WebGIS技術在名優農特產品信息管理中的應用研究

摘 要： 名優農特產品信息管理系統主要是利用信息化技術及WebGIS技術對名優農特產品的生產進行全程信息化跟蹤管理、技術指導和信息服務，從源頭上保證農產品質量安全。該系統在傳統的農業信息管理的基礎上加入了地圖服務，其中Web服務器采用微軟的IIS，地圖服務的發布與管理采用ESRI公司的ArcGIS Server，網頁中的地圖操作則采用Web ADF中封裝好的工具與命令實現。該系統的實現有助于保護農民利益、減少食品安全事件，提高浙江省名優農特產品在國內以及國際市場上的競爭力。

關鍵詞： WebGIS； 名優農特產品； 信息化跟蹤； ArcGIS Server； Web ADF

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）03-26-03

0 引言

近幾年來我國食品安全凸顯，農產品生產作為食品供應產業鏈上的重要一環，其安全問題顯得十分重要。浙江省作為我國重要的農產品生產加工基地，有著得天獨厚的自然優勢，目前，具有市場開拓潛力和突出優勢的特色農產品資源有幾十種，如蠶桑、葡萄、楊梅、干果、蔬菜、食用菌等，在全國有一定知名度。其中葡萄栽培面積超過了30萬畝，品種達數十個。

面向主要農產品供應鏈管理，應用計算機技術和自動識別技術，研究和構建農產品質量跟蹤與溯源技術體系，對提高農業的安全生產與管理水平，加強政府的監管能力，滿足消費者知情權，提升農產品的市場競爭力等將起到重要作用。名優農特產品信息管理系統將以浙江省葡萄產業為例，利用信息化技術及WebGIS技術對名優農特產品的生產進行全程信息化跟蹤管理、技術指導和信息服務，從源頭上保證農產品質量安全。

1 系統分析與設計

名優農特產品生產管理信息系統的用戶主要分為三類：消費者、生產者和監管部門。消費者通過在系統里輸入農產品的條形碼，可查詢到農產品的相關信息，如所屬品種、農產品等級、采摘及包裝日期、種植戶等。生產者可以利用系統記錄下與農產品種植相關的各項農業生產活動，如農藥噴灑情況、施肥情況、灌溉情況等，在遇到生產問題時可以通過在線交流和技術服務等欄目獲得幫助，同時，網站為生產者提供最新的農業資訊，便于農業生產者及時把握市場行情。監管部門通過系統可以掌握農戶的生產情況，在出現農產品安全事故時，便于及時介入調查，迅速響應。

1.1 系統體系結構

針對系統用戶多且分布區域廣的特點，系統采用Browser/Server模式進行開發和部署。系統共分為四層，分別為：Web瀏覽器、Web服務器、WebGIS服務器和數據庫服務器。其中，Web瀏覽器充當客戶端角色，主要負責將用戶請求提交到Web服務器，并對Web服務器的處理結果進行顯示。與系統相關的所有數據與服務均保存在服務器端，從而實現了系統中數據與服務的統一管理。Web服務器、WebGIS服務器和數據庫服務器均屬于系統的服務器端，其中，Web服務器用于發布WEB應用，WebGIS服務器用于發布地圖服務，數據庫服務器為整個系統提供數據存儲和數據檢索服務，按存儲的數據類型不同分為屬性數據庫和空間數據庫。系統采用ASP.NET動態網頁開發技術，編程語言采用C#.NET，Web服務器采用微軟的IIS 7.0，WebGIS服務器采用ESRI公司的ArcGIS Server 9.3，數據庫服務器則使用SQL SERVER 2008，客戶端采用IE 6以上版本。WebGIS系統結構如圖1所示。

1.2 系統功能模塊劃分

本系統是基于WebGIS設計的，一方面系統具有查詢農產品從種植到收獲所有影響農產品質量的因素信息，屬于溯源系統中流入市場前這一環節的信息；另一方面系統還包括種植管理、信息查詢以及用戶間的交流等功能。根據用戶的特點和需求，系統主要包括用戶操作、信息查詢、過程跟蹤、用戶交流、地圖展示和系統管理等功能模塊，其中，用戶操作、信息查詢、用戶交流和地圖展示模塊對所有用戶開放，生產過程跟蹤模塊記錄生產過程中所有農事活動以及環境監測結果，使用對象主要是農戶及環境監測人員，系統管理模塊主要是為了實現對系統的管理，使用對象是系統管理員和數據維護人員。系統按角色分配用戶權限，保證系統的安全。系統功能模塊劃分如圖2所示。

⑴ 用戶操作模塊

用戶操作模塊提供了用戶登錄、用戶注冊和個人資料編輯功能。用戶登錄后，根據不同的權限設置顯示不同的菜單結構。用戶注冊模塊專門針對消費者，農戶與監管部門賬戶均由系統分配。個人資料管理功能用于修改登錄用戶的個人資料，如登錄密碼、聯系方式、真實姓名等。用戶注冊功能還提供了用戶驗證，避免系統中存在同名用戶，并通過對登錄密碼進行加密保證用戶賬號的安全。

⑵ 信息查詢模塊

該模塊主要實現了下列功能：用戶能夠通過農特產品安全條形碼查詢農產品質量等級屬性信息，了解與該農產品相關的種植管理信息，如肥料、農藥、地理位置、氣候環境、種植戶、產品文化等詳細信息；種植戶可以通過該系統了解如何管理地塊和作物栽培要點，例如如何施肥、病蟲害如何防止、植株如何修剪和果實的收獲存儲措施等。該模塊涉及的內容具體包括：葡萄品種信息查詢、肥料信息查詢、農藥信息查詢、氣候信息查詢、種植戶信息查詢、技術服務查詢等。

⑶ 過程跟蹤模塊

該模塊主要是為農產品生產建立數字檔案，對農產品的種植與收獲進行全面的信息化跟蹤管理。在該模塊中需要根據農產品條形碼編碼建立各批次農產品的生產檔案。按照生產標準和規范，合理使用化肥、農藥，并記錄從播種、移栽到施肥、用藥，以及病蟲害防治等情況，使主管部門能及時掌握農業標準化生產過程中所有農事記錄與綜合信息。此外，該模塊還記錄生產過程中所有影響農產品質量的環境因素信息，如水源、大氣、土壤等信息。

⑷ 用戶交流模塊

該模塊實現了系統與用戶、不同用戶之間的交互。通過該模塊，用戶可以將系統的使用情況、意見與建議進行反饋或留言。為了使系統更好地為用戶服務，該模塊同時提供農產品信息發布功能，用戶可以在該模塊發布需求信息并留下聯系方式。當用戶遇到技術問題時，還可以在此模塊發布求助信息，由技術專家不定期對問題進行解答。同時系統還可以發布一些關于農產品方面的最新消息，方便用戶及時準確地把握農產品生產、流通以及消費方面的信息。該模塊必須是系統注冊用戶才能使用。

⑸ 地圖展示模塊

系統GIS功能的實現主要體現在三個方面：地塊地力狀況、農產品種植情況、交通分布狀況。其中，地塊地力狀況利用地圖展示某個區域地塊的土壤類型、土壤質地、有機質含量、全氮量、全磷量等信息。農產品種植情況則通過地圖直觀地反映某個區域的農作物分布情況，如農作物種類、上年農作物產量、種植戶信息等。在系統中提供交通分布狀況圖主要為了方便采購商和投資者提前規劃出行線路、交通工具等。地圖展示模塊除了實現基本的地圖操作如地圖漫游、放大、縮小等功能以外，還提供圖層查詢、空間測距、信息統計等擴展功能。

圖層查詢功能主要是指農產品空間與屬性信息的雙向查詢機制；信息統計功能可以幫助管理者從宏觀上把握區域內的信息，實時統計出某個區域的葡萄種植情況，如種植戶數量、葡萄產量等，以圖表形式直觀顯示；空間測量功能主要有面積和長度測算兩種，分別用于測量區域面積和兩點之間的距離。

⑹ 系統管理模塊

該模塊主要包含三部分內容：賬戶管理、權限分配和數據維護。此模塊專門針對系統管理員和數據維護人員而設計。系統管理員可以通過此模塊添加賬戶，并為賬戶分配相關權限。為了限制系統使用人員，種植戶的賬戶信息由系統進行初始化分配，不需注冊，但種植戶可以在登錄系統后進入用戶操作模塊進行個人資料的修改，監管人員的賬戶也由系統管理員進行分配，其他用戶可以自行注冊。數據維護人員可以通過此模塊更新系統數據，系統數據分為靜態和動態兩種，數據維護人員主要操作的是隨著葡萄季節更替需要不斷更新的數據，而對于相對固定的數據如種植管理方法、葡萄文化等數據則無需修改。

1.3 數據庫設計

存儲地理信息數據可分為兩類：一類是空間參考數據（如位置、地塊），即圖形數據，是地理信息系統的基礎，用來直觀表現空間特征的位置；另一類是屬性數據，與空間數據對應，用來描述空間特征屬性的數據[1]。

⑴ 屬性數據庫設計

屬性數據庫與空間數據庫相對應，用來描述系統除空間信息以外的數據。在設計屬性數據庫時，需要依據數據庫設計原則，對系統使用的數據進行抽象，生成E-R圖，并在此基礎上設計數據庫邏輯結構。數據庫設計對于系統非常重要，合理的數據庫設計可以避免數據冗余，并有助于提高系統的執行效率。

根據系統需求，我們對系統所使用的數據進行抽象，確定了數據庫邏輯結構。系統共包含十三張數據表，有地塊信息表、地塊種植情況表、農產品信息表、種植戶信息表、農藥使用情況表、肥料使用情況表、氣候信息表、用戶權限表等。其中，地塊信息表用于存儲地塊的土壤信息，包括地塊編號、所屬地區、土壤類型、質地、有機質含量等字段，該表中的地塊編號與地圖數據中的地塊編號對應，該表可以反映地塊的基本形狀、質量等級，為土壤改良提供參考依據。

⑵ 空間數據庫設計

對于GIS軟件而言，最重要的部分就是空間數據庫的設計。空間數據庫可以存儲的數據類型包括：點、線、面等空間數據，在該階段需要收集空間數據資料，并對相關資料進行整理并存儲。農產品信息系統空間數據主要包括行政區劃信息、條田、土壤類型、水系、道路等。在明確了所需數據的基礎上，首先需要對收集的資料進行整理和數字化，然后進行空間數據入庫。

ArcMap[2]提供了地圖數字化的完整途徑，通過數字化與生成新要素，實現圖形要素的數字化，在建庫的過程采用統一的坐標系進行配準，利用ArcMap可以進行各種編輯操作，通過編輯，可以使數字要素更好地表達空間地理實體，進行科學的分析和直觀的地圖表達。屬性數據與地理數據的連接通過共有的屬性地塊編號實現，根據需要加載相應的屬性數據。

2 系統實現所采用的關鍵技術

系統采用ASP.NET、JavaScript、AJAX（Asynchronous Java-

Script and XML，異步JavaScript和XML）、ArcGIS Server、SQL Server等技術，實現特色農產品生產管理信息系統各功能模塊。其中，開發平臺采用Visual Studio 2008，系統中的地圖服務依托ArcGIS Server進行發布與管理，空間數據與屬性數據集中保存在Microsoft SQL Server中，并通過ArcSDE（ArcGIS的空間數據引擎）實現用RDBMS管理空間數據庫。同時，為了提升用戶體驗，優化瀏覽器和服務器之間的傳輸，減少不必要的數據往返，系統還使用了基于.NET平臺的AJAX類庫。

2.1 WebGIS技術

基于Internet/Intranet技術的WebGIS是在地理信息系統（Geographic information system，簡稱GIS）基礎上發展起來的，與傳統的基于桌面或局域網的GIS相比，WebGIS主要具有以下幾個優點[3]，一是平臺獨立性，由于WebGIS使用了標準的Web瀏覽器訪問地理數據，任何Web瀏覽器如Internet Explorer、Opera、Mozilla Firefox等都可以方便地訪問到WebGIS數據，以實現遠程異構數據的共享。二是優化的負載分配模式，WebGIS能充分利用網絡資源，將基礎性、全局性的處理交由服務器執行，而對數據量較小的簡單操作則由客戶端直接完成，這種計算模式能有效地降低對客戶端的要求，并在客戶端與服務器端形成合理的負載平衡。三是操作簡單，WebGIS操作簡單，用戶不需要專業的GIS軟件培訓，僅使用Web瀏覽器就能實現豐富的地圖操作。

按照服務器和瀏覽器在WebGIS系統中所承擔任務的多少，可以將WebGIS系統分為兩類，一是基于服務器端的WebGIS（Server-side WebGIS），另一類是基于客戶端的WebGIS（Client-side WebGIS）[4]。基于服務器端的WebGIS把GIS數據管理和空間分析任務都放在了服務器端處理，服務器端將處理完成的矢量圖形轉換為WebGIS瀏覽器支持的圖像格式傳遞給客戶端；基于客戶端的WebGIS則在客戶端安裝了支持地圖操作的插件或控件，使得WebGIS瀏覽器也可以支持矢量圖形，完成相關的地圖操作。系統采用了基于服務器端的WebGIS開發模式，以有效減輕客戶端負擔，但對服務器性能提出了較高要求。

2.2 ArcGIS Server技術

⑴ ArcGIS Server簡介

ArcGIS Server[5]用來構建企業級應用的平臺，GIS功能在服務器端集中實現和管理。同時，它也是一個服務管理器，用來管理各種地理數據，如地圖、定位器、各種應用軟件對象。ArcGIS Server充分利用了ArcGIS的核心組件庫ArcObjects，并提供基于工業標準的網絡服務，是基于企業級GIS應用程序的綜合平臺，同時它提供了創建GIS應用程序和配置服務的框架，并實現了空間數據管理、空間可視化、空間分析的功能，它還是一個服務器對象管理器，用來管理各種地理數據。ArcGIS Server系統體系通常包括三個部分：客戶端瀏覽器、Web服務器和ArcGIS Server服務器。

⑵ ArcSDE空間數據引擎

ArcSDE（Spatial Database Engine）即空間數據庫引擎，是ArcGIS for Server的核心部件，作為一種連接GIS 應用程序和關系數據庫的中間件技術，它使得在關系型數據庫中可以方便地存儲并管理空間數據[6]，這些關系型數據庫包括Oracle，Microsoft SQL Server，IBM DB2和Informix等。ArcSDE體系結構相當靈活，支持多用戶編輯。通過ArcSDE技術可以在關系型數據庫中存儲各種空間數據，如地標、街道、河流、地塊等，并提供空間管理功能，如空間數據查詢、空間數據分析等。本系統使用了ArcSDE 9.3作為空間數據引擎，存儲并管理相關的空間數據，并利用ArcGIS for Server發布地圖服務。

3 結束語

本系統基于網絡平臺提供特色農產品信息服務，并將WebGIS技術應用到系統中，在一定程度上為浙江省特色農產品產業健康發展提供了思路。通過該平臺，可以詳細記錄種植戶的各項生產活動，為種植戶提供技術指導與信息服務，消費者可以根據農產品安全條形碼查詢到農產品的相關信息，增加對農產品的信賴度，同時便于監管部門對農產品進行質量追溯。本系統的實現有助于農戶更加合理地安排農業生產活動，對于保護農民利益、發展無公害農產品、減少食品安全事件有積極的作用。在后續的工作中，需要對本系統的地圖服務功能進行完善，并著重加強地圖分析方面的應用。

參考文獻：

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[6] 趙濤.基于GIS Web Services的水井工程信息管理系統研究[D].太原

理工大學，2007.