基于行政區劃與衛星影像的地區級測土配方施肥系統開發與應用

馬利強，何國慶，顧洪瑞，張志勇(.河北省農村信息化工程技術研究中心，河北廊坊056000;.邯鄲市農業局信息中心，河北邯鄲056000;.邯鄲市農業局土壤肥料站，河南邯鄲056000)

我國多以縣域主體研究實現測土配方施肥系統［1－3］，筆者根據地區級實際需要和信息技術平臺的優勢，結合GIS、Web技術以及測土配方查詢模式，實現了一種基于行政區劃與衛星影像結合的測土配方施肥查詢模式，綜合其他查詢模式以及數據管理維護功能，構建了一種地區級測土配方施肥專家服務系統，實現了縣級采樣、地區級建庫建模統一服務平臺、分縣維護分級應用、離線在線結合的功能架構和測土配方施肥有關的信息數據的展示、查詢、分析等功能，并且能為決策部門提供宏觀決策依據，為農戶提供施肥配方指導。

1 系統總體設計與實現

1.1 系統架構 系統搭建地區級(市級)、縣級、鄉鎮和村級服務站4級服務體系見圖1。系統應用服務結構見圖2。

1.2 系統功能介紹 系統功能結構見圖3。整個軟件架構采取多種架構搭建，圖3中上半部分部分為中心管理部分，包括測土配方施肥數據管理系統、地圖服務系統和土肥信息網3部分，地圖服務采取ArcServer發布，提供行政區劃、衛星影像、土壤養分和地形地貌和土壤養分專題圖的展現發查詢調用。其中測土配方施肥數據管理系統中測土點的土壤養分資料數據是地圖服務中土壤養分含量圖層的數據來源，根據測土點的養分數據生成的土壤養分含量等值面數據，同時可生成土壤養分專題圖，供土肥網站專題圖欄目的數據發布需要。

下半部分為客戶端(觸摸屏)查詢應用，為保證界面的美感采取Flash As3開發集成，界面炫麗友好，所以測土底層功能運算由測土配方施肥查詢系統支撐，其中網絡地圖來源中心地圖服務支持、本地離線地圖來源與客戶端地圖系統支持。

1.2.1 土肥信息網。地區級的土肥信息網主要是針對土壤肥料相關信息進行發布，同時對測土配方施肥專家服務系統提供資訊信息來源，可面向全地區開展服務。

1.2.2 測土配方施肥數據管理系統。測土配方施肥數據管理系統主要針對測土的相關數據進行統一管理，所有數據按區縣進行獨立管理，各成體系，互不影響，提供數據同步接口為測土配方施肥專家服務系統提供基礎數據。

1.2.3 地圖服務。地圖服務搭建了一整套地圖系統供顯示以及土壤養分以及地形地貌查詢，為后續施肥建議決策提供基礎數據。是一種形象化的查詢手段，非常方便測土地塊的定位。

1.2.4 測土配方施肥專家查詢系統。測土配方施肥專家服務系統通過調用地圖服務展示地圖，并獲取土壤養分以及地形地貌數據，進行測土配方施肥決策，同時支持網上查詢、觸摸屏和客戶端3種模式的瀏覽，集成數據同步接口聯網情況下能夠自動更新數據管理系統中的最新數據。

2 系統應用

該系統己經完成系統系統建設，并應用于邯鄲市土壤肥料站。邯鄲市土肥站全市統一搭建測土配方施肥系統，各縣分別制訂各縣配方肥以及施肥體系，同時各縣在對應服務服務配備觸摸屏，全市共為基層服務站配備觸摸屏600臺，終端應用5 500個。在有條件的服務站配備了配肥機設備，可自動完成配肥生產，達到了統一建設、分別服務的目的。

3 系統主要關鍵技術與創新

3.1 主要關鍵技術

3.1.1 地圖服務搭建。結合行政區圖以及衛星影像的地圖展示和查詢模式是該系統設計的重點，只有對空間數據庫進行合理的設計，才能開發出完善而高效的地理信息系統［4］，地圖服務提供的空間地圖數據主要包括行政區劃、地形地貌、衛星影像和土壤養分4類。

該研究中行政區劃和地形地貌的地圖數據由項目建設方提供，是基于地級市的地圖。行政區圖主要包括:縣界、鄉界、縣名、村名。地形地貌主要包括:全市地類面，能夠區別任意地塊是否耕地、村莊、道路等。通過地類的劃分，可以在查詢時區分是否可進行測土的農用地，并且可根據地類決策目標產量。衛星影像一般可通過地圖公司或處理遙感數據獲得。

該系統中規劃了8個級別的地圖縮放，其中前4項為行政區圖的縮放，第1、2級僅顯示縣界，第3級顯示鄉界、第4級增加顯示村名，第5～8級顯示為衛星影像圖。理論上可以增加到最大可支持級別的衛星影像地圖，如圖4所示。

圖4示例了行政區圖和衛星地圖的整合，提供了一個非常友好的地圖展現定位過程，但最終的目標是從定位的地塊中獲取土壤養分等相關數據，轉交到測土配方施肥查詢系統中進行施肥決策服務。所以地圖服務的一個重要功能就是提供土壤養分含量的查詢服務。

土壤養分數據來源于土壤測試3414試驗中的結果數據，主要包括經緯度和養分含量數據。

土壤養分地圖服務的主要目標就是把土壤測試結果的點數據，制作為全地圖的養分含量等值面數據。該項目利用ArcGIS的IDW工具將點生成為等值面數據，等值面的最小單位長度可以設置，該項目中設置約為50 m。

在發布地圖服務時，因為項目需要針對全地級市以及各區縣都可進行各自的地圖服務查詢，針對此種情況專門發布了全市統一的衛星影像服務，不同區縣調用時從公共衛星影像服務中調用本區縣的衛星影像服務即可，既簡化了服務發布的步驟，同時避免了地圖資源的冗余。

在開發過程中，將行政區圖與衛星影像圖疊加時，發現坐標系存在偏移誤差，導致實用功能中點擊衛星影像中的村莊無法真正定位為村莊坐標，經過影像校準，將影像進行適當偏移調整，使精度滿足正常查詢使用要求。

3.1.2 配方肥選擇。在施肥計算過程中，同一作物有多種不同的配方底肥，但最終建議采并輸出到建議卡上的配方肥只有一種，通過研究對比分析得出最優匹配系數算法，根據所需氮磷鉀肥量比例與配方肥養分含量逐個對比分析，計算得出匹配系數，進而通過比較找出比例最接近的配方肥。

3.1.3 專題圖快速顯示。開始設計時，將土壤養分專題圖設計為動態根據屬性信息自動計算并顯示專題圖。在實現過程中發現，以縣級地圖及養分數據的情況下專題圖動態展示的速度都比較慢，無法接收。后來調整為將專題圖保存為靜態圖片，然后根據靜態圖片進行對外顯示展示，訪問速度慢的問題得以解決，實現了專題圖的快速顯示。

3.2 系統特點

3.2.1 穩定性。設計開發了新的系統架構，建立了全地區統一的服務平臺，減少了分縣平臺的重復建設，通過分級多終端系統為系統應用提供了保證，實現了一套中心平臺，分縣管理測土體系，多種終端下基層。

3.2.2 實用性。行政區圖與衛星地圖結合的模式，任意種植地塊均可測土;自動識別村莊、鐵路等非種植用地;可針對鄉鎮進行適宜作物規劃，支持配肥機接口，可根據建議卡直接生產配方肥。

［1］胡開全.基于ArcGIS Engine的縣域配方施肥系統的設計與實現［D］.武漢:華中農業大學，2008.

［2］張浩，李福超，馬新明，等.基于GIS的縣域小麥測土配方施肥系統設計與實現［J］.河南農業大學學報，2008(5):566 －569，524.

［3］蘇偉，聶宜民，胡曉潔，等.利用Kriging插值方法研究山東龍口北馬鎮農田土壤養分的空間變異［J］.安徽農業大學學報，2004(1):76－81.

［4］周曉愚，王永國，陳建卓.遙感技術及其在農業上的應用［J］.現代化農業，2004(6):37－38.