基于GIS的食用豆信息系統的設計與實現

康曉潔， 張蕙杰， 龔 謹， 諸葉平

(1.中國農業科學院農業信息研究所/農業部農業信息服務技術重點實驗室，北京 100081)

食用豆是指以食用籽粒為主，包括食用其干、鮮子粒和嫩莢為主的各種豆類作物［1］。近年來隨著人們生活水平的不斷提高，食用豆作為優化居民飲食結構和改善食物營養結構的重要食品，消費需求量呈現穩步增長的態勢，有力推動了食用豆產業規模的不斷壯大。當然，中國食用豆產業發展仍存在著政策關注不夠、生產波動大、產后深加工水平低下等一系列問題，影響了食用豆豆農的種植積極性和食用豆產業的健康良性發展［2-6］。為此，農業部、財政部建立專項資金支持食用豆產業技術體系的建立，進一步推動食用豆產業做大做強。依托國家食用豆現代農業產業技術體系的建立，本研究選取不同豆種的食用豆主產區作為固定觀察點對其生產貿易情況進行詳細的跟蹤調查，旨在通過全面調查掌握中國食用豆產業的相關基礎性數據，并以此數據建立食用豆信息管理系統，對其進行規范管理、信息查詢、系統分析，從而實現迅速準確地調閱及生成食用豆相關信息。與此同時，由于食用豆生產、加工、銷售、貿易和地理空間有著密切聯系，數據大都具有空間內涵，因此在對數據進行分析時加入空間信息可以使數據分析更加透徹［7-8］。地理信息系統(Geographic information system，簡稱GIS)是采集、存儲、管理、檢索、分析和表達空間數據的計算機系統。將GIS功能融入到食用豆信息系統，使地理信息系統與管理信息系統功能融合在一起，地理空間信息滲透到數據分析中，從而深度挖掘出更多直觀有用的信息，為國家食用豆技術產業體系提供更多輔助決策，對推動食用豆產業及技術體系發展，調整中國農業產業結構，促進農業產業升級具有重要意義［9］。并為將來建立食用豆災害預警、產品質量安全追溯系統提供基礎［10-11］。

1 系統結構

1.1 系統總體結構

系統總體結構按照邏輯結構分為四層:人機交互層、業務邏輯層、技術支撐層和基礎數據庫層。人機交互層是用戶與系統的交互界面，實現數據的輸入、查詢、統計分析結果顯示以及數據圖表查詢結果輸出;業務邏輯層實現數據業務的邏輯處理，包括地圖數據業務、產業數據業務以及數據統計業務;技術支撐層包括系統中用到的組件技術;基礎數據庫層包括全國1∶4.0×106電子地圖的空間數據、屬性數據以及食用豆產業基礎數據(圖1)。

圖1 系統結構圖Fig.1 The structure graph of the system

1.2 數據庫設計

根據系統的需求，數據庫分為食用豆產業數據庫和空間信息數據庫。食用豆產業數據庫主要存儲食用豆產業相關基礎性數據，即從觀察點獲得的調查數據。系統采用Microsoft access數據庫，數據庫訪問采用標準化查詢語言SQL來實現。空間信息數據庫采用超圖提供的全國1∶4.0×106電子地圖。食用豆產業數據庫通過地區代碼字段與地理信息數據庫建立聯系，通過字段名稱的統一，為今后數據庫的修改、擴充提供了便利條件(圖2)。

圖2 食用豆產業數據庫Fig.2 The database of edible beans industry

2 系統功能實現

根據目前國家食用豆產業技術體系需求，系統涉及的食用豆資源主要包括綠豆、蕓豆、蠶豆和豌豆。涉及的數據主要包括豆農家庭成員情況、豆農家庭基礎設施情況、食用豆種植情況、豆種使用情況、食用豆種植技術服務情況、食用豆銷售情況、食用豆加工情況、食用豆貿易情況、國家政策服務情況以及豆農其他谷物種植情況。系統在實現對數據規范管理的情況下，支持多條件查詢食用豆資源各種信息。GIS以組件的形式嵌入系統中，支持食用豆資源各種信息空間可視化，使原來管理信息系統中很多抽象的數據與地理位置建立聯系，直接顯示在地圖上，方便用戶在地圖上直接操作MIS，使信息查詢、統計變得更加簡單、直觀［12］。基于GIS的食用豆信息系統將以全新的方式來管理和利用食用豆產業基礎數據，規范數據管理，挖掘數據的潛力，提高數據的利用價值。

2.1 數據存儲和管理

在數據存儲和管理功能上，系統對用戶進行分組授權，根據數據安全級別和功能復雜程度的不同，把用戶分為普通管理員和用戶，分別登陸系統［13］。管理員負責數據存儲、管理和修改。食用豆產業技術體系示范點剛剛建立，隨著食用豆產業技術體系研究的深入，收集到的食用豆資源會逐漸增多，數據量會逐漸增大、數據涉及面也會越來越廣，將變化了的和新收集到的數據進行及時編輯和更新，保證食用豆產業基礎數據庫數據的實時性和可靠性，是系統進行數據分析、輔助決策的關鍵［14］。為使系統直觀、易操作，數據更新模塊采用內容查詢方式更新，將食用豆產業數據庫中的數據表表名作為“查詢內容”，將各張表中的戶號設為關鍵字，在系統中查詢到所要修改的內容直接修改保存。系統在存儲和更新方式上實現手動輸入和Excel導入。

2.2 數據查詢

借助于GIS的功能，系統實現兩種查詢方式:一種是從地圖到屬性數據查詢，一種是從屬性數據到地圖查詢。在系統中，GIS二次開發方式采用了超圖基于共相式GIS內核進行開發的組件式GIS二次開發平臺SuperMap Objects.NET 6R，在共相式GIS內核(UGC)中實現GIS的核心技術，在UGC外建立訪問數據的接口標準和技術框架(SuperMap SDX+)，支持多種數據格式訪問，實現空間數據存儲技術、空間索引技術和數據查詢技術［15］。從地圖到屬性數據查詢，用戶可在地圖上點擊任意區域，系統通過SDX+建立空間數據庫和食用豆產業基礎數據庫的聯系，返回食用豆資源屬性信息。從屬性數據到地圖查詢，用戶通過選取食用豆資源某一方面或幾方面的信息作為指標，系統通過ADO接口訪問Access數據庫實現屬性數據庫連接，將指標數據作為字段添加到地圖屬性數據庫中，通過接口連接UGC內部，將指標在地圖上顯示［16］。

2.3 統計分析

統計分析是指運用統計方法，按照從定性—定量—定性分析的順序，對收集到的數據資料進行整理歸類并進行分析，最終形成分析報告的過程，從而達到對研究對象更為深刻的認識。通過對食用豆生產、銷售、加工和貿易數據進行量化，進而通過區別數量的界限確認質的變化，揭示食用豆生產、銷售、加工和貿易發展狀況和規律。針對調查數據特點，可實現的指標有平均數、標準差、相關系數，可描述數據的集中趨勢、離散程度和相關強度。為使統計分析結果以圖表形式直觀顯示，系統中使用了TeeChart組件技術。

2.4 專題圖分析

專題圖是為適應某種專門需要而著重顯示制圖區域內某一種或某幾種自然現象或社會經濟現象的地圖。專題圖不僅可以使數據可視化，而且用來做專題變量的屬性數據的變化分布狀況和規律以及發展變化趨勢都將會一目了然。食用豆生產、銷售、加工和貿易行為都和地理信息有著密切聯系，通過專題圖對調查數據進行分析，將屬性數據和地理數據相結合，在挖掘屬性數據之間關系的同時對數據的空間分布情況有了更深的了解，從而挖掘出更多的直觀有用的信息完成輔助決策［17］。根據屬性數據性質，系統實現了單值專題圖、分段專題圖和統計專題圖功能以及各種圖形渲染風格(大小、顏色、線型、填充等)。單值專題圖和分段專題圖是針對單一數據指標制作專題圖進行分析，所不同之處在于單值專題圖將數據指標相同的歸為一類并設定一種渲染風格，著重表示現象質的差別;分段專題圖將數據指標以某種分段方式分成多個范圍段，不同范圍段設定不同的渲染風格，著重表示現象量的差別。同時分段專題中的過濾功能可以使用戶方便地查詢到不同數量級在地圖上的空間分布情況，有助于實現食用豆生產、銷售、加工和貿易區域發展狀況的分析。統計專題圖的特點是可以基于一個數據指標或多個數據指標制作專題圖，從而可以實現一次性對一個數據指標進行統計分析和對多個數據指標進行統計分析。

下面以2011年和2012年云南大理白族自治州洱源縣、大理市、祥云縣和彌渡縣觀察點食用豆播種面積和食用豆新品種使用情況的調查數據為例，使用系統專題圖分析功能對數據進行分析。

圖3為所調查農戶在2011年和2012年主要作物播種面積專題圖。總體來看，兩年里食用豆的播種面積在各個縣都占主要地位，僅在2011年彌渡縣和2012年大理市食用豆播種面積位居第二，由此可知食用豆為當地重要的糧食作物之一。從縱向來看，2012年洱源縣食用豆播種面積變化較大，將近減少7.5 hm2。其他三縣基本保持不變。但是通過圖中可以看到，洱源縣其他作物播種面積也大幅下降，說明2012年洱源縣農業生產可能由于自然災害等原因呈現下滑趨勢。從橫向來看，2011年大理市食用豆播種面積居四個縣之首，依次是洱源縣、彌渡縣，祥云縣;2012年大理市食用豆播種面積仍居首位，依次是彌渡縣、祥云縣，洱源縣，說明食用豆在4個縣的播種面積年際間變化相對不大。

圖3 作物播種面積專題圖Fig.3 The thematic map of crop sowing area

圖4為2011年和2012年豆農在種植食用豆時使用新老品種播種面積專題圖。從縱向來看，祥云縣和彌渡縣在2011年新品種使用量均在90%以上，但是在2012年新品種使用量大幅下降;洱源縣和大理市兩年內新老品種使用情況基本保持一致，使用老品種所占比例遠遠大于新品種，說明四個縣的食用豆新品種推廣工作還有待進一步加強。

圖4 新舊品種播種面積專題圖Fig.4 The thematic map of new and old seed sowing area

圖5為2011年和2012年導致豆農在食用豆種植中不使用食用豆新品種的各種原因的比例圖。從縱向來看，主要影響豆農使用新品種的因素在洱源縣、彌渡縣和祥云縣基本沒有太大變化，大理市變化較大。從橫向來看，2011年豆農在上一年留種是導致豆農在食用豆種植中不使用新品種的主要原因，這一因素的影響力在祥云縣最為突出，其次是彌渡縣、大理市和洱源縣。沒有其他品種好和新品種價格是次之的影響因素。2012年上一年留種依然是影響洱源縣、祥云縣和彌渡縣的主要因素，但是大理市的豆農卻有較多人是出于隔年換的想法使用舊品種，說明不同地區食用豆新品種使用的影響因素存在一定差異。

圖5 影響食用豆新品種使用專題圖Fig.5 The thematic map of factors influencing new edible bean varieties use

圖6為2011年和2012年豆農選擇食用豆新品種時重點關注的新品種各種性能的專題圖。從橫向來看，2011年4個縣的基本情況大致相同，豆農重點關注的新品種性能依次為新品種的高產、不易感染病害、不宜感染蟲害的能力以及未來食用豆質量好、售價高，關注最低的是新品種的抗旱能力;2012年新品種高產特性依舊是豆農最為關心的，同時豆農對新品種抗旱能力的要求有所提高，而對未來食用豆是否質量好、售價高的關注度有所降低。這可能與2012年食用豆生產受降水等自然條件影響較大有關。

圖6 新品種性能關注專題圖Fig.6 The thematic map of the concerns with new variety performance

以上對食用豆播種面積和食用豆新品種使用情況的部分數據分析表明:在云南大理白族自治州4個縣食用豆的播種面積較大，為當地主要糧食作物之一。但食用豆新品種的使用情況不容樂觀。食用豆所用品種基本來自于豆農自產自留的種子，種子更新換代極慢。通過對圖4的分析了解到，新品種本身性能沒有得到良好的體現和種子價格太貴是造成這一現象的主要原因;通過對圖5的分析了解到，豆農對新品種性能最為關心的依然是新品種的高產性能，其次才是產品質量和銷售前景，這也是造成食用豆質量不穩定的主要因素。種子作為特殊和不可替代的農業生產資料，是發揮農業科學技術作用的載體，它體現了農業科技水平的高低。因此，針對目前食用豆新品種的使用情況，必須加大配套技術的使用以體現食用豆新品種的新特性，同時加大對食用豆產業的扶持力度，對豆農使用新品種進行資金補貼，提高其使用新品種的積極性;同時增強豆農對食用豆質量的重視意識，食用豆的優質是開拓食用豆市場、擴大食用豆貿易、實現食用豆更高經濟效益的基礎，是增強豆農種植食用豆積極性和推動食用豆產業發展的重要保障。

3 結論

在國家食用豆現代農業產業技術體系建立初期，設計并實現了基于GIS的食用豆信息系統。系統將管理信息系統技術和地理信息系統技術相結合，實現對食用豆生產、銷售、加工和貿易數據規范管理、信息查詢、統計分析和專題圖分析。利用該系統對云南大理白族自治州洱源縣、大理市、祥云縣和彌渡縣調查數據的整理、輸入、查詢和分析，實現了從調查材料輸入到有效信息輸出的過程。系統具有較高的數據規范能力，高效快速的數據操作大量減少了人力的消耗，同時在數據檢索和分析方面融入了地理信息系統，實現了數據二維表格分析以外的數據地圖分析，為提高數據的利用價值提供了技術支撐。通過對4個縣食用豆種植和食用豆新品種使用情況的數據分析，得出了云南大理白族自治州食用豆種植及食用豆新品種目前發展狀況，對食用豆產業體系在云南的新品種推廣發展提出了建議。同時，食用豆生產周期較長，制約食用豆產量增長的因素也很多，如氣候、蟲害、自然災害等，而且食用豆市場供求形勢的變化也非常快，因此建立食用豆信息化網絡，將信息化服務貫穿于食用豆生產、銷售、加工和貿易的全過程，遍及食用豆災害預警、產品流通、產業效益、產品質量安全等各個方面，將是未來國家食用豆產業技術體系的一項重大任務。基于GIS的食用豆管理信息系統為將來建立食用豆信息化網絡提供了基礎。

［1］張蕙杰，郭永田，周俊玲，等.近年綠豆價格波動的成因分析［J］.農業經濟問題，2012(4):30-34.

［2］陳 新.江蘇省食用豆生產現狀及發展前景［J］.江蘇農業科學，2009(5):4-8.

［3］劉 峰.黑龍江省綠豆產業現狀及技術對策［J］.雜糧作物，2010(2):151-153.

［4］徐東旭.冀西北食用豆生產研發現狀與發展建議［J］.農業科技通訊，2010(3):22-23.

［5］王麗俠，程須珍，王素華.綠豆種質資源、育種及遺傳研究進展［J］.中國農業科學，2009，42(5):1519-1527.

［6］藺崇明，李亞蘭.食用豆類作物的經濟價值及開發利用途徑［J］.陜西農業科學，1999(5):29-30.

［7］楊福運，諸葉平，鄂 越.基于GIS的農業經濟信息服務系統的設計與實現［J］.中國農學通報，2008，24(5):429-433.

［8］林偉君.基于GIS的大宗農產品數據信息可視化管理研究［J］.廣東農業科學，2012(16):185-188.

［9］鄂 越.農業經濟空間信息服務系統的研究與實現［J］.計算機工程與科學，2008，30(5):68-71.

［10］QU X H，ZHUANG D F，QIU D S.Studies on GIS based tracing and traceability of safe crop product in China［J］.Agricultural Sciences in China，2007，6(6):724-731.

［11］楊 漾，謝健文，胡月明.GIS技術在農作物病蟲害監測預警系統中的應用［J］.廣東農業科學，2012(10):200-202.

［12］翁 梅.張文獅，尹紅征.基于GIS技術的河南省重點保護植物管理信息系統設計與分析［J］.河南農業大學學報，2011，45(1):123-126.

［13］凡 燕，朱科峰，曹 靜，等.基于B/S結構的江蘇省設施蔬菜數據管理系統的設計與實現［J］.江蘇農業學報，2011，27(6):1387-1393.

［14］林孝松.基本農田地理信息系統設計與開發［J］.重慶師范大學學報:自然科學版，2005，22(2):68-71.

［15］孫治貴.基于組件式GIS技術的水稻生產管理信息系統開發研究［J］.農業工程學報，2004，20(3):137-140.

［16］朱 毅.農作物分析與評價專題圖系統［J］.計算機系統應用，2012，21(4):1-5.

［17］劉興權，郭 徽.基于Supermap Object的專題圖制作方法探討［J］.黑龍江科技信息，2008(22):81.