)域，其顏色就更加趨向于綠色或無色。由此，可以在視覺上形成直觀印象，使得用戶能夠感知到某些特定點(diǎn)的密集程度。使用Leaflet的heatLayer即可完成熱力圖的顯示操作，展示效果如圖3所示。

圖3 安徽省小麥赤霉病熱力圖展示

本系統(tǒng)主要采用谷歌地圖API完成信息的初步顯示，可以執(zhí)行的功能包括：

(1)對地圖顯示的操作，主要包括地圖的放大、縮小、移動、全覽、鳥瞰等功能。此外，可以對其他疊加圖層是否顯示進(jìn)行調(diào)整，可以對病害等級圖層是否顯示、病害專題圖層是否顯示進(jìn)行調(diào)整。這些操作均是通過觸發(fā)相應(yīng)的點(diǎn)擊事件來執(zhí)行的。

(2)選擇地域，將提供下拉菜單供用戶選擇，同時有日期選取器可以供用戶指定日期，之后通過“提交”將選擇的信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器收到用戶填寫的表單后即開始相應(yīng)的運(yùn)算處理工作，最后會將運(yùn)算結(jié)果重新發(fā)送給客戶端，在客戶端上進(jìn)行顯示。對于下拉列表，可以從中選擇對應(yīng)的區(qū)域。選擇之后，被選中的城市就會高亮顯示。

(3)導(dǎo)航模塊主要是為用戶找尋某一特定位置提供便利條件，使得用戶無需在電子地圖上頻繁放大縮小，只要輸入相應(yīng)的信息開展搜索即可令地圖實現(xiàn)定位。地名搜索的API有很多，可以直接使用，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的展示效果。

分析預(yù)測系統(tǒng)主要采用圖表信息的顯示。該部分可以操作不同類型圖表的顯示情況，主要有圖表顯示和對比。其中，圖表顯示是將所有的數(shù)據(jù)用圖表的方式統(tǒng)一展示給用戶，較為直接也更加全面。并且可直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)以獲取預(yù)測值，并將預(yù)測值以圖表的形式展示出來，更加形象。小麥赤霉病數(shù)據(jù)查詢預(yù)測界面如圖4所示。

圖4 信息展示界面

3 結(jié) 語

赤霉病是小麥的主要病害之一，安徽省作為小麥的主要產(chǎn)區(qū)之一，一直深受小麥赤霉病的困擾。近年來，受氣候、栽培方式和栽培習(xí)慣變化等外部因素影響，小麥赤霉病在安徽省的發(fā)病范圍和發(fā)病程度有逐年擴(kuò)大和加重的趨勢。加強(qiáng)對小麥赤霉病的監(jiān)測預(yù)警，構(gòu)建信息化、現(xiàn)代化的小麥赤霉病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，是提高監(jiān)測預(yù)警和防控指導(dǎo)服務(wù)能力，確保糧食安全，確保農(nóng)民增收的重要方式。