三維地理信息技術在現代煙草農業建設中的應用——以云南保山煙區為例

李 衛，楊中義，張一揚,3*，周冀衡,3，張發明，弓新國，肖志新，胡志明

[1.云南瑞升煙草技術（集團）有限公司，昆明 650106；2.云南省煙草公司保山市公司，云南 保山 678000；3.湖南農業大學煙草研究院，長沙 410128]

信息技術在推廣煙葉生產新技術和提高農民科技素質等方面起到至關重要的作用[1-3]。2009年全國煙草工作會議提出，要積極推進煙草產業與信息化相融合，要以信息化帶動煙草行業現代化，全力打造“數字煙草”。三維信息技術是指在矢量地圖數據管理與顯示子系統和多媒體信息管理與顯示子系統的支持下，把虛擬現實的理論與技術應用到地形環境仿真領域形成的技術系統，可以提供一個三維的、動態的、可交互的模擬地形環境，提供更直觀的視覺效果，主要應用于軍事、城市規劃、旅游行業等[4-7]。三維地形能逼真的模擬山地、丘陵、平壩、森林、河流、公路以及各種煙基設施，真實反映煙區的地理位置與地形地貌[8]；通過基礎數據庫可以更好的管理和分析煙區生態條件、經濟狀況和煙葉質量[9]；通過信息監測與控制平臺能實現對煙葉生產全過程的動態監控與管理，實時了解煙葉生產狀況；通過多媒體信息發布平臺能及時發布氣象預報、防災減災預報、病蟲害防治預報以及煙葉生產新技術，提供煙基建設、電子合同與煙葉收購等信息展示和各種培訓平臺。

本研究在基礎數據庫、信息監測與控制平臺、多媒體信息發布平臺建設的基礎上，結合WEB開發技術與 Skyline三維信息發布系統，制作煙葉生產基地的三維地形和基礎設施場景，實現區域虛擬三維場景的漫游，對基礎數據庫進行數據查詢與管理，并動態監測與管理煙葉生產的各環節，及時發布煙葉生產過程中的各種信息，不定期的發布煙農培訓資料，及時解決煙葉生產中產生的各種問題。

1 系統主要功能模塊介紹

1.1 基礎數據庫

數據庫是三維信息管理系統開發的基礎工作，它的數據組織、數據結構、數據質量的好壞直接影響到系統的正常運行和應用。數據庫的建立包括數據預處理、輸入、校對、編輯等。考慮所建數據最終應用, 實時數據收集采用Oracle數據庫，基礎信息數據采用Microsoft SQL Server 2000數據庫；通過對各類數據的內容和性質進行分析，在完成數據需求分析基礎上，按照概念模型、數據庫邏輯設計、數據庫物理設計的過程，完成有關數據庫設計。

1.2 信息監測與控制平臺

1.2.1 數據監控 采用JAVA+Flex設計，整個系統的各層次計算機都是通過保山煙草公司企業專網連接，通過 TCP/IP 來互相通訊。可對所連接的烤房、育苗工場進行實時參數監控，實現較遠距離的多機通信，并能自動搜索和識別所連接的控制點，按照各自類型進行數據管理，提供數據的表格和曲線查看方式，可對所連接控制點的運行參數進行遠程設置。

各個監控站點通過專網將采集到的動態實時數據經軟件優化后高速上傳到監控中心的服務器中，并進行數據管理和存貯。根據監控點的設備分布情況和工藝流程，繪制監控界面、報表、曲線圖等并及時報警。連接到專網上的其它計算機登陸監控中心的服務器，經過身份驗證后，可以在Web 瀏覽器內看到和現場完全相同的監控畫面和實時數據，如果其管理權限中擁有控制能力，可以直接遠程對現場的相關設備進行操作，真正做到遠程與現場的零距離監控，現場的采集節點中詳細記錄了操作的全部過程。

1.2.2 視頻監控 監控范圍包括煙葉收購線、烤房群、大棚等，系統由一體化球型智能彩色攝像機、槍式固定彩色攝像機、硬盤錄像機、液晶顯示器等設備組成。攝像機分布在相關區域便于監視的位置，根據平面布置具體情況設置監控場景。系統后端設備硬盤錄像機和顯示器設在現場的監控中心，以便于生產調度和維護管理。

煙站、烤房、大棚視頻監控系統由前端視頻采集、傳輸網絡、后端存儲、監控中心四部分組成。前端視頻采集部分以數字攝像機為主，負責視頻圖像的采集；傳輸網絡提供視頻圖像傳輸所需的線路，傳輸網絡分為兩種，一為使用雙絞線作為傳輸介質的 TCP/IP網絡，二為使用光纖作為傳輸介質的光網絡，光網絡與 TCP/IP網絡之間的連接、信號轉換使用以太網光纖收發器實現；后端存儲以網絡硬盤錄像機為主，用于存儲視頻圖像；監控中心以授權PC客戶端為主，提供監控人員觀看實時采集、歷史存儲的視頻圖像，監控人員可通過PC客戶端控制云臺型攝像機、球形攝像機（改變攝像機角度、焦距等）。通過攝像機對大棚中煙苗的生長、密集烤房群周邊、烤房中的煙葉烘烤過程及煙站收購線進行全天候實時視頻監控；系統全天候運行，完整記錄運行過程中形成的影像，視頻影像保留30 d，以備查詢之用；系統采用IP網絡鏈路。

1.3 多媒體信息發布平臺

根據信息發布的需求，通過客服PC終端的指令，利用攝像機和話筒等專用設備，從現場獲取音視頻信息并傳回視頻服務器，通過視頻服務器的控制，結合音視頻編碼器、復用器、加擾器和調制器將視頻流、音頻流轉換為數字電視信號，以有線數字電視網絡為載體，通過專用機頂盒在電視上發布各類信息。綜合考慮當前數字電視存在的內容資源不夠豐富、產業化程度不高、傳統的基于互聯網瀏覽方式終端費用比較昂貴的特點，系統利用低成本多功能機頂盒作為農村信息化的主終端（機頂盒內置喇叭和調頻模塊），整個系統分為市煙草公司、縣煙草公司、鄉/鎮/村煙站、農戶四層體系，整體包含前端系統和三套業務系統，即音視頻會議系統、數據廣播系統、內容監播系統。

1.4 三維信息管理系統

1.4.1 數據準備 衛星影像數據包括：云南全省10 m精度衛星圖片、保山全市5 m精度衛星圖片、騰沖縣0.6 m精度衛星圖片。

矢量數據包括：云南省市級行政區域圖、保山市縣級行政區域圖、保山市鄉鎮級行政區域圖、保山市主要道路水系圖、保山市縣、鄉、村行政駐點圖、保山市基本煙田分布圖、保山市工商基地單元分布圖

三維模型包括：新農村、育苗大棚、防雹點與綜合氣象觀測站、惠民小屋、新能源加工廠、烘烤工廠、蓄水池、普惠亭、紅云小學、固東煙葉站等設施。

數字高程：保山市25 m精度的DEM圖。

1.4.2 地形數據包的生成 將準備好的影像數據和DEM數據的坐標核對準確，生成影像金字塔，最后打包輸出為地形數據包（MPT），地形數據包能將影像和地形數據捆綁在一起，可以在地形瀏覽器（TerraExplorer）中顯示其地形狀況，打包后的MPT文件不損失數據精度，壓縮了原數據，實現了海量數據的讀取、快速瀏覽和查詢。另外，地形瀏覽器采用數據緩存與內存管理機制，支持海量數據的展示和高速漫游，支持大場景數字城市精細建模，真正實現了無障礙快速漫游，為虛擬現實技術提供了一個很好的展示平臺。

1.4.3 矢量數據加載 地形瀏覽器支持加載多源數據，包括二維平面數據、二維符號、各種矢量數據、一般存儲數據、三維高程數據、三維符號、影像數據、數據庫數據等，在導入數據時可以選擇導入字段和注記字段，注記字段根據地形懸浮顯示。另外，地形瀏覽器具有動態投影，坐標系統默認為第一個加載文件的坐標系統，能夠把后加入文件的數據投影變換到當前坐標系統。

1.4.4 三維模型加載 Skyline支持的三維模型格式有*.X、*.XPC、*.XPL文件，所用三維模型均在3Ds max平臺下完成，并導出為*.X文件，加載模型時可以根據模型的實際坐標和角度進行調整。另外，三維模型的*.X格式文件必須把貼圖文件放在相同文件夾下，否則模型不能正確顯示，會出現紋理缺失。

1.4.5 管理系統的集成 采用圖表與地圖的形式展示基礎數據庫的信息和分析結果；將烤房和育苗大棚的監控數據存入數據庫，提供實時查詢與歷史數據分析；利用視頻服務器端口將實時視頻信息傳入系統，并提供集中與分布式的展示窗口；以子系統的形式將多媒體信息發布平臺融入管理系統并通過視頻服務器進行信號轉換，最終以數字電視的形式進行信息發布；采用 JAVA編程語言實現Skyline三維信息發布平臺的二次開發，并集成基礎數據庫，信息監控平臺和多媒體信息發布平臺，開發集信息收集、數據管理與分析、信息發布與政策決斷的保山市現代煙草農業三維信息管理系統，實現對煙區生態條件、經濟狀況和煙葉質量的準確把握，對煙葉生產全過程的動態監控與管理，實時了解煙葉生產狀況，及時發布氣象預報、防災減災預報、病蟲害防治預報以及煙葉生產新技術，提供煙基建設、電子合同與煙葉收購等信息展示和各種培訓平臺。

2 核心模塊設計與實現

2.1 系統功能設計

本系統功能設計基于客戶需求，如圖1所示。

圖1 系統功能Fig.1 Systemic function

2.2 部分核心代碼

三維模型下載：客戶端訪問地球時，根據當前訪問位置，向服務器返回對應的三維模型屬性，服務器接到指令后向客戶端發送三維模型。

數據庫連接：根據數據查詢需求，從服務器數據庫讀取相應數據。

3 應用效果

3.1 基礎數據庫

通過收集和整理目前所采集的數據，建立以煙葉質量為核心的包含保山市基本煙田、基地單元、土壤養分、地形地貌、氣象條件、煙葉質量、社會經濟狀況、煙葉生產技術等基礎數據庫，共 25個數據表，232個數據字段。

3.2 信息監控平臺

通過數據監控平臺對煙葉育苗大棚與煙葉烘烤工廠進行動態監控，及時傳回監控畫面（圖2）與實時數據（圖3），實現對育苗大棚的通風狀況、溫濕度、煙苗長勢、棚外實況、氣象數據，烘烤工廠各烤房的干濕球溫度、煙葉烘烤狀況、烤房外的實況，煙葉站點的煙葉收購實況等信息的實時掌握，發現異常情況便于及時處理，減少各方面造成的損失。

圖2 視頻監控系統Fig.2 Video monitor system

3.3 多媒體信息發布

利用視頻服務器和有線數字電視信號，展開數字電視、音頻會議、電視短信、信息推送、視頻輪播、視頻會議、村村響等業務（圖4），結合 PDA手持終端的開發應用，實現一線生產數據的實時采集和傳輸。通過電視廣播（圖5）向煙農提供煙農自助學習平臺，讓煙農及時了解各種惠農政策和煙葉種植新技術，及時發布氣象預報和病蟲害預測預報信息，不定期發布煙葉收購價格、合同簽訂情況、煙葉交售情況。通過GPRS傳輸技術將育苗、移栽、施肥、大田管理、采收等關鍵生產環節的各項任務發送給技術人員，將調制棚內的溫濕度異常情況及時發送短信給對應責任人。

圖3 實時數據監控系統Fig.3 Real-time data monitoring system

圖4 信息發布系統Fig.4 Information publish system

3.4 三維信息管理系統

系統主要以三維信息平臺為基礎，展示保山煙區地理位置和地形地貌（圖6）等煙葉生產的基礎條件、基本煙田與工商合作原料基地單元的分布狀況、現代煙草農業建設的煙葉生產基礎設施（圖7），集成信息監控平臺與多媒體信息發布平臺，同時具有瀏覽、查詢、檢索、修改、補充所采集的數據和結果分析處理的功能，另具有部分輔助決策功能。其它查詢模塊（圖8）主要包括：1.基本煙田查詢與統計模塊；2.基地單元查詢與管理模塊：3.煙葉基地設施查詢與管理模塊；4.氣候資源信息查詢模塊：包括光照資源、熱量資源、降水資源等；5.土壤信息查詢模塊：主要包括各基地種植土壤類型、土壤理化性狀、土壤基礎養分等相關數據，包括空間數據和屬性數據；6.煙葉質量信息查詢模塊：該模塊主要為各基地煙葉樣品質量分析數據；7.施肥管理建議模塊；8.信息監測模塊；9.視頻監控模塊；10.數字電視展示模塊。

圖5 數字電視系統Fig.5 Digital television system

圖6 三維地形地貌Fig.6 Dimensional terrain

圖7 煙葉生產基礎設施Fig.7 Tobacco leaf production infrastructure

圖8 系統主界面Fig.8 Interface of the system

4 進一步改進建議

保山市現代煙草農業三維信息管理系統統集成了數據庫開發、信息監測與控制、多媒體信息發布平臺開發、三維地理信息系統構建與開發等相關技術，系統以保山市為背景，展示其地理位置、行政區域、基本煙田分布、工商合作原料基地單元、地形地貌與氣象條件、煙葉生產狀況、煙葉質量等發展現代煙草農業的基礎信息；以騰沖縣固東鎮鴉烏山基地單元為重點展示對象，展示其煙田基礎設施、煙葉站、烤房、育苗大棚、惠民設施等現代煙草農業建設的成果；通過信息檢測平臺實現對烤房、育苗大棚、煙葉收購站（點）、氣象站等的實時監控（包括視頻與數據），并對其進行遠程管理，通過多媒體信息發布平臺及時發布氣象預報以及病蟲害情況，不定期發布煙葉生產新技術與惠民情況，及時通報收購價格與傳達上級指示，通過該平臺來進一步促進和鞏固現代煙草農業的發展成果。

由于影像數據和高程數據的涉密性質和資金問題，本系統整體使用低精度影像數據和高程數據，局部使用高精度數據，在視覺上存在一定的差異；由于時間倉促，三維模型只顯示了重點地區的標志性建筑，下一步應該加強三維模型的展示；本系統中使用的空間分布圖均為事先做好的地圖，有關動態實時的空間插值功能還有待進一步研究。

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