基于GIS技術(shù)精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)的研制

李文文+王雪濤+任磊+陳亮亮+姜娜+張振國(guó)

摘 要：該研究是以淮上區(qū)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，依據(jù)國(guó)內(nèi)外典型的精準(zhǔn)施肥理論，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和3S集成空間技術(shù)，開(kāi)發(fā)出基于A(yíng)rcObjects與C#.NET的精準(zhǔn)施肥專(zhuān)家系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以讓農(nóng)民能夠及時(shí)的、有效的收到來(lái)自施肥專(zhuān)家針對(duì)不同農(nóng)作物和土壤現(xiàn)狀提供的相應(yīng)的施肥建議，同時(shí)還能為用戶(hù)提供圖文并茂的農(nóng)業(yè)百科知識(shí)。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)施肥；淮上區(qū)；GIS；施肥專(zhuān)家系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào) S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）05-0108-03

Abstract：This research is based on Huai area data as the data support，based on the theories of domestic and foreign typical precise fertilization，and developing space for computer network technology and 3S integration technology，developed a precise fertilization expert system based on ArcObjects and C#.NET.This system allows farmers to receive corresponding fertilization recommendations from the fertilization expert for different crop and soil status in time and effectively，and also provides users with illustrated agricultural knowledge.

Key words：Precise fertilization；Huai area；GIS；Fertilization expert syste

1 引言

我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益已無(wú)法適應(yīng)和滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，我們必須發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)之路。實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目可促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)[1]發(fā)展。我們可以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)域的土壤狀況，掌握土壤的需肥規(guī)律，來(lái)調(diào)節(jié)肥料的使用分配，提高土壤的利用率，達(dá)到用最少的肥料創(chuàng)造農(nóng)作物高收入的目的，同時(shí)還可以避免資源的浪費(fèi)，改善農(nóng)田的種植環(huán)境[2]。

2 研究區(qū)概況

系統(tǒng)的研究試用區(qū)域?yàn)槲挥诎不帐“霾菏斜辈浚本?2°57′～33°05′、東經(jīng)117°14′～119°08′。它位于江淮分水嶺末尾，是江淮丘陵與淮海平原的過(guò)渡地帶。此區(qū)域內(nèi)大多數(shù)的景觀(guān)為平原、丘陵和臺(tái)地三種類(lèi)型，其中以平原為主，地勢(shì)西北高東南低，自然坡降達(dá)1/10 000左右。該區(qū)域氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，因?yàn)樗挥趤啛釒c暖溫帶過(guò)渡區(qū)，所以兼具南北兩方的特點(diǎn)。

3 研究方法

本次研究運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)，對(duì)采樣點(diǎn)各種土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成柵格專(zhuān)題數(shù)據(jù)圖層，并且利用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，研制出精準(zhǔn)施肥專(zhuān)家系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥建議模型的構(gòu)建以及形成可視化的輸出結(jié)果[3]。

3.1 土壤數(shù)據(jù)采集 首先采用GPS定位技術(shù)，在研究區(qū)內(nèi)確定數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，獲取土壤樣本，然后對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤化驗(yàn)，科學(xué)有效的測(cè)定出土壤pH值與樣本中的有機(jī)質(zhì)含量等，同時(shí)還包括部分重要微量元素的含量，最后將測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入精準(zhǔn)施肥專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 養(yǎng)分真實(shí)利用率[4] 依照施肥量、土壤養(yǎng)分減少量及作物養(yǎng)分吸收量，得出肥料養(yǎng)分使用率及肥料養(yǎng)分缺失率。

3.3 土壤養(yǎng)分分布 由于土壤養(yǎng)分的空間分布不僅需要考慮到樣本值的大小，還需要考慮到樣本的空間位置和樣本之間的距離。因此我們決定運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)分析中的克里金插值法對(duì)樣本值進(jìn)行插值處理，得到土壤養(yǎng)分的空間差異分布結(jié)果。根據(jù)淮上區(qū)土壤養(yǎng)分分布現(xiàn)狀，運(yùn)用普通克里金法對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異特征進(jìn)行研究，在其研究過(guò)程中利用半變異函數(shù)描繪土壤性質(zhì)空間中的變異，從而反映出不同距離觀(guān)測(cè)值之間的差異，即兩點(diǎn)間差值的方差的一半[5]。

[r（x，h）=12VarZ（x）-Z（x+h）]

其中Z（x）與Z（x+h）為在點(diǎn)x與x+h處的區(qū)域變化值。

由此可見(jiàn)，半變異函數(shù)隨著自變量x與h的改變而變化，當(dāng)半變異函數(shù)r（x，h）僅與間隔h相關(guān)而與地點(diǎn)x無(wú)關(guān)時(shí)，r（x，h）可改寫(xiě)為r（h），即

[r（h）=12N（h）i=1N（h）[Z（xi）-Z（xi+h）]2]

式中，N（h）是間距為h時(shí)的樣點(diǎn)對(duì)數(shù)，r（h）為變異函數(shù)，h為樣本空間間隔距離，稱(chēng)為步長(zhǎng)，[Z（xi）]與[Z（xi+h）]為在點(diǎn)[xi]與[xi+h]處的區(qū)域化變量值。r（h）的值在一定范圍內(nèi)隨h的增長(zhǎng)而增大，當(dāng)測(cè)點(diǎn)的間距大于最大相關(guān)距離時(shí)，該值趨于平穩(wěn)的靜止?fàn)顟B(tài)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)的面向?qū)ο鬄檗r(nóng)民，建設(shè)目標(biāo)是根據(jù)地塊現(xiàn)狀實(shí)時(shí)為農(nóng)戶(hù)提供精準(zhǔn)的施肥建議以及種植技術(shù)扶持，同時(shí)結(jié)合管理系統(tǒng)的現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展前景，設(shè)計(jì)出規(guī)范的具有科學(xué)性、先進(jìn)性、易拓展和易操作管理等特點(diǎn)的軟件系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)總體框架 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的總體構(gòu)架，主要分為如下幾個(gè)邏輯層次：視圖層（用戶(hù)界面）、應(yīng)用層（服務(wù)平臺(tái)）、數(shù)據(jù)層（基礎(chǔ)平臺(tái)）和物理層（系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)）。

4.3 界面設(shè)計(jì) 界面設(shè)計(jì)能協(xié)助農(nóng)戶(hù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、高效的操作，不需要感受后臺(tái)繁瑣程序的運(yùn)行流程。同時(shí)由于用戶(hù)的文化水平層次不齊且普遍不高，因此，界面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)潔化。通過(guò)采用用戶(hù)原則、數(shù)據(jù)最小量原則、幫助和提醒原則、媒體組合原則等組合最終設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)界面主要分為：菜單欄、工具欄、屬性欄、圖層區(qū)、視圖瀏覽區(qū)等。

4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型是SQL Sever 2008 R2。專(zhuān)家施肥系統(tǒng)屬于典型的應(yīng)用型信息系統(tǒng)，采用的是混合型結(jié)構(gòu)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可存儲(chǔ)農(nóng)作物的空間信息和屬性信息。其中涉及的屬性信息主要包括土壤養(yǎng)分、農(nóng)業(yè)百科及歷年參考數(shù)據(jù)等信息。

5 專(zhuān)家施肥系統(tǒng)

該施肥系統(tǒng)是基于組件技術(shù)ArcObjects與C#.NET的應(yīng)用型軟件，各組件之間可通過(guò)接口進(jìn)行連接，因此保證了施肥系統(tǒng)的開(kāi)放性與易拓展性（圖2）。施肥模型的構(gòu)建具有一定的針對(duì)性同時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)均由測(cè)站點(diǎn)測(cè)量處理得到從而保證了專(zhuān)家系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及科學(xué)性。系統(tǒng)不僅可以提供精確的施肥建議，還能夠?yàn)橛脩?hù)實(shí)時(shí)推送種植技巧以及田間護(hù)理方法等農(nóng)業(yè)百科知識(shí)保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性以及實(shí)用性。在后期的系統(tǒng)運(yùn)行中我們還會(huì)根據(jù)用戶(hù)需求及時(shí)作出相應(yīng)的修改措施，確保系統(tǒng)能夠與時(shí)俱進(jìn)為用戶(hù)提供精準(zhǔn)全面的農(nóng)業(yè)服務(wù)。

系統(tǒng)的主要功能模塊分別為：土壤養(yǎng)分、農(nóng)業(yè)百科、施肥建議、歷年數(shù)據(jù)。

5.1 土壤養(yǎng)分 土壤養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)過(guò)程中從土壤汲取的必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。土壤養(yǎng)分模塊主要包含地塊信息、土壤屬性、地塊大量元素含量、地塊微量元素含量以及養(yǎng)分平均值。以上數(shù)據(jù)信息作為施肥建議模塊的源數(shù)據(jù)。

5.2 農(nóng)業(yè)百科 農(nóng)業(yè)百科模塊包括種植技術(shù)、除草技術(shù)和病蟲(chóng)防害。其中種植技術(shù)可以為農(nóng)戶(hù)科普各種作物耕作、栽培的技術(shù)手段和操作技巧；除草技術(shù)可以幫助農(nóng)戶(hù)科學(xué)合理的應(yīng)用生化技術(shù)科學(xué)有效的除草，保護(hù)農(nóng)作物能夠充分利用各類(lèi)生長(zhǎng)要素從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)；病蟲(chóng)害可引導(dǎo)農(nóng)戶(hù)從農(nóng)業(yè)、物理、化學(xué)以及生物等方面的技術(shù)措施減輕或防止病原微生物和害蟲(chóng)危害作物生長(zhǎng)。

5.3 施肥建議 施肥建議模塊是該系統(tǒng)的核心，包含肥料類(lèi)別與參數(shù)、施肥量計(jì)算和肥料搭配方案三大方面的計(jì)算功能與編輯。系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥鲤B(yǎng)分現(xiàn)狀和農(nóng)作物所需養(yǎng)分?jǐn)?shù)值計(jì)算出各元素的需求量，然后依據(jù)農(nóng)戶(hù)選擇的肥料類(lèi)型配比出最適宜的施肥量。

5.4 歷年數(shù)據(jù) 農(nóng)戶(hù)可根據(jù)歷年數(shù)據(jù)得出作物各階段生長(zhǎng)特性及季節(jié)性病蟲(chóng)害防治時(shí)間，從而科學(xué)有效地做好相關(guān)防治準(zhǔn)備工作和應(yīng)對(duì)措施。

5.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.5.1 開(kāi)發(fā)軟件 Microsoft Visual Studio 2012。

5.5.2 服務(wù)器要求 操作系統(tǒng)Windows Sever2003以上的版本；數(shù)據(jù)庫(kù)采納SQL Sever 2008 R2；GIS軟件ArcGIS 10.2、ArcGIS Sever 10.2、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

5.5.3 客戶(hù)端要求 操作系統(tǒng)Windows XP以上、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

6 結(jié)論

施肥專(zhuān)家系統(tǒng)，是利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的空間分析技術(shù)和組件式ArcObjects與C#.NET開(kāi)發(fā)出來(lái)的一款軟件，能根據(jù)采樣點(diǎn)信息對(duì)區(qū)域的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，同時(shí)根據(jù)農(nóng)作物各階段需求對(duì)農(nóng)作物施肥提供全面、精確、有效的建議，確保農(nóng)民能夠根據(jù)土壤現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)、有效的合理施肥。

雖然施肥專(zhuān)家系統(tǒng)能夠利用施肥模型給用戶(hù)提供科學(xué)的施肥配方，但配方的科學(xué)性仍會(huì)受到各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，同時(shí)肥料的利用率還與地形地貌、降雨以及施肥方式等因素有關(guān)，因此后續(xù)的過(guò)程中我們?nèi)孕枰鶕?jù)具體問(wèn)題在系統(tǒng)優(yōu)化環(huán)節(jié)中做進(jìn)一步的改進(jìn)。

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（責(zé)編：張長(zhǎng)青）