基于GIS觸摸屏施肥推薦查詢系統的開發與應用

童倩倩, 岳延濱, 李莉婕, 孫長青, 彭志良, 趙澤英,陳維榕,王 虎, 舒 田

(貴州省農業科技信息研究所， 貴州 貴陽 550006)

基于GIS觸摸屏施肥推薦查詢系統的開發與應用

童倩倩, 岳延濱, 李莉婕, 孫長青, 彭志良, 趙澤英*,陳維榕,王 虎, 舒 田

(貴州省農業科技信息研究所， 貴州 貴陽 550006)

為更好地推廣平衡配套施肥技術，指導農民科學施肥，運用GIS技術和數據庫技術構建觸摸屏推薦施肥模型及其參數系統。系統由概況、推薦施肥、信息查詢和后臺管理等模塊組成，實現了精準到耕地單元的農作物施肥推薦。該系統在貴州興仁縣、岑鞏縣和從江縣等地的應用結果表明，其實收單產與系統推薦施肥區的目標產量平均吻合度達96.99%，為農作物的高產高效提供了技術支撐。

GIS； 觸摸屏； 施肥； 推薦查詢系統

自2005年以來，貴州省開始貫徹落實“積極推廣平衡配套施肥”的技術策略，推廣測土配方施肥技術。但是貴州地形地貌復雜，土壤類型繁多，土壤養分含量差異大，農民的種植技術參差不齊，加上推廣形式主要為發放配方施肥卡、開展技術咨詢和培訓等，使得測土配方施肥技術的推廣存在信息單一、時效性差、成本高等缺點，給大面積的科學施肥指導帶來極大的不便，制約了測土配方施肥技術成果的效益發揮。

基于農業專家知識和模仿農業專家進行推理決策的推薦施肥系統，是綜合運用現代農業科技成果，根據作物生長規律，需肥情況、土壤養分與肥料效益等，針對具體作物而提出的氮、磷、鉀及其他微肥的施肥比例和施肥技術[1-4]。作物推薦施肥系統則能有效地根據當地土肥情況，指導農民科學施肥且成本較低，信息全面，易于操作。目前，有不少學者通過設計，開發農業專家系統對農作物種植提供決策咨詢服務。潘劍君等[5]以江蘇省大豐市為對象研制基于土壤信息系統的水稻施氮量決策。周煉清等[6]基于WebGIS開發了農業園區水稻施肥推薦系統，實現了WebGIS的地圖式水稻施肥推薦。高輝等[7]以姜堰市為例，基于Visual Basic 6.0與MapObjects 2.2開發出縣域水稻精確施肥地理信息系統。 趙澤英等[8]借助GIS技術與施肥模型理論，研究開發了針對喀斯特山區的測土配方施肥決策系統。但這些研究多是基于網絡或桌面計算機系統的支持，而適用于農戶查詢、操作簡便、通俗易懂的觸摸屏施肥系統報道較少。為此，筆者利用貴州省第二次土壤普查數據、測土配方施肥數據和GIS技術構建觸摸屏推薦施肥系統，以期為平衡施肥和農作物高產高效提供數據支撐。

1 系統設計與技術開發

1.1 系統目標

在分析貴州省第二次土壤普查、測土配方施肥數據的基礎上，依據貴州主要作物，包括水稻、玉米、油菜和馬鈴薯等生長的生理特征、栽培技術及管理方法，采用前人已研究的作物推薦施肥模型成果[8-10]，運用GIS技術進行集成開發觸摸屏施肥系統。用戶只需要通過在地圖上點擊任一田間位點(或任一操作單元)，就可瀏覽該位點所屬地塊的地理位置、土種、質地、土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和pH等基本信息，輸入理想的目標產量或基礎產量等相應信息，系統生成各種施肥方案(信息表)，該方案設置簡單、精煉，方便基層人員查看和操作。

1.2 系統結構

系統功能結構是根據系統的聚散和耦合程度，將系統劃分為若干子系統或功能模塊，該系統的功能模塊包括概況、推薦施肥、信息查詢和后臺管理等模塊(圖1)。系統主界面包括6個按鈕，分別是概況、地圖推薦施肥、樣點推薦施肥、測土配方施肥知識、作物栽培管理知識和農業技術課件影像(圖2)。

圖 1 推薦施肥信息系統的功能結構設計

Fig.1 Functional structure design of the fertilization recommendation information system

圖2 推薦施肥信息系統的界面可視化

Fig.2 Interface visualization of the fertilization recommendation information system

1.3 技術路線

通過收集整理測土配方土壤采樣和測試數據、各種農作物種植技術知識，形成完備的系統數據庫，結合使用ArcGIS Desktop創建的離線地圖，通過構建完善的主要作物推薦施肥模型，在已搭建好的開發平臺上，最終建立推薦施肥信息系統(圖3)。系統通過對地圖、數據和推薦施肥模型的管理，形成推薦施肥建議和專題圖等結果，主要包括數據庫、知識庫、模型庫、施肥決策、人機界面、功能模塊。

圖3 推薦施肥信息系統的技術路線流程

Fig.3 Technical line process of the fertilization recommendation information system

1.4 開發平臺

為了使系統能充分考慮測土配方及施肥配方的計算需要，保證數據的共享性和功能的相互操作性，系統采用統一的操作系統平臺、數據庫平臺、地理信息系統平臺和應用平臺，可避免因系統間轉換數據、功能接口開發、以及系統升級擴展時產生不必要的大量維護工作，保證系統的一致性和穩定性。系統以Microsoft Visual Studio 2008為開發工具，運用C#在.NET平臺上進行系統開發，使得施肥系統具有比較高的移植性和通用性。同時，系統中離線地圖功能采用 Esri公司提供的嵌入式ArcGIS組件Arcgis Engine 9.3，在.NET環境中使用地圖接口獲取任意GIS功能的組合來構建。實現地圖控制、空間屬性瀏覽、施肥量計算、制圖及各種屬性數據查詢等。

1.5 空間數據庫

設計空間數據庫時充分考慮實際應用的需要，全面詳細地反映推薦施肥應用中需要的各種地理空間信息。空間數據庫分矢量數據和柵格數據。其中，矢量數據主要包括點圖層的氣候信息，線圖層的水系、道路和地形，面圖層的村級行政區劃、鎮級行政區劃、土地利用現狀、土壤類型、土壤養分和推薦施肥管理單元。矢量數據數據均為Shapefile類型。柵格數據主要為遙感影像數據，分辨率為5 m，數據格式為tif格式。

1.6 屬性數據庫

應用UML數據庫建模映射技術分析，采用Microsoft Office Access建立屬性數據庫。屬性數據庫包含的數據表格有推薦施肥及相關參數表、土種數據庫、肥料種類數據庫、作物施肥技術、商品肥料數據庫、肥料施用技術、土壤養分、作物屬性、養分校正系數和肥料利用系數等。屬性數據庫中存儲的相關參數包括使用模型、推薦作物、施肥種類和施肥量等。

2 系統功能

2.1 推薦施肥

系統的主要功能是精確到地塊的推薦施肥，包括地圖推薦施肥和樣點推薦施肥2種查詢方式。地圖推薦施肥可以通過地圖導航功能(包括放大、縮小、全圖和漫游等)對地塊進行查找選擇，系統能自動查詢選擇地塊的地理位置、土壤類型和養分含量等基礎信息，用戶只需簡單的填寫作物類型、目標產量，便可查詢到相關的推薦施肥方案(圖4)。

圖4 地圖推薦施肥的可視化界面

樣點推薦施肥與地圖推薦施肥不同的是可通過村名、農戶、地塊名稱的選擇確定需要查看的地塊，為不熟悉地圖方位的用戶提供便利。用戶可通過選擇縣市名稱、鄉鎮名稱、村名稱、農戶名稱、地塊名稱及統一編號等指定具體的地塊，系統自動導入該田塊面積、土種名稱、土壤采樣時間及養分測試值等，然后點擊計算施肥量按鈕，即可得施肥量的推薦(圖5)。

圖5 樣點推薦施肥的可視化界面

Fig.5 Visual interface for sampling point recommendation fertilization

2.2 信息查詢

系統信息查詢功能實現了土種資源數據、測土配方施肥相關知識、主要常見農作物栽培管理知識查詢以及農業技術影像課件播放(圖6-8)。土種資源數據主要是耕地土壤的權屬單位、耕層土壤理化性狀、地形地貌、海拔、有效積溫和年降雨量等；測土配方施肥知識包括缺素癥狀、測土配方施肥知識和肥料知識3部分內容，主要介紹常見作物缺素癥狀以及常見肥料的品種特性、施用方法及注意事項等；作物栽培管理知識包括水稻、玉米、油菜、馬鈴薯、烤煙、蔬菜、柑橘等常見作物的優良品種、栽培技術、管理技術以及病蟲害防治技術等；農業技術影像課件包括作物的栽培、病蟲防治等與農業生產密切相關的視頻。

圖6 測土配方施肥知識的可視化界面

Fig.6 Visual interface for knowledge of testing soil for formulated fertilization

圖7 作物栽培管理知識的可視化界面

Fig.7 Visual interface for knowledge of crop cultivation management

圖8 農業技術影像課件的可視化界面

Fig.8 Visual interface for agricultural technological video courseware

2.3 后臺管理

系統后臺管理主要用于維護和更新技術資料數據庫，管理員可以在后臺對數據進行增加、更改或刪除操作。用戶可以根據施肥試驗結果對施肥參數，包括作物每100 kg產量的氮吸收量、常年目標產量、肥料當季利用率、肥料中有效養分含量、基礎含量區間、農作物、農作物空白產量與目標產量對應函數、農作物肥料分配運籌、農作物前3年平均目標產量、土壤肥力對應目標產量、土壤有效養分含量水平、土壤養分豐缺調整系數、土壤有效養分校正系統、效應函數法和養分豐缺指標校正結果等進行修改調整。

3 應用

目前，已在興仁、岑鞏和從江等51個縣的農業局服務大廳或肥料企業安裝全縣(市、區)的觸摸屏施肥推薦查詢系統72套。在冊亨、施秉、平壩、盤、息烽、思南、金沙、羅甸和習水等59個縣(市、區)的鄉鎮農技站、鄉鎮政務服務大廳、肥料銷售點、園區展示中心等地安裝鄉鎮、村、園區區域范圍觸摸屏施肥推薦查詢系統共計360套。共計推廣應用觸摸屏施肥推薦查詢系統432套，累計推廣耕地面積達到18.13萬hm2，推廣應用地點分布于貴州省各個區域，包含了不同耕地土壤類型，不同耕地地力等級。通過對示范點抽樣進行田間測產，結果表明，在中等肥力的水稻同田對比試驗區，水稻品種為遵優3號，系統推薦施肥目標產量為600 kg/667m2，實收單產為599.4 kg/667m2，與系統設計目標產量吻合度為99.9%；在中等肥力玉米同田對比試驗區，品種為金玉818，系統推薦施肥目標產量為590 kg/667m2，玉米單產為583.0 kg/667m2，與系統設計目標產量吻合度為98.8%；在中等肥力的馬鈴薯示范田，系統推薦施肥區目標產量2 000 kg/667m2，實收單產為2 126.2 kg/667m2，吻合度為94.1%；在中上等肥力的油菜示范田，系統推薦施肥區目標產量為180 kg/667m2，實收單產171.3 kg/667m2，吻合度為95.17%。系統的應用為作物高產高效提供了有效的技術支撐。

4 小結

觸摸屏作為農業技術推廣信息查詢的有效使用工具，具有反應速度快、堅固耐用、節省空間、操作簡便、通俗易懂等優點，特別適合基層農技人員和農戶操作使用。基于GIS以觸摸屏為載體開發的施肥系統把圖形管理系統和數據管理系統有機地聯系起來，從而克服圖形系統與數據庫各自的局限性，使兩者優勢互補并增強了應用性，為解決科學施肥技術傳播提供了一個有效工具，農戶可以更加容易地獲取推薦施肥方案。系統不僅能實現對地塊的精準推薦施肥和信息查詢功能，還能宣傳、推廣測土配方施肥技術與知識，將農業信息技術引入到施肥中，能為農民提供種植施肥管理的決策與咨詢，提高基層農技人員的專業技術水平，為生產管理部門提供宏觀決策，提高其管理水平。

[1] 董 博,江 晶,張東偉,等.甘肅省測土配方施肥推薦系統的設計與應用[J].甘肅農業科技,2014(10):19-20.

[2] 李 亮,陳 勇,范先鵬,等.江漢平原主要農作物施肥推薦專家系統設計與實現[J].湖北農業科學,2012,51(17):3852-3854.

[3] 朱梅梅,林思伽,朱春曉.觸摸屏式施肥專家系統研究與開發[J].現代化農業,2014(1):66-67.

[4] 袁春新,郭建華,魏亞鳳,等.農業專家系統及其在水稻栽培中的應用[J].西南農業學報,2003,16(4):130-133.

[5] 潘劍君,房世波,孫維俠.利用土壤信息系統進行水稻施氮量決策初探——以江蘇省大豐市為例[J].南京農業大學學報,2000,23(3):53-56.

[6] 周煉清,史 舟,王 珂,等.基于WebGIS的農業園區水稻施肥推薦系統的研究[J].浙江大學學報：農業與生命科學版,2005,31(2):175-179.

[7] 高 輝，邢 琳，仲曉春,等.縣域水稻精確施肥地理信息系統研究與開發——以姜堰市為例[J].中國農學通報，2011,27(26):187-192.

[8] 趙澤英,彭志良,高 雪,等.喀斯特山區測土配方施肥決策系統開發研究[J].貴州農業科學,2009,37(7):229-23.

[9] 趙澤英,彭志良.貴州玉米生產智能管理系統中推薦施肥模型與參數系統初步研究[J].貴州農業科學,2004,32(3):24-27.

[10] 趙澤英,彭志良,李莉婕.茄果類蔬菜專家系統中推薦施肥模型與參數的確定[J].貴州農業科學，2008,36(4):189-191.

(責任編輯： 孫小嵐)

Development and Application of the Touch-screen Fertilization Recommendation Enquiry System Based on GIS

Tong Qianqian, YUE Yanbin, LI Lijie, SUN Changqing, PENG Zhiliang, ZHAO Zeying*, CHEN Weirong, WANG Hu, SHU Tian

(GuizhouInstituteofAgriculturalScienceandTechnologyInformation,Guiyang,Guizhou550006,China)

The touch-screen fertilization recommendation model and parameter system were established based on GIS and database technology to preferably popularize the balancing systematic fertilizing technique and guide scientific fertilization for farmers. The system consists of general situation, recommended fertilization, information enquiry and back-stage management, which can realize crops fertilization recommendation with the advantage of accurate farmland unit. The application results from Xingren, Cengong and Congjiang County show that the average fitness between actual per unit area yield and the target yield in the fertilization area recommended by the system reaches 96.99%. In conclusion, the touch-screen fertilization recommendation enquiry system can provide the technological support for high yield and high efficiency of crops.

GIS; touch-screen; fertilization; recommendation enquiry system

2015-12-25； 2016-04-29修回

貴州省科技計劃 “貴州數字農業技術研究創新能力建設”[黔科合院所創能(2011)4001] ；貴州省農業科學院院專項“測土配方施肥專家系統簡化開發與應用” [黔農科院專項(2010)040]

童倩倩(1986-)，女，助理研究員，從事農業信息與“3S”技術研究。E-mail: 172899499@qq.com。

*通訊作者:趙澤英(1975-)，男，研究員，從事農業信息技術研究。E-mail: 605538133@qq.com

1001-3601(2016)05-0226-0152-04

S126

A

農業信息·農業工程·資源環境

Agricultural Information and Technology·Agricultural Engineering·Resource and Environment