基于WebGIS的現代農業發展綜合管理決策系統設計與實現

劉洋洋

摘 要： 為加快三門峽農業信息化進程，實現各部門數據共享、避免重復投資等目標，該文以VS 2010作為開發環境，以Oracle 10.0為數據庫，以ArcGIS Server 10為服務發布管理平臺，以數字三門峽地理空間框架提供的數據為基礎，綜合運用WebGIS技術、REST架構技術和jQuery技術等先進技術，設計并構建了統一規劃的、資源共享的、“一站式”的三門峽現代農業發展綜合管理決策系統，實現了農業概況、生產條件、農業展示、信息建設以及后臺管理等功能。運行結果表明，該系統有效地解決了三門峽現有農業管理系統因獨立建設所造成的重復投資、服務對象單一、易用性和交互性差、綜合服務能力弱及數據無法共享所形成的“信息孤島”問題，為當地農業信息化建設提供了有力的技術支持。

關鍵詞： 農業信息化； 數據共享； 重復投資； WebGIS； 信息孤島

中圖分類號： TN911?34； TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0076?05

Abstract：In order to speed up the process of Sanmenxia agricultural informatization， achieve the goal of data sharing and avoidg repeat investment， in this paper， VS2010 is taken as the development environment， Oracle10.0 as the database， and Server ArcGIS 10 as the service management platform， the data provided by the Sanmenxia geospatial framework as the base， a unified planning， resource sharing，"one?stop"Sanmenxia modern agricultural development and integrated management decision?making system was designed and constructed by means of comprehensive application of WebGIS technology， REST architecture technology， jQuery technology and other advanced technologies， which has realized the functions of agricultural general situation， production condition， agricultural exhibition， information construction and background management. The running results show this system can effectively solve overlapping investment caused by independent construction， single service object， poor usability and interactivity， weak comprehensive service ability and "information island" formed by unable data sharing in the existing Sanmenxia agricultural management system. It provided a strong technical support for the local agricultural information construction.

Keyboard： agricultural informatization； data sharing； repeat investment； WebGIS； information island

0 引 言

隨著WebGIS技術、計算機技術等信息化技術的飛速發展，傳統的農業領域也享受到了其所帶來的成果。山東農業大學的宋健以北京地區冬小麥信息為基礎，綜合運用Web技術、數據庫技術及GIS技術，研發了一套基于WebGIS的小麥農情信息管理系統。中南林業科技大學的劉燕瓊則基于JQuery的輕量級WebGIS，綜合運用MVC的軟件架構，結合AJAX、數據加密技術、MySQL技術、富客戶端技術等Web開發技術，設計開發了基于WebGIS的農業生物資源利用系統。諸如此類的專家學者將WebGIS技術應用到農業生產當中，提高農業生產效率，促進農業經濟發展，已成我國農業現代化建設的大趨勢[1?4]。

WebGIS即網絡地理信息系統，是指基于Internet平臺，將Web技術應用于GIS開發，并由多臺主機、數據庫以及終端機器按照一定行業標準所組成的分布式信息系統。WebGIS具有跨平臺性、可擴展性、廣泛的訪問和使用范圍、系統投資少且性價比高等一系列的優良特性[5?7]。

三門峽市響應國家全面推廣信息農業的號召，積極開展了農業信息化建設，創建了包括果園遙感分析系統、三門峽農機作業智能指揮調度系統等一系列農業信息系統。雖然取得了一定的成果，但由于三門峽市各農業系統大多是獨立建設投資的，因此造成了重復投資、服務對象單一、綜合服務能力弱、擴展性差、跨平臺性差及數據無法共享等不良現象和嚴重的資源浪費。鑒于上述現象，為滿足三門峽建立“一站式”農業地理信息服務平臺的需求，該文設計并實現了基于WebGIS的三門峽現代農業發展綜合管理決策系統。

1 系統總體架構

該系統采用REST三層B/S分布式體系架構，總體邏輯架構共分三層，分別為客戶端（客戶層）、應用服務端（服務層）和數據服務端（數據層）。系統邏輯架構如圖1所示。

客戶端：即WebGIS系統中的客戶層，主要實現系統數據及功能的展示，是人機交互的核心載體。在該層中，用戶不需安裝其他軟件，只需使用通用的瀏覽器（IE、搜狗或Google等）即可訪問并使用系統提供的各項功能。

應用服務器端：即WebGIS系統中的服務層，該層是系統的核心層，用于實現系統的業務邏輯。該層利用ArcGIS Server服務器來響應從客戶端傳來的請求，然后調用本層中的各種應用組件并運用ArcSDE實現與數據服務器端的數據交互，最后對相應數據進行處理并將處理結果反饋給客戶端的用戶。

數據服務器端：即WebGIS系統中的數據層，是整個系統的基礎。該層通過數據庫來管理農業資源數據中所包括的基礎地理數據和農業業務數據，為系統提供數據保障。在具體設計中，系統采用了Orcale 10.0關系數據庫來存儲和管理各種農業數據，并通過空間數據引擎ArcSDE來實現空間數據在關系數據庫中的存儲、查詢檢索等功能。

2 系統功能設計

根據當地農業發展的實際需求，該文按照自上而下的設計原則，對系統進行了詳細的功能設計。系統共分為5大功能模塊，分別為：農業概況功能模塊、生產條件功能模塊、農業展示功能模塊、信息建設功能模塊和后臺管理功能模塊，其整體架構如圖2所示。

2.1 農業概況功能模塊

該模塊提供了對人口、耕地面積、農作物布局、農作物產量以及農民收入的歷年數據的統計分析、空間展示和空間查詢等功能，從空間宏觀視角全方面展示了三門峽農業農村的建設現狀及發展趨勢。

2.2 生產條件功能模塊

生產條件模塊是本系統的核心部分，它不僅能對影響農業生產的各類要素，包括自然要素和科技要素，進行歷年數據的對比分析，而且還能根據用戶對農業耕種的具體需求，提供相應的輔助決策。該模塊能更好地幫助農業管理部門進行農業宏觀管理，并促進當地的農業發展。根據當地農業生產的實際需求，生產條件模塊實現了以下幾項特色功能：農業氣候、土壤肥力、土地利用現狀、基本農田保護、農田灌溉和三農服務。

2.3 農業展示功能模塊

農業展示旨在為用戶提供更全面更詳細的農業產業信息，以輔助用戶進行決策。基于用戶的需求，農業展示模塊主要提供了以下幾種功能：高產創建（布局、產量、基本信息、面積）、產業集群（集群空間分布、現狀）、龍頭企業（企業信息管理、查詢、信息展示、空間分布）、農民合作社（信息管理、查詢統計、空間分布）、農業標準化建設（示范基地、三品一標）等。

2.4 信息建設功能模塊

開放性應用平臺必須要與其他農業系統以及相關網站進行集成，才能幫助用戶實現跨平臺訪問。基于開放性平臺和三門峽當地農業發展的實際需求，該模塊提供了以下農業網站的鏈接：黃河農網、河南省農產品質量安全追溯平臺、三門峽農業物聯網綜合監控視頻、三門峽物聯網示范基地遠程視頻。

2.5 后臺管理功能模塊

基于WebGIS系統的需求，后臺管理模塊應在總體上實現對業務數據的管理、權限的管理以及用戶的管理等功能。在具體的設計中，該模塊主要包括以下功能：企業信息管理、圖片管理、農業農村管理和用戶管理。

3 數據庫設計

根據當地農業建設的實際需求，該文將系統數據庫分為基礎地理數據庫和業務數據庫兩部分，并通過Geodatabase，ArcSDE空間數據庫引擎和Oracle 10.0大型企業級數據庫管理軟件協力進行數據庫管理[8]。

3.1 基礎地理數據庫設計

基礎地理數據庫主要用于存儲系統相關的基礎地理信息數據，包括三門峽市行政區劃（地級、縣市級、鄉鎮級、村級）、遙感影像數據、基礎矢量地形圖等。由于本系統的數據處理、服務器創建和管理均通過ArcGIS系列軟件平臺實現。為了便于管理，系統的基礎地理信息數據采用ESRI研發的Geodatabase來存放，然后通過ArcSDE對數據進行入庫。Geodatabase是ESRI公司設計的新一代面向對象的空間數據庫，它采用面向對象的技術將真實世界抽象為地理空間信息的要素類（點、線、面）和不包含地理空間要素的對象類（要素屬性）[9?10]。

3.2 業務數據庫設計

業務數據庫即屬性數據庫，主要用于存儲各種農業相關的屬性數據。該系統中農業業務數據主要包括：農業土地資源數據、農業氣候資源數據、龍頭企業數據、農民合作社數據、農業人口與經濟發展數據等，每種數據內部都包含有多個要素類，并確定了各要素類的幾何表示類型（點、線、面、柵格），每個要素都會有一組基本屬性，包括標識碼、形狀、名稱、數據類型以及農業生產相關屬性信息等。農業業務數據庫數據字典如表1所示。系統業務數據庫所涉及的表有：人口信息統計表、農作物面積表、農民合作社表、龍頭企業表、產業集群表、三品一標表、標準化示范基地表等。

4 系統部分功能模塊實現

4.1 土地利用現狀功能模塊實現

土地利用現狀調查是指以縣為單位，查清農、林、牧、漁場、居民點的土地權屬界線以及各類用地的面積、分布和利用狀況[11]。考慮到土地利用現狀調查在農業生產以及三農建設中具有重要意義，系統對該模塊進行了重點設計。

與以往農業系統相比，該系統的土地利用現狀模塊結合ArcGIS平臺提供的空間查詢功能，提供了多種查詢及統計方式，如條件查詢、屬性查詢、自定義范圍查詢、按行政區統計以及區域統計等。用戶可根據對土地利用現狀查詢的具體需求選擇最合適的方式來查詢，而后系統將自動生成相應的查詢結果。

以區域統計為例，用戶可以根據需求，在圖層中任意畫出圖形來劃定所要查詢的范圍，而后系統將自動把劃定范圍內屬性信息的統計分析結果反饋給用戶。在具體的設計中，該模塊采用了ArcGIS API for JavaScrip提供的QueryTask類來實現相關功能[12?13]，其實現步驟如下所示：

（1） 打開土地利用現狀模塊窗口，然后選擇繪制幾何圖形的方式及形狀。以點繪圖方式繪制不規則多邊形為例，用戶首先點擊地圖量測按鈕并選擇點繪圖方式，然后按順序依次設置點位，劃定所需查詢范圍后雙擊鼠標，所繪點位將自動連接閉合成一個不規則多邊形。

（2） 多邊形閉合完成后，系統將自動把所繪多邊形中的圖形要素傳輸到后臺服務器中。隨后服務器會新建一個QueryTask類并令其與多邊形所在的基礎圖層的URL進行鏈接，以使其能夠調用該圖層的要素信息。最后QueryTask定義空間查詢條件。系統將區域統計模塊的空間查詢條件定義為SPATIAL_REL_INTERSECTS ，即查詢所繪多邊形與基礎圖層相交部分的要素信息。

（3） 根據定義的空間查詢條件對所繪多邊形和基礎圖層的空間關系進行判定，如無相交，則返回無查詢結果并顯示給用戶，如有相交，則返回featureSet參數，并將相交部分的featureSet參數繪制到GraphicsLayer中以實現多邊形在基礎圖層中的高亮顯示，而后通過Attributes屬性字段將查詢所得的多邊形與基礎圖層相交范圍內的屬性信息以表格窗口的形式反饋給用戶，如圖3所示。

4.2 基本農田保護功能模塊實現

基本農田保護是指根據一定時期人口和國民經濟發展對農產品的需求以及對建設用地的預測后，對長期不得占用的耕地依法實行保護的一項土地行政措施。基本農田保護對中國糧食安全以及農業發展有著至關重要的意義[14]。

該模塊利用ArcGIS提供的空間和屬性查詢功能，將地圖中每塊農田通過標識碼、保護區編號以及要素代碼進行關聯認證。用戶可輸入代表每塊農田的標識碼、保護碼等任意一種編號來查詢該農田的相關屬性信息，系統會自動將所查地塊高亮顯示，并且提供對該地塊的統計分析功能。

4.3 農民合作社功能模塊實現

農民合作社是在農村家庭承包經營基礎上，讓同類農產品的生產經營者或者同類農業生產經營服務的提供者和利用者自愿聯合、民主管理的互助性經濟組織。農民合作社以其成員為主要服務對象，提供農業生產資料的購買，農產品的銷售、加工、運輸、貯藏以及與農業生產經營有關的技術、信息等服務[15]。鑒于農民合作社在農業發展中所起到的重要作用，系統對農民合作社功能模塊進行了精心的設計。該模塊功能主要分為以下3塊：

（1） 空間分布展示

通過GIS的地圖展示功能，可以在地圖上展示國家、省級農民合作社的位置信息，以讓用戶對合作社地域空間分布有一個直觀、形象的了解，也方便用戶通過空間位置進行農業合作社信息的查詢。

（2） 合作社分類展示

通過GIS的地圖符號定制及地圖數據符號化功能可以將農民合作社按照不同的類型分別使用特定地圖符號樣式進行分類展示，如按照行業類別進行展示（不同行業設置不同的顯示符號）、按照規模不同進行展示、按照產值多少進行分類展示等。

（3） 農民合作社查詢

考慮到系統的用戶大多為普通農戶，因此該模塊提供了多種人性化和大眾化的農業合作社信息查詢方式，用戶不需專業培訓即可快速上手。

農民合作社的查詢及定位功能輕松實現了由圖到文，由文到圖的圖文互訪功能，該功能主要是通過以下幾種查詢方式實現的：

（1） 點擊查詢

用戶通過點擊地圖上任一農民合作社點數據，就可得到該合作社的詳細信息，如企業法人信息、企業的基本介紹、圖片信息等。

（2） 區域查詢

用戶通過在地圖任意位置繪制多邊形或圓形就可以查詢出位于該繪圖區域內所有農民合作社。查詢結果一般以兩種方式展示：查詢結果自動標注在地圖上和結果以列表形式展示在頁面上。

（3） 按行政區查詢

通過該方式，用戶可以選擇或輸入某一行政區，如陜縣，從而檢索出陜縣的所有農民合作社數據信息。

（4） 關鍵字查詢

用戶通過在頁面上輸入關鍵字來進行農民合作社信息檢索，關鍵字輸入完成后點擊搜索，系統將自動把檢索結果標繪定位在地圖上，并顯示在搜索結果列表內，如圖4所示。

4.4 三農服務功能模塊實現

三農問題即農村、農業、農民三大問題，中國作為一個農業大國，解決三農問題不僅關系到國家糧食安全和社會穩定，更是全面建設小康社會的基本保障。該系統基于三門峽解決當地三農問題的需求，為其量身打造了三農服務功能模塊。

該模塊旨在幫助當地農民獲取農業生產資料供應、農產品購銷服務站的空間分布等信息。用戶打開系統，點擊展開系統業務樹中“三農服務”節點后，系統將自動彈出三農服務功能面板。在具體應用中，該模塊主要包括農產品質量檢測機構、農技站、土壤墑情監測站、種子企業、化肥生產廠家等農業物資服務站的詳細信息。三農服務模塊功能如圖5所示。

5 結 語

該文以地理信息公共服務平臺為基礎，將計算機技術、WebGIS技術與基礎地理信息數據、農業數據相結合，應用在農業發展綜合管理決策方面，對實現農業現代化具有重要的意義。該文研究成果及創新點主要體現在以下幾個方面：

（1） 以河南省基礎地理信息服務平臺為支撐，以數字三門峽地理空間框架提供的地理信息服務、數據為基礎，綜合運用各種信息化技術，設計并實現了基于WebGIS的統一規劃的、資源共享的、“一站式”的三門峽現代農業發展綜合管理決策系統。

（2） 通過數據引擎ArcSDE連接Oracle 10.0，構建了三門峽農業地理信息綜合數據庫，實現了當地農業數據與基礎地理信息數據的統一管理；通過建立開放式數據共享接口實現了數據的共享和應用集成，有效解決了三門峽市目前農業系統間的“信息孤島”問題。

[ 圖4 關鍵字查詢功能 圖5 三農服務模塊功能]

（3） 構建的土地利用現狀調查、基本農田保護等對農業發展具有輔助決策作用的特色功能模塊，可幫助用戶了解土地利用現狀并制定合理的耕種計劃，從而提高土地利用率。該文設計的農民合作社模塊和三農服務模塊，為三門峽推廣特色農業提供了強力支持。

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