WebGIS架構棉花估產輔助決策系統的設計*

錢育蓉，冷洪勇，魏心雨，楊啟萌，毛福江，王淑媛

（新疆大學軟件學院，新疆 烏魯木齊 830004）

WebGIS架構棉花估產輔助決策系統的設計*

錢育蓉，冷洪勇，魏心雨，楊啟萌，毛福江，王淑媛

（新疆大學軟件學院，新疆 烏魯木齊 830004）

新疆是國家棉花主產區，提高種植監管的現代化、信息化水平對穩定棉花產量、價格具有引領和示范作用。將WebGIS架構、3S技術與棉花估產建模技術相結合，輔以實地調查和基于植被指數的棉花遙感估產模型，以瑪納斯為縣級試驗區，將植被葉片病蟲害受損度計算、面積和產量估測以及棉花病蟲害專家診療等模塊納入棉花估產輔助決策系統，在Web Service架構下實現了棉花的長勢、種植面積及其空間分布的電子地圖展示，以期輔助棉花產量和價格的評估，為新疆地區棉花生產的實時監測和管理提供輔助決策依據，準確、快速、及時地監測和預報棉花主產區的生產狀況，也同時為我國棉花價格和市場穩定提供科學依據。

遙感；輔助決策；估產；WebGIS；專家診療

新疆具有日照時間長、晝夜溫差大、人口密度低、人均耕地面積高等諸多優勢，十分適宜棉花種植生產，是我國最大的商品棉生產出口基地[1]，其棉花種植面積、總產、單產和商品調撥量連續21年穩居全國首位[2]。然而受棉花種植面積減小、災害及病蟲害等原因影響，近年來棉花產量與預測產量出現較大誤差，引發市場投機炒作和價格異常波動[3]，棉價的暴漲、暴跌，不僅極大的損害棉農切實利益，對紡織企業甚至社會的穩定都帶來了巨大的影響，因此，及時、動態、準確的預測棉花產量，輔助政府部門開展新疆棉花的種植、監測和管理，不僅對棉農的生產計劃、紡織企業的生產安排、國家的宏觀調控有著直接的作用，還有利于保障我國棉花產業安全、優化種植業布局和促進新疆社會穩定。

隨著3S技術（RS、GIS、GPS）的不斷發展，對植被生產力與生物量的研究已經從小范圍、二維尺度的傳統地面測量發展到大范圍、多維時空的遙感模型估算[4-5]。基于3S數據構建棉花遙感監測和估產模型（CYE－DSS）將遙感技術和地理信息系統等信息化手段相結合，實現從信息獲取、信息處理到信息應用的一體技術，具有宏觀、快速、經濟、信息量大的特點。考慮到新疆的棉花種植機械化程度高、耕地平整連片、條田建設規范、統一種植與栽培管理，并且棉花生長季節以晴天為主，陰雨天少，灌溉農業和管理宜于控制，具有開展以遙感應用為核心的精準農業的優勢。本研究綜合運用3S、WebGIS和系統建模等技術估測棉花的種植面積與產量，進行大面積范圍內的實時長勢監測，嘗試能夠為新疆棉花產量價格估測以及區域化綜合管理提供輔助決策依據。

1 CYE-DSS的設計目標

目前，利用3S手段開展的小麥、玉米、水稻等農作物方面遙感監測估產的研究較多[6]，但對棉花識別模型和生產力估測主要集中在研究領域，雖然對新疆棉花的遙感監測和估產研究已經取得了不少成果[7-8]，但這些研究成果還未被推廣和應用，專業的遙感處理軟件和技術知識門檻使得廣大的棉花種植管理人員無法共享科學研究和進步的果實，必須將這些專業的技術和知識打包，以模塊和專業服務的方式提供，不但能使得非遙感估產專家們及時了解棉花長勢和價格，以輔助管理和決策人員正確判斷棉花市場和價格，還能在棉花估產模型的構造、軟件服務平臺的搭建及產業化等方面開展進一步探索和嘗試。

基于3S的棉花估產輔助決策系統是利用專家輔助決策理論來實現的圖文數據分析綜合信息服務解決方案，本項目首先解決基于3S數據的棉花遙感估產模型的構建和驗證問題，繼而面向數據和應用進一步優化基于Web Service的棉花遙感信息輔助決策模型（遙感監測和估產），綜合運用3S技術將棉花的估產、監管和決策輔助等功能集成，基于B/S架構實現了試驗區的棉花估產輔助決策系統，該系統可以方便棉花管理決策人員開展棉花種植面積、長勢、產量的集中管理，可在新疆棉花種植核心區推廣，以輔助棉花種植者、農業部工作人員開展棉花種植的決策和管理工作。

圖1 基于J2EE架構的分布式WebGIS體系結構

2 分布式WebGIS架構

目前，提供3S遙感模型服務的開發越來越多，其相關產品種類也層出不窮，比較專業的產品分別是ArcGIS系列、Maplnfo系列、uDig系列、Intergraph系列和Supermap系列等，這些產品從桌面應用到Web服務都有完整的解決方案，考慮到J2EE規范提供了一個多層結構的分布式應用程序模型，具有重用組件的能力，基于XML/GML的數據交換、統一的安全模式和靈活的事務控制，應用邏輯按功能劃分為組件，各個應用組件根據他們所在的層可以分布在不同的機器上。本研究在J2EE框架下搭建基于Web Service的多層分布式體系架構，采用如圖1所示的分布式云服務體系結構。

3 四層結構的CYE-DSS設計

基于Web Service技術的WebGIS體系結構具有分布式、可互操作、方便集成現有GIS資源的優點，有良好的擴展性，本研究擬基于此采用如圖2所示的典型結構，它包括四個層次：表示層、Web應用層、Web服務層、功能實現和數據層。其中Web服務層是系統應用集成平臺的核心層，相當于原多層體系結構的業務層[9]。

3.1 表示層

主要由多個GIS應用和Web瀏覽器組成，通過Internet與應用系統平臺連接，面向用戶提供訪問服務接口，實現GIS數據的展現，完成地圖的瀏覽、放大、縮小、GIS的查詢和分析結果表現，并支持GIS分析結果的輸出。

3.2 Web應用層

主要由防火墻、負載均衡器 （Load Balancer）、Web服務器簇和Service客戶端等組成。該層可根據當前Web服務器的負載動態調整均衡網絡或服務請求，并隔離內外網以起到系統保護的作用，本研究中還負責調用與遙感生態模型相對應的 Web Service來進行業務處理并返回結果。

3.3 Web服務層

是分布式WebGIS的核心，由UDDI注冊中心、服務總線（Service Bus）、Web Service容器、應用服務器和服務代理（Service Broker）組成，實現業務邏輯，接受來自客戶的請求，進行分析并搜索調用相應的Web服務。

3.4 功能實現和數據層

包括已有并開放的數據庫、GIS資源和服務，在原有體系的基礎上進行Web Service封裝，使之符合Web Service調用規范。該分布式計算平臺將棉花監測Web Service發布到公共注冊中心，對于僅供內部使用的Web Service則發布到內部注冊中心。當有外部用戶請求Web Service時，Web服務器轉發請求給Service客戶端。

圖2 分布式WebGIS棉花監測體系結構

圖3 包含棉花種植信息的瑪納斯電子地圖

圖4 基于數字圖像的棉花病害率輔助決策模塊

圖5 研究區樣點經緯度和NDVI截圖

4 CYE-DSS的實現

為了驗證基于WebGIS的CYE-DSS設計，本研究選取天山北坡中段的優質棉花產區--瑪納斯縣作為縣級實驗區，該地區光熱水土條件十分優越，規模植棉歷史已有60多年，被農業部授予 “中國優質棉花之鄉”，2013年的棉花平均單產達到350kg/667m2以上，最高的六戶地鎮陳家渠片可以達到500kg/667m2，創出當地植棉歷史新高。

針對當前棉農和棉花管理者在棉花估產和輔助決策管理方面存在的顯示問題，基于WebGIS的棉花估產輔助決策系統主要實現了以下幾個方面的功能：（1）通過WebGIS實現了研究區電子地圖的發布，包括地圖的縮放、面積量算、圖層控制、地圖輸出以及屬性信息和空間信息查詢等功能 （如圖3）；（2）內嵌了基于數字圖片的植被葉片受損度批量計算模塊，可客觀、準確地依據真彩色數碼相片自動計算葉片長、寬、面積以及受損率，以輔助棉花管理人員進行決策；（3）能夠精確顯示鼠標懸停點的經緯度信息，實現棉花種植區的精確管理；（4）對采樣點數據進行專題圖分析，使用戶了解樣區中各樣點屬性的分布情況；（5）對不同的用戶（管理者和棉農）設置不同的權限，并提供相應屬性數據的增、刪、改功能。

5 討論

針對棉花估產和決策管理的信息化、自動化程度低的現象，試圖探索實現一種基于WebGIS的棉花估產輔助決策系統，不僅能夠基于3S技術實現棉花產量的預估，還能夠綜合已有信息輔助管理專家開展棉花種植的監督、管理和決策。但是由于人力、財力、時間以及技術儲備知識等方面的局限，和已有的研究相比，CYE-DSS還存在進一步完善和改進的空間：（1）遙感圖像導入CYE-DSS之前還需預處理。由于遙感圖像在用于棉花估產之前需要進行一系列的預處理操作，如：輻射校正、大氣校正、幾何校正、掩膜、鑲嵌、植被指數計算等環節，均涉及復雜的計算和迭代，在WebGIS的服務器端實現上述預處理操作會增加服務器端計算負擔，造成客戶端響應時間長并帶來較差的用戶體驗，因此，CYE-DSS在導入電子地圖之前需要利用專業遙感處理軟件將研究區遙感圖像進行預處理，在今后的工作中需要進一步優化服務器端以將更多的專業處理放在服務器端，以減少CYE-DSS的運行維護工作量。（2）CYE-DSS缺乏對移動客戶端的支持。隨著移動互聯網和社交網絡的興起，廣大棉農、管理人員和專家若能利用智能手機終端開展棉花的估產和病蟲害專家診斷工作，并利用社交網絡開展棉花種植、病蟲害防治等信息的共享和交互，將會使新疆地區的棉花種植和管理的信息化程度大大增加，不僅能使棉農增收、加強災害應對能力，還能夠進一步提高管理效率和信息化程度，為實現“集中管理、統一籌劃、信息共享、高效決策”預期目的奠定堅實基礎。

6 結論

將網絡計算技術引人農業信息服務，可以將零散資源整合成極大規模的數據庫云，既可輕松實現無限存儲、超級運算、高效快速傳輸、資源共享等傳統技術無法實現的功能，又可以有效發揮鄉鎮互聯網覆蓋率已經超過99%的優勢，實現多種資源的便捷獲取和全面共享，提高農業信息服務的水平和質量。一方面，通過3S技術快速、準確的掌控棉花種植信息，不但可以縮短產量預估周期、提高管理決策效率，還能通過專家決策輔助系統來指導生產、物流、倉儲等下游環節，降低經營成本、減少人力、資金和物資投入；另一方面，基于WebGIS的CYE-DSS的建設不但有利于農業綜合信息服務平臺的搭建，可降低農業信息化的建設成本，加快農業信息的共享、共建和管理，還可以有效促進棉花種植業勞動力的合理分布，指導勞動力市場的良性運轉，進而拉動新疆棉花種植業勞動力市場的的合理分配和勞動密集型就業。最后，考慮到新疆棉花產量及價格與國際棉花價格期貨市場相關，CYE-DSS通過遙感估產模型實時估測棉花產量，不但有利于準確把握棉花期貨價格，還能指導棉花中下游生產加工企業的生產性投資，減低企業投資風險，為農業訂單式生產提供科學依據。

[1]孔杰，張勝，趙淑琴，等.2006—2012年新疆北部棉區高密度植棉模式下雜交種主要經濟性狀優勢分析[J].新疆農業科學，2013，50（9）：1569-1576.

[2]梁山.新疆欲大幅削減棉花種植面積 [N].上海證券報，2015-3-13，A06版.

[3]盧凌霄，劉慧.推進棉花目標價格改革研究[J].價格理論與實踐，2015（1）：21-23.

[4]辛海強，馮志敏.棉花種植區衛星遙感監測研究[J].測繪與空間地理信息，2014，37（2）：25-27.

[5]劉姣娣，曹衛彬，李華，等.基于植被指數的新疆棉花遙感估產模型研究 [J].石河子大學學報 （自然科學版），2011，29（2）：153-157.

[6]蒙繼華，吳炳方．基于衛星遙感預測作物成熟期的可行性分析[J].遙感技術與應用，2013，28（2）：165-173.

[7]高中靈，徐新剛，王紀華，等.基于時間序列NDVI相似性分析的棉花估產[J].農業工程學報，2012，28（2）：148－153.

[8]任玲，曹衛彬，李江全，等.基于GIS平臺的兵團棉花遙感監測數據庫的設計[J].農機化研究，2011（7）：114-117.

[9]鄒鵬，蔣平安，張土前.基于WebGIS的新疆耕地資源數據庫系統的設計與實現[J].新疆農業科學，2012，49（8）：1525-1530.

2015—04—28

國家自然科學基金項目（61462079、61363083、61262088）；自治區高技術科技計劃項目（201412111）；新疆青年博士科技人才創新項目（2013731004）；新疆高校科研計劃項目 （XJEDU2012I10）；新疆自治區自然科學基金（2013211A011、2011211A011）。