基于云GIS 的食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹林江 ，周忠發(fā)，黃登紅，彭睿文，張 淑，張文輝

（1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活品質(zhì)在不斷提高，對(duì)各類農(nóng)產(chǎn)品和食品的安全問題也越來越重視。但食品安全事故不斷發(fā)生，以農(nóng)業(yè)的面源污染和土壤的重金屬污染為代表的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全問題尤為突出，以鎘大米和毒生姜為代表的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題日益凸顯，不斷出現(xiàn)食品安全事件也為人們敲響了警鐘。

食用菌味美且營養(yǎng)豐富，被廣大消費(fèi)者所青睞。隨著我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在國家政策的大力扶持下，現(xiàn)代農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到了有效的調(diào)整。食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年產(chǎn)量和總產(chǎn)值不斷提升，出口量占世界食用菌貿(mào)易總量的50%。但我國食用菌安全問題仍然沒有得到良好的解決，由于食用菌制種和栽培的環(huán)境特殊，其質(zhì)量安全主要受農(nóng)藥施用情況、基質(zhì)、覆土和水中重金屬含量以及食用菌自身代謝等的影響，導(dǎo)致食用食用菌存在一定的安全隱患。因此，開展食用菌質(zhì)量安全評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)了解食用菌中主要污染物及有害因子的污染水平及發(fā)展趨勢(shì)，確定危害因子的具體來源和分布范圍，掌握食用菌質(zhì)量安全現(xiàn)狀，確保食用菌質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)受控和可持續(xù)健康發(fā)展則尤為重要。

貴州省作為我國的貧困大省，扶貧攻堅(jiān)一直是工作的重中之重。而食用菌作為一個(gè)技術(shù)門檻低、市場(chǎng)前景好、營養(yǎng)價(jià)值豐富的產(chǎn)業(yè)，被貴州省列為農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、脫貧攻堅(jiān)的“五大”發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一，得到長(zhǎng)足發(fā)展。根據(jù)貴州食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，針對(duì)當(dāng)前食用菌中重金屬含量問題突出等實(shí)際情況，本文以ArcEngine二次開發(fā)為基礎(chǔ)，以WebGIS 和遙感為技術(shù)支撐，以C#和JaveScript 為開發(fā)語言，建立食用菌質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估空間數(shù)據(jù)庫和食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)，以期為食用菌產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供質(zhì)量安全評(píng)估技術(shù)支持，為推進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)健康、快速和裂變發(fā)展，努力促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)質(zhì)量更高、效益更好、競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，服務(wù)于脫貧攻堅(jiān)中產(chǎn)業(yè)扶貧重要決策部署提供有力科技支撐。

1 設(shè)計(jì)思路

食用菌含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、礦質(zhì)元素以及高分子多糖、核酸降解物、三萜類化合物等生物活性物質(zhì)，不僅營養(yǎng)豐富，還具有極高的藥用、保健價(jià)值。食用菌作為健康食材已成為一種消費(fèi)趨勢(shì)。2017 年貴州省出臺(tái)了《貴州省發(fā)展食用菌產(chǎn)業(yè)助推脫貧攻堅(jiān)三年行動(dòng)方案（2017—2019 年）》，以深入貫徹綠色發(fā)展理念，深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，以“強(qiáng)龍頭、擴(kuò)規(guī)模、廣覆蓋、促增收”為目標(biāo)，大力發(fā)展特色珍稀食用菌和優(yōu)勢(shì)大宗食用菌，積極發(fā)展野生食用菌，突出產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量安全。當(dāng)前食用菌中重金屬含量問題突出，嚴(yán)重影響了貴州省的可持續(xù)發(fā)展。而地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS 技術(shù)）具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、空間分析和輸出等多種功能，在資源與環(huán)境應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

因此，本文以GIS 相關(guān)技術(shù)為支撐，構(gòu)建食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可開展食用菌發(fā)展規(guī)劃區(qū)質(zhì)量安全普查；同時(shí)開展食用菌重金屬溯源與阻控關(guān)鍵技術(shù)研究，及貴州特色與大宗食用菌的特征品質(zhì)挖掘研究，加快食用菌質(zhì)量安全評(píng)價(jià)及大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)，確保廣大人民群眾“舌尖上的安全”；開展大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，拓展社會(huì)化監(jiān)測(cè)信息采集和融合應(yīng)用，支撐食用菌質(zhì)量安全現(xiàn)狀精細(xì)化分析和實(shí)時(shí)可視化表達(dá)，增強(qiáng)食用菌質(zhì)量趨勢(shì)分析和質(zhì)量安全管理能力，為食用菌質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)、管理和執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支持。

2 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)快速便捷訪問、數(shù)據(jù)處理和快速應(yīng)用部署的云GIS 平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以穩(wěn)定可靠、安全和可擴(kuò)展等為原則，采用SOA 多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，以O(shè)racle 數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)，融合動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）、組件對(duì)象模型（COM）及.NET 反射機(jī)制于一體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層等4 個(gè)層次的構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)運(yùn)行的基本保障，是食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)構(gòu)建、運(yùn)行和服務(wù)的基本條件，主要包括基礎(chǔ)硬件和軟件兩部分。其中基礎(chǔ)硬件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括大容量磁盤陣列存儲(chǔ)設(shè)備、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、主機(jī)、服務(wù)器以及其他相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)備?；A(chǔ)軟件設(shè)備主要包括Windows Server 操作系統(tǒng)、VMware vSphere 虛擬平臺(tái)軟件、ArcGIS、ArcGIS Server 和Oracle數(shù)據(jù)庫等。

數(shù)據(jù)資源層是管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是各種數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理的場(chǎng)所，其數(shù)據(jù)來源有行政區(qū)劃、交通、水系、地形地貌、覆蓋全省的空間底圖矢量數(shù)據(jù)以及食用菌生產(chǎn)和生長(zhǎng)相關(guān)的地理信息要素，另外還包括食用菌采集和檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如食用菌重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)、食用菌農(nóng)殘檢測(cè)數(shù)據(jù)、食用菌鮮品檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)栽培基質(zhì)重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)、土壤檢測(cè)重金屬含量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)用水檢測(cè)重金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)等，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

服務(wù)層是系統(tǒng)的核心，執(zhí)行和處理應(yīng)用層的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，支撐著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口服務(wù)、用戶數(shù)據(jù)的瀏覽和管理服務(wù)、GIS 服務(wù)和Web 應(yīng)用服務(wù)。其中GIS 服務(wù)部分主要用于處理客戶端對(duì)食用菌相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、管理、可視化分析、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析以及用戶的權(quán)限管理等，除此之外還包括食用菌質(zhì)量安全數(shù)據(jù)集成發(fā)布的空間數(shù)據(jù)服務(wù)和功能擴(kuò)展服務(wù)等。而Web 應(yīng)用服務(wù)則可以用于食用菌數(shù)據(jù)的查詢、專題展示、統(tǒng)計(jì)分析和權(quán)限管理等。由于傳統(tǒng)的Web 應(yīng)用服務(wù)器難以實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的處理，因此本系統(tǒng)選擇ArcGIS Server 對(duì)遙感計(jì)算模型和地理計(jì)算模型封裝打包，進(jìn)行服務(wù)資源的發(fā)布。實(shí)現(xiàn)有地圖、要素、地理編碼以及網(wǎng)絡(luò)分析等信息服務(wù)的發(fā)布和管理。

應(yīng)用層主要針對(duì)個(gè)性化的地理信息定制服務(wù)應(yīng)用、食用菌質(zhì)量安全管控、采樣管理和電子政務(wù)等。通過可視化的應(yīng)用界面，為管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和相關(guān)監(jiān)測(cè)等服務(wù)。除此之外，系統(tǒng)通過OGC 標(biāo)準(zhǔn)和REST 服務(wù)，為用戶提供電子政務(wù)的應(yīng)用接口，方便其進(jìn)行食用菌相關(guān)政策和信息的查詢。

數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，其體系設(shè)計(jì)的優(yōu)劣在一定程度上影響著系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用、存儲(chǔ)和分析。結(jié)合前人對(duì)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)研究，對(duì)不同內(nèi)容、不同格式、不同規(guī)范的食用菌相關(guān)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形地貌、歷史數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等空間地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，按照規(guī)范進(jìn)行對(duì)象化處理后，采用工具軟件批量檢查和人工檢查相結(jié)合的方法對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行百分之百入庫檢查，將各種數(shù)據(jù)入庫。根據(jù)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選用ArcSDE 來管理空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫實(shí)體存放于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle 10g 中，由Oracle 管理底層數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE 訪問數(shù)據(jù)庫，并提供相應(yīng)的客戶端應(yīng)用。ArcSDE 采用GeoDatabase 數(shù)據(jù)模型，利用RDBMS 存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)，提供快速的數(shù)據(jù)查詢和顯示功能。ArcSDE 與RDBMS 協(xié)同工作，提供了空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和管理的解決方案。其中，RDBMS 負(fù)責(zé)在關(guān)系表中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，ArcSDE 則負(fù)責(zé)為前端的GIS 應(yīng)用解釋數(shù)據(jù)表中的這些數(shù)據(jù)，前端的GIS 應(yīng)用負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)需要表現(xiàn)這些由ArcSDE 解釋的數(shù)據(jù)。

食用菌質(zhì)量安全評(píng)估空間數(shù)據(jù)庫的建立主要是為食用菌質(zhì)量安全評(píng)估提供空間地理信息數(shù)據(jù)。技術(shù)實(shí)施包括基于GeoDatabase 數(shù)據(jù)模型的空間數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫體系接口設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)入庫策略、數(shù)據(jù)庫集成管理功能設(shè)計(jì)等。其數(shù)據(jù)庫體系包括6 個(gè)部分：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、食用菌專題信息數(shù)據(jù)庫、食用菌品質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫、社會(huì)環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫、資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫、用戶信息數(shù)據(jù)庫，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)庫建立

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于C/S 與B/S 技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。C/S 架構(gòu)由服務(wù)器和客戶機(jī)兩部分組成。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)。C/S 架構(gòu)具有交互性強(qiáng)、存取模式安全、響應(yīng)速度快和利于處理大量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，但缺少通用性，系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)需要重新設(shè)計(jì)和開發(fā)，增加了維護(hù)和管理的難度，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)拓展困難較多。而B/S 架構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是總體擁有成本低、維護(hù)方便、分布性強(qiáng)、開發(fā)簡(jiǎn)單，可以不用安裝任何專門的軟件就能實(shí)現(xiàn)在任何地方進(jìn)行操作，客戶端零維護(hù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。因此食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)面向服務(wù)架構(gòu)，通過WebService 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交流與信息共享，采用B/S 與C/S 混合開發(fā)模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)外部集成，同時(shí)根據(jù)平臺(tái)提供的服務(wù)和接口定制專業(yè)的GIS 應(yīng)用軟件。

3.1 C/S 架構(gòu)表現(xiàn)層

食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)C/S 端采用ArcEngine 與Microsoft Visual Studio 開 發(fā) 模 式，以MapControl 與PageLayoutControl 控件調(diào)用空間數(shù)據(jù)，通過IMapServerRESTLayer 接口訪問REST 獲取服務(wù)和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道形式，降低食用菌相關(guān)數(shù)據(jù)集群服務(wù)器的運(yùn)算量和減小網(wǎng)絡(luò)通信壓力。C/S 開發(fā)表現(xiàn)層如圖2所示。

圖2 C/S 開發(fā)表現(xiàn)層

C/S 架構(gòu)主要功能如下：

1）查詢統(tǒng)計(jì)：通用GIS 功能設(shè)計(jì)。提供形象直觀、易操作的使用功能，包括地圖的放大、縮小、漫游、顯示全圖、測(cè)量、清除、三維展示等功能；多級(jí)查詢功能設(shè)計(jì)，按行政區(qū)（省、市/州、縣）多尺度進(jìn)行食用菌普查數(shù)據(jù)查詢，查詢結(jié)果可以圖表等多種方式展示；統(tǒng)計(jì)匯總功能設(shè)計(jì)，按統(tǒng)計(jì)類型、統(tǒng)計(jì)的類別等條件進(jìn)行食用菌普查信息數(shù)據(jù)分類匯總統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以圖表等多種方式展示。

2）專題分析：依托地理大數(shù)據(jù)相關(guān)挖掘技術(shù)，構(gòu)建食用菌質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，通過數(shù)據(jù)混合交叉分析、多維度的探索式分析，科學(xué)評(píng)估農(nóng)藥殘留風(fēng)險(xiǎn)、重金屬殘留風(fēng)險(xiǎn)等食用菌質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，為管理部門開展食用菌規(guī)劃提供決策支持。

C/S 架構(gòu)的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法主要為MCA法，其他評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)公式如表2 所示，通過GIS二次開發(fā)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

表2 質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法應(yīng)用于食用農(nóng)產(chǎn)品，中風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)人體暴露評(píng)估的原理與過程主要為：

①構(gòu)建一個(gè)隨機(jī)過程或分布進(jìn)行敏感性分析，使農(nóng)藥、重金屬對(duì)人體暴露概率值是該分布或隨機(jī)過程的參數(shù)或數(shù)學(xué)期望；

②對(duì)模型進(jìn)行觀察或抽樣檢驗(yàn)，經(jīng)過無數(shù)次迭代產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，以此最終獲取所求結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征；

③求出解的近似值（可用均值、95th 分位點(diǎn)、99th分位點(diǎn)來表征），并根據(jù)需要合理表達(dá)；

④對(duì)概率分布參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，以便于概率分布的修正。

以上述方法為基礎(chǔ)，運(yùn)用C#等相關(guān)開發(fā)語言對(duì)質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和封裝，以此實(shí)現(xiàn)食用菌的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3）制圖輸出與管理：具備食用菌資源及質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的各類專題圖件制圖與輸出，提供按照行政區(qū)、圖幅、任意范圍的任意比例尺輸出功能。

4）標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口：聚合食用菌普查專題數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，采用OGC 標(biāo)準(zhǔn)，為相關(guān)許可的信息化平臺(tái)提供基礎(chǔ)底圖接口服務(wù)。

5）系統(tǒng)維護(hù)管理：對(duì)不同使用用戶設(shè)置不同的操作權(quán)限的管理，對(duì)不同級(jí)別的部門添加用戶和角色，每個(gè)角色可擁有不同的操作權(quán)限。

C/S 端平臺(tái)主要功能圖如圖3 所示。

圖3 C/S 端平臺(tái)主要功能圖

3.2 B/S 架構(gòu)表現(xiàn)層

WebGIS 是傳統(tǒng)GIS 在網(wǎng)絡(luò)上的延伸和發(fā)展，具有跨平臺(tái)、易于集成和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。由此B/S 端以WebGIS 技術(shù)為基礎(chǔ)，采用FlexViewer 框架和Adobe Flash Builder 的開發(fā)方式，以JaveScript 為開發(fā)語言，并基于XML 的MXML 來豐富用戶界面，使得界面美觀，用戶操作簡(jiǎn)便舒適?；贏rcGIS Server REST 服務(wù)，依托瀏覽器FLASH 插件運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)地圖的放大、縮小、鷹眼、漫游以及專題數(shù)據(jù)的調(diào)用等功能，有效縮短開發(fā)周期。除了對(duì)地圖與數(shù)據(jù)的基本操作外，在B/S 端還實(shí)現(xiàn)了用于計(jì)算服務(wù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理的工具，其中包括環(huán)境因子反演工具、自然要素提取工具、柵格投影變換工具、空間插值分析工具、拓?fù)浞治龉ぞ?、矢量柵格轉(zhuǎn)換工具、簡(jiǎn)化與平滑工具、影像波段合成工具、雷達(dá)影像處理工具以及網(wǎng)絡(luò)分析工具，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效管理、分析和應(yīng)用。B/S 開發(fā)表現(xiàn)層如圖4 所示。

圖4 B/S 開發(fā)表現(xiàn)層

4 結(jié) 論

本文在已有研究基礎(chǔ)上，利用虛擬資源管理和分布式存儲(chǔ)計(jì)算技術(shù)，并結(jié)合GIS 技術(shù)和Web GIS 相關(guān)技術(shù)構(gòu)建食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)。依托地理大數(shù)據(jù)相關(guān)挖掘技術(shù)，通過數(shù)據(jù)混合交叉分析、多維度的探索式分析，能夠科學(xué)評(píng)估農(nóng)藥殘留風(fēng)險(xiǎn)、重金屬殘留風(fēng)險(xiǎn)等食用菌質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，可為管理部門開展食用菌規(guī)劃提供決策支持。設(shè)計(jì)方案適合開發(fā)周期短、低硬件配置的私有云環(huán)境，能夠有效降低建設(shè)食用菌質(zhì)量安全空間管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)的開發(fā)和維護(hù)成本以及數(shù)據(jù)的安全。建立該平臺(tái)，旨在為推進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)健康、快速和裂變發(fā)展，服務(wù)于脫貧攻堅(jiān)中產(chǎn)業(yè)扶貧重要決策部署提供有力科技支撐，努力促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)質(zhì)量更高、效益更好、競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。