大數據背景下山東省農作制信息查詢優化平臺

姜紅花,王秀麗,白鵬,李光忠,寧堂原

1.山東農業大學信息學院,山東泰安271018

2.山東農業大學作物生物學國家重點實驗室,山東泰安271018

3.山東農業大學機電學院,山東泰安271018

大數據背景下山東省農作制信息查詢優化平臺

姜紅花1,王秀麗1,白鵬3,李光忠1,寧堂原2*

1.山東農業大學信息學院,山東泰安271018

2.山東農業大學作物生物學國家重點實驗室,山東泰安271018

3.山東農業大學機電學院,山東泰安271018

山東省是農業大省，農業信息量大，需要運用大數據的數據存取、基礎架構、數據處理、統計分析等技術，根據全省不同經濟帶的區域生態地理及環境特征與國內外市場動向,把人口—資源—環境—發展作為一個復合系統。本文詳細介紹了農作制信息查詢與種植優化平臺的開發過程、數據存取、基礎架構、數據挖掘、統計分析及具體的實現策略；該平臺由登錄注冊模塊、信息查詢模塊、種植優化模塊和后臺管理模塊構成，通過表格、柱狀圖和ARCGIS地圖的方式將數據直觀動態的展示給用戶；動態查詢的設定，使查詢操作更便捷有效；以勞動力，肥料，資金等作為農業種植規劃的約束條件，結合單純形法，在現有資源的前提下，給予用戶最優的種植策略。

信息查詢;ARCGIS地圖;種植優化;大數據

目前山東省尚處在半集約半自給半商品農作制水平，東部沿海和魯中農業區正在向現代農作制邁進，初步形成了糧食、飼料、經濟等作物協調發展的新格局。山東省農作制運行中存在著一系列不容忽視的非持續性制約因素[1]。一方面糧食生產附加值低，缺少園藝、經濟等高附加值作物，另一方面第二、三產業發展薄弱，缺少農產品加工業。隨著信息技術的發展應用,農作制度信息化管理的作用和意義日趨重要。大數據背景下山東省農作制信息查詢優化系統可以實現區域農作制度信息化管理，根據全省不同經濟帶的區域生態地理及環境特征與國內外市場動向，把人口—資源—環境—發展作為一個復合系統，運用大數據的數據存取、數據處理、地理信息、模型模擬及專家系統統計分析等技術，對區域農業資源、種植制度及相關產業和農產品市場供需與價格等方面的動態數據進行資源管理與分析，對其發展前景預測與輔助決策，實現農作制度的地區化、多元化、信息化，實現高產優質高效的農業可持續化[2,3]。利用山東省區域優勢，科學規劃，實現農作物種植效益的最大化[4,5]。

1 開發工具

農作制信息查詢與種植優化平臺選用Oracle數據庫服務器，ArcGIS Server地圖服務器。采用B/S模式，通過BlazeDS實現服務器與客戶端通信，以Hibernate框架與數據庫進行交互，Java為后臺服務器開發語言[6]，flex和ActionScript為前臺客戶端開發語言[7]，用ARCGIS技術發布GIS資源，實現數據展示的多元化，通過調用ARCGIS API for Flex將地圖資源和其它資源(ArcGIS Online)嵌入到Web中[8]。以MyEclipse+FlashBuilder+Apache Tomcat為平臺開發環境[9]。整個框架包括表現層、應用層和數據層3個部分[10]，如圖1所示。

圖1 系統總體框架結構Fig.1 The total framework of the system

客戶端基于組件劃分，具有很強的擴展性和重用性，基于FLEX的多種地圖服務相結合以及通信技術使空間信息發布和瀏覽速度大大提高[11]。

2 平臺基礎架構

圖2 平臺功能模塊Fig.2 Platform function module

農作制信息查詢與種植優化平臺分為前臺展示和后臺管理兩個部分，如圖2所示。前臺展示包括登錄注冊、農作制信息查詢分析，信息瀏覽以及作物種植優化模塊；后臺管理包括權限管理、數據表瀏覽、數據維護、數據批量處理模塊[12]。其中信息瀏覽由地圖顯示和數據瀏覽構成；作物種植界面由優化模塊和數據備份模塊構成；后臺管理由用戶信息管理模塊和數據庫維護等模塊構成。

登錄注冊：實現用戶的申請、注冊和審批篩選。用戶分普通用戶和管理員用戶。普通用戶能進行信息的查詢瀏覽及作物種植優化操作；管理員用戶能進行數據庫管理、用戶權限分配等。用戶注冊權限由管理員進行審批篩選發送激活郵件給用戶。登陸密碼采用MD5加密，以保證系統的安全性。

運行環境：運行在windows系統上，服務器內存建議2 G左右，處理器硬盤容量在30 G以上，網絡局域網廣域網均可[13,14]。

3 數據存取

山東省農作制的海量信息，需要采用大數據的存取技術。本系統數據的完整性和一致性相比較高，為了使系統具有較快的響應速度，系統所有數據存在一個數據庫中。數據庫中的數據主要來源于農業部門統計的《山東省農業統計年鑒》及相關文獻，數據時段為1年，涉及山東省17地級市農林牧副漁產量產值數據、播種面積、養殖面積、灌溉面積等農林用地、建設用地等共約50個數據指標。各類數據通過分析處理、優化運算，可得到各區域農作物的最優化種植生產潛力。

3.1 數據庫結構

系統數據庫共有29個數據表，分別是地區基本信息表、產值類別表、各市歷年農林牧漁產值基礎表、各市歷年農林牧漁產值統計一級類別表、各市歷年農林牧漁產值統計二級類別表、全省歷年農林牧漁總產值表、全省歷年糧棉油生產情況表、全省歷年畜牧業肉產量存欄量情況表、全省歷年漁業產量養殖面積情況表、土地類別表、各市地類面積情況表、農業主要產品類別表、農業主要產品生產情況表、水產品養殖捕撈類別表、水產品生產情況表、水產品養殖面積情況表、畜牧業主要產品類別表、畜牧業主要產品生產情況表、茶葉水果類別表、茶葉水果產量表、茶葉水果用地情況表、各市灌溉面積情況表、林業營林類別表、林業營林情況表、林業主要產品類別表、林業主要產品生產情況表、林業用地情況表、用戶信息表。部分表結構如下：

表1 產值類別Table 1 Output value category

表2 地區基本信息Table 2 Regional basic information

表3 各市歷年農林牧漁產值基礎表Table 3 Output basic list of agriculture,forestry,animal husbandry and fishery in every city every year

表4 農業主要產品生產情況表Table 4 Production of major agricultural products

3.2 數據表之間的關系

圖3 表間關系1Fig.3 Relationship 1 between tables

圖4 表間關系2Fig.4 Relationship 2 between tables

4 數據查詢瀏覽模塊

4.1 數據瀏覽

數據瀏覽是對全省歷年農林牧副漁的產量、生產情況、種植面積（養殖面積）及歷年總產值構成等數據的展示，數據縱覽部分又分為全省歷年數據縱覽和各市歷年數據縱覽。單擊農作制信息查詢與瀏覽界面的左側或選中地圖中要瀏覽的城市，即可出現相應的數據。

4.2 查詢分析

數據查詢功能主要是對農林牧副漁業產量產值和播種、養殖等數據的查詢，分為數據縱覽和詳細查詢兩部分，查詢的內容主要采用三種方式進行數據展示：表格，柱狀圖/折線圖，ARCGIS地圖。

表格：客戶端設置查詢條件后系統以表格的形式展現數據，表格列標題即用戶查詢設定的條件，并可對表格數據按條件排序，是通過公用函數public function table Show()實現。

柱狀圖/折線圖：將查詢的數據生成相應柱狀圖或折線圖的形式進行對比分析，并為圖表加標簽。柱狀圖/折線圖可以顯示單個城市多年份單個關鍵字、單個年份多個城市單個關鍵字和單個城市單個年份多個關鍵字的數據。當用戶選擇多城市多年份多關鍵字時，用戶需選擇柱狀圖的橫縱坐標(地區-年份，地區-關鍵字)，比如用戶選擇地區-年份，需再次選擇某一城市多個年份或某一年份多個城市來顯示數據。其中柱狀圖如圖5所示。

圖5 數據瀏覽柱狀圖Fig.5 Data browsing histogram

圖6 鼠標選擇截圖區域Fig.6 Screen shot area of mouse selection

詳細查詢模塊由四個查詢條件組合實現數據查詢。四個查詢條件分別為城市、年份、農林牧漁具體分類和對作物查詢具體數據的限定，比如產量，產值，播種面積等。城市，年份以及字段查詢均可進行多選設定，例如（淄博市、濟南市）+（2006,2008）+農業小麥+（產值、產量）。

作物分類分為四大類（農林牧漁），大類下設二級分類及更詳細的分類，例如農業下分糧食，油料，麻類等，糧食又分夏收糧和秋收糧，夏收梁又有具體的分類，以此類推。

ARCGIS地圖標簽可以單城市單年份不同類別對比。地圖數據展示方式為在相應的城市區域上加數據標簽，顯示年份及關鍵字數據。通過ARCGIS API MapPoint方法確定城市所在區域后，在該區域添加圖層，并通過InfoSymbol對象添加要顯示的數據信息。

4.3 截圖保存功能

截圖功能用來保存瀏覽、查詢的圖表，方便用戶制作報表等用途,如圖6所示。用戶點擊截圖按鈕時前端調用服務器端截圖接口，用戶通過鼠標選取矩形截圖區域后雙擊選擇保存路徑，將截圖保存為JPG格式文件。截圖功能是使用java.util.Robot類的public void snapshot()來實現對屏幕矩形區域的捕獲。

4.4 地圖查詢功能

地圖查詢功能指用戶在選定某一城市時地圖對應區域突出顯示，顏色加深，可以直觀的看到選擇的城市。用戶選取城市時，Action Script根據查詢選定的城市名調用ARCGIS API的get FID()方法獲得該城市FID地圖屬性，由該屬性創建query task任務，確定該城市在地圖上的區域，在該區域上添加一圖層，設定該圖層邊界線加粗，并加深該區域的顏色，以達到突出顯示的目的。

4.5 查詢業務和種植優化業務

查詢業務和種植優化業務的流程圖如圖7、圖8所示。

圖7 查詢業務流程圖Fig.7 Query the business flow chart

圖8 種植優化業務流程圖Fig.8 Planting optimization business flow chart

圖9 單純形法解題流程圖Fig.9 Solving Problem Flowchart of simplex method

5 種植優化模塊

5.1 線性規劃基本思想

理論根據[15]：線性規劃問題的可行域是n維向量空間Rn中的多面凸集，其最優值如果存在必在該凸集的某頂點處達到。頂點所對應的可行解稱為基本可行解[16]。

把線性規劃問題約束方程組表達成典范型方程組，先找出基本可行解，鑒別判斷是否是最優解；若不是，則按照一定法則轉換到另一改進基本可行解再鑒別；若仍不是，則再轉換,按此重復進行。基本可行解的個數有限，經有限次轉換必能得出問題最優解。一般解題流程如圖9所示[17]。

5.2 線性規劃的數學模型

線性規劃的標準形式。

目標函數：S=c1x1+c2x2+...+cnxn

約束條件：

其中，bi≥0(i=1,2,...m)，aij,bi,cj(i=1,2,...,m;j=1,2,...n)均為常數，xj(j=1,2,...,n)為未知量。

5.3 優化設計示例

設某種植基地要種植糧食、棉花和油料3類農作物，現有資源水資源3350 m3，肥料470 kg，勞動力575個，糧食、棉花、油料所需資源情況如下表所示：

表7 糧食、棉花、油料每公頃所需資源情況表Table 7 Resources of grain,cotton and oil per hectare

土地資源約束：x1+x2+x3=1

水資源約束：3780x1+2350x2+3330x3≤3350

肥料約束：428x1+548x2+520x3≤470

勞動力約束：600x1+525x2+550x3≤575

目標收益最大即：8203x1+9439x2+15812x3

由此建立的種植優化模型如下：

5.4 種植優化界面設計

種植優化界面分為四部分，第一部分為優化對象，作物種類設置，數據來源于數據庫；第二部分為目標函數，約束條件設置；第三部分為優化目標設置及結果顯示；第四部分為歷史操作記錄；用戶還可以選擇將操作數據與結果存入文件中保存備用。種植優化界面如圖10所示：

6 農業統計數據后臺數據管理系統

6.1 后臺管理模塊

后臺管理模塊是實現數據維護及用戶管理，用戶管理包括用戶的啟用、禁用、篩選激活及權限的管理；數據維護主要是各數據表的管理，包括：數據表瀏覽、維護、數據批量刪除及數據表整體導入導出。數據瀏覽表的界面如圖11所示。管理主界面左側點擊相應的項可瀏覽表內數據。

圖10 種植優化操作界面圖Fig.10 Planting optimization interface

圖11 數據瀏覽Fig.11 Data browse

6.2 數據庫維護

數據庫維護提供數據基本的增、刪、改、查等功能。通過農產品類別號查詢定位到目標數據項進行修改或刪除操；也可根據共性條件查詢刪除批量數據或批量導入數據，并設有“取消”按鈕。查詢字段有年份和產品類別號，其中年份是精確查詢，類別號是匹配文本開頭的模糊查詢。

6.3 數據表的整體導入和導出

數據添加有兩種方式：一是逐條數據依次添加；另一種是多條數據批量添加。數據的導出：將表數據全部導出為excel文件或根據excel文件中相應數據表結構，按數據字段的順序導出。

空間數據導入到數據庫前，要對數據進行預處理，包括數據格式的轉換、圖層的篩選、數據完整性的檢查、拓撲關系的檢查等，以確保空間數據的數據質量及整個系統運行的穩定性。其次，根據應用的需要，按照數據庫數據表設計原則，對數據表結構進行設計；按照數據層的數據組織結構，建立數據集和要素類，利用Arc Catalog導入工具或編寫的導入程序將處理好的空間數據導入到空間數據庫中。屬性數據和元數據，則將整理好的文字資料導入到ORACLE10g數據庫對應表空間的數據表中。

數據層利用Atc SDE進行空間數據的管理，實現了空間數據和屬性數據的無縫集成，為WEBGIS的信息查詢、分析、決策提供了強大的數據支持。

7 總結與展望

農作制信息查詢與優化平臺利用Oracle數據庫，結合Flex技術和ARCGIS地圖服務開發的農業綜合服務性平臺，界面豐富，交互性強，動態數據查詢、直觀多樣的數據瀏覽及種植優化決策，將數據與地圖更好的結合在一起，實現了數據柱狀圖地圖顯示、地圖排序及不同作物數據對比等功能。許多農業生產問題借助線性規劃思想來解決，運用單純形法數學模型表達，求出問題最優解，給予用戶最優的種植策略建議。

目前平臺數據只是局限在山東省17地市，今后會將范圍具體到縣區，讓數據更加詳細；采用更高效的優化算法取代單純形法，充分利用農業資源，挖掘現有耕地潛力，實現種植業、養殖業及加工業的協調發展，有效解決經濟發展與資源、環境間的矛盾。

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Information Query Optimization Platform about Shandong Province Farming System on Hadoop Background

JIANGHong-hua1,WANGXiu-li1,BAIPeng3,LIGuang-zhong1,NINGTang-yuan2*
1.College of Information Science and Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
2.State Key Laboratory of Crop Biology/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
3.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

Shandong province is a big agricultural province.And its agricultural information is vast.So it need some hadoop’s technology to complete an integrated system,such as data’s saving and taking,basic frame,data’s processing,statistical analysis and so on.It integrates population,resource,environment and development,basing on regional ecological geography of different economic zone in Shandong province.This paper introduces in detail the development of the platform about farming system information query and planting optimization.In addition,it tells about systemic data’s saving and taking,basic frame,data mining,statistical analysis and specific implementation strategy.This platform is made of login registration,information search,planting optimization and content manage system.It may show lots of data for user by the form of table,histogram,ARCGIS map visually and dynamically.It can give user the most optimal planting strategy, integrating simplex method and agricultural plant planning’s constraint condition,such as the labor,fertilizer,fund,etc.

Information query;ARCGIS map;planting optimization;hadoop

TP391

:A

:1000-2324(2017)01-0150-07

2015-10-23

:2015-11-08

公益性行業(農業)科研專項(201103001、201503121-05)

姜紅花(1971-),女,博士,副教授,主要從事農業信息化研究.E-mail:j_honghua@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:ningty@163.com