基于Web的GIS/CCSODS/ES系統設計與實現

李 潔，鄧永卓，楊靖峰，王姝逸

（天津市農業技術推廣站,天津 300061）

農業智能決策技術特別是專家系統技術的開發與應用已日趨成熟，并廣泛應用于農業生產實踐，為農業生產提供實施方案。而地理信息系統可以對多種來源的時空數據進行綜合處理，管理農業資源，為農業生產提供決策和咨詢服務。模擬模型建立了一系列作物生長發育、光合生產與產量形成的模擬模型與作物高產、高效栽培的優化模型，具有動態預測功能。將三者結合起來，首先可以使專家系統決策過程中融入地理信息空間數據與屬性數據，利用地理信息系統的分析結果，提高專家系統決策結果的針對性；其次專家系統可通過事實編輯模塊調用和使用用戶不易提供的模擬模型的預測結果，作為專家系統進行推理決策并制定調控措施的依據，提高專家系統決策結果的精確性；第三通過地理信息系統發布專家系統的決策結果，既可以提供用戶可視化的查詢功能，又可以提供用戶智能推理決策結果，可提高專家系統的實用性。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

系統總體設計的重點是確定系統的邏輯、物理和功能結構，制定系統的建設框架。

1.2 空間數據庫設計

1.2.1 數據庫系統

GIS空間數據庫不同于普通數據庫，主要由兩部分構成。一部分是用于儲存空間關系的空間信息，另一部分是儲存位置、屬性以及拓撲關系的屬性信息。因此，它除了需要完成常規數據庫管理系統所必備的功能之外，還需要提供特定的針對空間數據的管理功能。

根據數據類型對數據進行分類，形成專題數據，包括：基礎地理信息、土壤資源與水資源信息、氣候資源信息、農村經濟信息及作物資源信息。所有這些專題資料將統一構建空間數據庫系統。

空間數據庫設計包括概念設計、邏輯設計、存儲設計等。

1.2.2 邏輯設計

根據數據的概念結構導出的數據庫邏輯設計。邏輯設計包括表設計、列設計、索引設計、數據字典設計和視圖設計。邏輯結構設計要確保數據結構合理，減少數據存放冗余。

——基礎地理

包括政區、居民地、居民點、公路、鐵路、火車站、鐵路橋、雙線河、單線河、湖泊水庫、水渠、水閘、池塘、等高線、經緯網、公里網、地貌、植被、淤泥、鹽田、地類界、堤防等。

——土壤與水資源信息

包括土壤質地、土壤類型、有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤鹽漬化程度、耕層微量元素（錳、硼、鋅）分布、地下水等水位、地下水化學類型、地下水礦化度、地下水埋藏深度等。

——氣象信息

包括光照、溫度、降水、積溫、大風日數等。

——水利信息

包括地下水資源狀況、河道、閘壩、水庫、機井等。

——作物生產信息

包括作物品種、作物分布、作物產量、面積等。

1.2.3 數據庫存儲設計

對數據庫進行概念設計、邏輯設計后，在計算機物理存儲介質中的數據組織形式。

2 系統功能與結構

2.1 系統功能

該系統是以PAID平臺為核心，集成WebGIS與稻、麥模擬優化模型，形成智能化的生產管理信息系統。系統面向用戶為農業管理部門、農業技術人員以及廣大農村種植業戶，因此，系統功能在設置上既要體現界面友好、內容豐富、易用，又要體現出系統強大的查詢、檢索及分析等各項功能。

2.1.1 信息顯示

——信息標注：對每一個圖層的重要屬性信息進行文字標注，例如河流名稱、居民地名稱、氣象信息等。

——經緯度顯示：隨著光標在地圖上的移動，在界面底部可連續顯示光標所在地點的經緯度情況。

——鷹眼功能：在界面左上端的地圖全景圖中，可顯示當前放大或圖層在地圖全圖中所處的位置。

2.1.2 圖層控制功能

——設置活動圖層：任意選擇一個圖層，進行圖層內容顯示。

——圖層放大、縮小、全景顯示：對圖層某一部分圖形進行任意放大、縮小、全景顯示，以便清楚了解所要查看部分的詳細信息。

——圖層漫游：通過拖動地圖對圖層各部分進行瀏覽。

——圖層顯示與隱藏：通過設定比例閾值實現在一定比例范圍內顯示，即在以縮放形式顯示某區域時，系統將每個主題的比例尺閾值與顯示比例尺檢查對比，以確定在何種比例尺時該顯示哪些主題，這樣有助于確保地圖的清晰性和可讀性。

2.1.3 圖層信息瀏覽 查詢功能

——目標定位：選擇要查詢要素。

——空間信息查詢：選取查詢工具，點擊待查詢空間要素，通過數據庫檢索，可顯示當前所有符合條件要素的空間信息、屬性信息等。

——屬性信息查詢：通過輸入所要查詢內容，進行數據庫檢索，將符合條件的記錄顯示在界面右端，選擇任意記錄在界面中高亮顯示所查詢記錄。

——組合條件查詢檢索：通過對所查信息的字段名稱、查詢運算類型以及數值范圍進行標注，可進行詳細的查詢。

2.1.4 圖表統計 分析功能

——按地區顯示：查詢的氣象信息內容，按照天津市各區縣分類，顯示查詢內容的柱狀圖。

——按時間顯示：對查詢的氣象信息，按照各個月份值顯示柱狀圖。

2.2 智能決策

依據小麥、玉米、水稻、黃瓜專家系統各模塊的事實數據，遠程用戶通過地理信息系統進行空間定位，將土壤、氣象等屬性數據代入專家系統的SQL Server數據庫中，由推理機調用其信息，結合用戶輸入的作物生長信息，通過網絡作出作物管理實施方案。

2.2.1 查詢分析

系統具有多種形式的查詢和檢索功能，并以圖件、表格或其它形式輸出查詢結果，查詢方式包括：

——點位查詢：利用交互方式通過光標指定位置，查詢相應地理位置的信息。

——范圍查詢：利用交互方式通過給定范圍（如縣、鄉鎮、村莊、地塊或圖幅），查詢該范圍內的有關信息。

——專題查詢：可按不同的專題（作物產量、土壤養分、經濟情況等）進行分類查詢。

——邏輯條件查詢：根據用戶給定的一個或多個條件，查詢與該條件有關的屬性信息，同時在地圖上標注出符合條件的區域。

2.2.2 統計分析

利用GIS技術，結合要素空間分布圖，對各種資源分布等情況進行統計與分析，包括面積量算、范圍統計、類別統計、對比統計及分析計算等功能。

2.3 系統結構

系統采用國際流行的基于Internet的Browser/Server/Database三層網絡結構，以后臺數據庫管理為核心，在Web服務器掛接服務構件以及GIS組件，通過前臺瀏覽器管理和運行，客戶端采用HTML Viewer thin clients。

2.3.1 應用服務器

主要提供電子地圖的發布、查詢、分析等圖形服務，并以文件形式保存和管理農業資源數據。它基于WebGIS構建，相關的屬性數據也可從此獲取。

2.3.2 Web服務器

它以主頁的方式向用戶提供信息。采用動態主頁技術和Java技術，將ArcXML轉換成HTML語言。

2.3.3 客戶機

采用瘦客戶機系統，用戶可通過瀏覽器實現靈活的交互，以獲得各種有用的信息。

2.4 系統開發平臺

系統開發平臺可分為專業開發平臺和一般開發平臺，專業開發平臺包括農業專家系統開發平臺PAID3.0，地理信息系統開發平臺和模擬優化決策模型CCSODS。

2.4.1 PAID農業專家系統開發工具

專家系統開發平臺PAID （Platform for Agricultural Intelligence-system Development）采用國際上主流的計算機技術和系統集成技術研制而成，提供了網絡化、構件化農業專家系統開發環境和開發工具，具有技術先進、功能豐富、結構規范、界面友好、易學實用等突出特點。該平臺實現了系統管理、知識規則維護、數據編輯、數據處理、數據查詢和幫助六大功能模塊。

2.4.2 地理信息系統開發平臺

本系統利用組件式GIS技術，基于目前國際流行的GIS軟件組件—ESRI公司的ArcInfo與ArcIMS，采用基于對象的可視化開發工具JavaScript環境下進行集成開發。ArcInfo為ArcGIS桌面軟件之一，是一個一體化的高級的GIS應用，可完成包括制圖、數據管理、地理分析和空間處理，還包括與Internet地圖和服務的整合、地理編碼、動態投影、元數據管理和基于向導的截面和對近40種數據格式的支持。ArcIMS是一個基于Internet的GIS，允許建立大范圍的GIS地圖、數據和應用，并將這些結果提供給組織內部或Internet上的廣大用戶，ArcIMS運行在一個分布式的環境中，包括了客戶端和服務器端兩方面技術，它擴展了普通站點，使其能夠提供GIS數據和應用服務。

2.4.3 稻、麥模擬優化模型開發系統

從江蘇省農科院引進的模擬優化決策系統是將作物模擬模型、作物栽培的優化原理以及當地專家經驗三者相結合，采用Visual Basic、Excell、FoxProw等語言編寫，系統具有良好的可視性、靈活性及方便性，利用模型和各地的氣候資料可以明確反映不同類型稻、麥品種在各地的生育期、光合生產、產量結構相協調的變化規律。

2.4.4 一般開發平臺

選用目前較為通用的ASP、VB、VBScript和JavaScript等開發工具。

3 系統實現

本系統通過后臺數據庫的相互調用來實現GIS、CCSODS 與專家系統（ES）的結合，從而實現系統的可視化查詢、動態預測與智能決策功能。

3.1 CCSODS與ES集成技術的實現

專家系統品種資料數據庫包括的一些植物學特征：株高（cm）、葉片數、株型、百(千)粒重（g）；生育特性：葉面積指數（LAI）、生育時期等數據的結構、類型均建立在事實表中，在專家系統運行時可從事實編輯模塊中直接填寫數據或調用數據庫，但由于上述數據多為動態數據，實時性較強，只能從一些監測點獲取，使廣大農民的咨詢使用受到限制。因此，將CCSODS的模擬結果存儲在SQL Server數據庫的tempdata等數據表中，從事實編輯中直接查帶可有效解決數據的來源，為專家系統的推廣應用提供有效數據。

在DAID平臺中，將事實表中要查帶的字段定義為單值從動選擇屬性，即{select字段名from tempdata}，模擬后可在專家系統事實表中相應的字段輸入框上雙擊鼠標即可獲得該字段的模擬數據。

3.2 GIS與ES集成技術的實現

遠程用戶通過瀏覽器登錄專家系統，打開事實輸入界面，輸入相應地塊作物的生育信息和相關的氣象信息到事實表中，然后點擊“地理信息”按紐，系統自動轉入到“天津市農業基礎地理信息網上發布系統”界面，通過地理信息系統準確的空間定位查詢該地塊的相應屬性信息，并查帶回專家系統，在事實表中相應的字段輸入框上雙擊鼠標即可獲得該字段的地理信息數據。

4 結束語

本系統通過對GIS技術、模擬模型技術與專家系統技術的集成攻關，實現了PAID平臺、網絡化的稻麥模擬優化模型以及基于Web的天津市農業基礎地理信息系統有機集成，采用ASP技術及VBScript和JavaScript等開發工具，綜合專家系統的推理決策功能和模擬模型的動態預測功能以及地理信息系統的空間信息可視化功能，在調用系統時可方便地為各類用戶提供數據調用與互換功能，科學地為不同用途提供綜合決策。提高了系統的實用性、易用性與適用性。

[1]Chen Shupeng et al.地理信息系統導論[M].北京:科學出版社,2000.

[2]高亮之.小麥栽培模擬優化決策系統[J].江蘇農業學報,2000,16(2):65-72.

[3]Zhao Chunjiang et al.Research and Application of Platform for Agricultural Intelligent-system Development[N].高技術通訊,2000,10:1-5.

[4]彭望祿.農業信息技術與精確農業的發展[J].農業工程學報,2001,17(2):9-11.

[5]曹衛星.基于GIS的區域作物生產系統潛力分析[J]農業工程學報,2003,19(1):124-128.

[6]朱德海.土地管理信息系統[M].北京:中國農業大學出版社,2000.