基于WebGIS的農業科技成果價值評估系統研究

陳雪瑞 賈敬敦 高萬林 任延昭

(1.中國農業大學現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室， 北京 100083；2.中國農村技術開發中心， 北京 100045)

基于WebGIS的農業科技成果價值評估系統研究

陳雪瑞1賈敬敦2高萬林1任延昭1

(1.中國農業大學現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室， 北京 100083；2.中國農村技術開發中心， 北京 100045)

為了促進農業科技成果交易，加快農業科技成果轉化，將WebGIS技術與綜合模糊評價模型相結合，設計并開發了基于WebGIS的農業科技成果價值評估系統。系統實現了農業科技成果時空數據的存儲與管理、農業科技成果價值評估、價值評估結果時空特征分析以及結果的可視化，為農業科技成果管理部門提供了一個集數據管理與時空分析為一體的工具。研究構建了價值評估三級指標體系，綜合考慮技術、效益和市場三方面因素對農業科技成果進行綜合價值評估，能夠為農業科技成果的轉化交易提供參考。

農業科技成果； WebGIS； 價值評估

引言

近年來，我國農業科技成果的數量持續增長、質量不斷提高。就農業植物新品種權來看，2014年共申請1 772項，占1999—2014年累計申請總數的13.14%；然而，2014年動、植物新品種權轉讓僅185項[1]。農業科技成果交易市場低迷、農業科技成果轉化率的持續走低，使得我國大量的農業科技成果未被轉化應用。因此，尋求更加嚴謹、科學和權威的農業科技成果水平評估方法，對于促進農業科技成果交易，加快農業科技成果轉化，對提高我國農業市場競爭力，加快發展現代農業，服務于創新型國家建設，具有重大意義。

圖1 系統體系結構Fig.1 Web structure of system

國內外學者針對農業科技成果進行了大量研究。國內研究主要側重于對農業科技成果的界定、農業科技成果轉化的內涵、農業科技成果的轉化機制以及農業科技成果轉化中存在的問題等定性問題的探討[2-4]。國外并沒有具體的農業科技成果轉化的概念，但是對技術轉讓 (technology transfer)[5-6]和技術推廣(technology extension)[7]領域做了深入的研究。國內外現有的研究主要側重定性分析和單個技術轉讓與推廣實施實例研究，缺乏對農業科技成果時空特征的挖掘；同時，傳統的高能耗、低時效的線下評估難以滿足農業科技成果供需雙方低花費、高時效的需求。

WebGIS作為Internet應用于GIS開發的產物，以其集海量數據管理和空間分析于一體的特性已廣泛應用于農業生產中[8-10]。本文針對農業科技成果的特異性以及農業科技成果評估因素的復雜性和模糊性，采用綜合模糊評估模型與WebGIS技術相結合的方式，設計并實現基于WebGIS的農業科技成果價值評估系統，以期為農業科技成果的價值評估提供一個快捷、易操作的工具。

1 系統設計

1.1 設計目標

農業科技成果價值評估系統的設計旨在通過提取影響農業科技成果水平的各項因素，對農業科技成果從技術、效益和市場3個角度進行綜合模糊評估，分析農業科技成果的等級，在農業科技成果的轉化過程中為供需雙方提供參考，也為成果管理部門提供管理依據。

本系統將國內外專家對農業科技、水平評價的研究成果與WebGIS技術相融合，在對待評估農業科技成果的各類數據，復雜的農業科技成果價值評估模型體系以及評審專家信息等大規模數據標準化管理的基礎上，分析了農業科技成果價值影響因素的構成，構建了價值評估指標體系和價值評估模型，綜合評估的運算、時序分析、空間分析以及評估結果的直觀展示等需求，兼顧技術可行性、系統可操作性和適用性，設計并開發了能夠滿足農業科技成果供需雙方以及成果管理部門需求的農業科技成果價值評估系統。

1.2 系統架構

基于B/S模式，系統采用了3層體系結構，包括顯示層、業務層和數據層，如圖1所示。顯示層通過提供可視化的界面完成數據的管理、相關指標的填寫、查詢以及各種結果的瀏覽等功能，從而實現人機交互；業務層也稱邏輯層是系統的核心，同時也是連接顯示層和數據層的紐帶，通過JDBC和ARCSDE實現對空間數據和屬性數據的訪問和調用；數據層負責屬性數據和空間數據的管理與維護，是整個系統的數據支撐。

1.3 系統功能結構設計

根據系統的建設目標，系統主要分為以下4個獨立功能模塊(圖2)：

(1)數據管理模塊。對農業科技成果進行價值評估的基礎是準確的數據，所以本模塊對各類屬性數據和空間數據進行有機的組織管理，并提供有效的數據操作。

(2)數據查詢模塊。該模塊為系統的各個用戶提供與其權限對應的數據上傳、下載和瀏覽功能。

(3)評估分析模塊。本模塊是系統的核心功能模塊，提供了農業科技成果價值評估的時序分析、不同角度的空間分析，同時將評估結果進行可視化輸出。

(4)用戶管理模塊。有效的用戶管理對維護系統的安全性和保證數據的完整性具有至關重要的作用，因此由系統管理員對不同權限的用戶進行日常管理。

圖2 系統功能模塊圖Fig.2 Diagram of function module structure of system

1.4 數據庫設計

系統中的空間數據主要包括瓦片地圖、全國行政區劃圖、農業科技成果持有單位分布點圖、成果管理部門點位圖以及各類農業科技成果評估分析的專題圖等；屬性數據主要包括農業科技成果的說明信息、成果持有者的信息以及參評專家的相關信息等。為了便于數據的管理，系統中的空間數據和屬性數據分別存儲在空間數據庫和屬性數據庫中，通過字段綁定來實現2種數據之間的關聯。

2 評估模型構建

2.1 指標體系構建

農業科技成果種類繁多且特異性顯著。因此，本研究中以單個的農業科技成果為研究對象，在提取價值評估指標的基礎上，構建農業科技成果價值的定量評估模型并對評估結果進行分析。

2.1.1 指標體系構建原則

農業科技成果價值評估指標是對農業科技成果進行評估的基礎和依據，其優劣性直接影響到評估結果的可靠性和有效性。一套完備的評估指標體系應具有以下特性：①系統性，指標體系具有層次性，綜合考慮諸多影響因素，自上而下，從宏觀到微觀層層深入，形成一個不可分割的評估體系。②科學性，指標體系結構嚴謹，指標含義清晰明確。③簡明性，指標能夠客觀真實地反映成果特點，且簡潔清晰。④可操作性，指標計算數據可獲得、可處理，現實中可操作。

2.1.2 單個指標選取原則

單個指標的選取遵循以下8個標準：可測性、敏感性、可預測性、典型性、可控性、整體性、響應性、穩定性。該8項標準由DALE提出[11]，其中整體性針對指標體系的構建，而其余7項標準均用來約束單個指標的選擇。

2.1.3 指標選取

農業科技成果價值的影響因素主要有技術性、效益性和市場性3方面。技術性指農業科技成果的技術難度和先進程度，以及所面臨的技術風險；效益性指農業科技成果在轉化應用后可能帶來的經濟、生態和社會效益；市場性指的是農業科技成果投入到市場面臨的市場環境與風險。

根據以上評估指標的選取原則，參照國家相關規定[12-14]、標準[15]以及國內外相關文獻，制定了農業科技成果價值評估3級指標體系,如表1所示。

2.2 價值評估模型

當前價值評估有神經網絡法[16-17]、數據包絡分析法[18]、主成分分析法[19-21]、綜合模糊評估法[22]、層次分析法[23-24]等多種方法。神經網絡法具有較高的適應性，但是需要大量的訓練樣本。與神經網絡法類似，主成分分析法需要大量的樣本數據。數據包絡分析法可處理多投入指標和多產出指標，更傾向于評估決策單元的相對有效性。層次分析法雖然容易受人的主觀意識影響卻是從定性到定量分析的一種系統工程方法。與其他方法相比，綜合模糊方法最大的特點是適合評估“內涵明確，外延模糊”的對象。

根據農業科技成果個性化顯著、多指標、多層次且指標具有模糊性的特點，本文采用綜合模糊評估法并結合層次分析的思想，充分利用指標體系層次結構和定性指標的模糊判斷，對農業科技成果的價值進行綜合評估。綜合模糊評估法基于模糊數學理論通過構建數學模型，基于3級農業科技成果價值評估指標體系，綜合考慮所有相關指標要素的影響程度，得出整體的評估結果，模型的詳細步驟如下：

(1)建立評估因素集和評語集。本研究中將因素集U定義為

U={u1,u2,…,ui,…,un}

(1)

表1 價值評估指標體系Tab.1 Index system of value evaluation

若因素集中的ui有子因素，則可定義為

ui={ui1,ui2,…,uij,…,uim}

(2)

式中ui——第i個一級評估因素對應第i個一級評估指標，i=1,2,…,n

uij——第i個一級評估因素下的第j個二級評估指標,j=1,2,…,m

在同一評估指標下，每一個因素集都對應一個評語集V，本研究中定義為

V={優，良，一般，差，較差}

(3)

(2)構建模糊判斷矩陣并確定因素權重。依據價值評估指標體系，設計專家意見調查表，邀請領域專家對指標的相對重要程度打分，構造判斷矩陣

(i,j=1,2,…,n)

(4)

式中rji——同一高層次指標下，次一級指標j相對于次一級指標i的重要程度

然后，對判斷矩陣進行單排序計算，確定指標權重，確定各級指標的權重向量

W=[w1…wi…wn]

(5)

其中

(6)

(7)

為了保證結果的一致性，根據矩陣理論對判斷矩陣進行一致性檢驗，當不等式CR=CI/RI<0.1成立時，則判斷矩陣具有良好的一致性條件，否則需要調整判斷矩陣，其中一致性指標

CI=(λmax-n)/(n-1)

(8)

其中

(9)

式中λmax——判斷矩陣的最大特征根n——判斷矩陣的階數Ri——指標i的判斷矩陣Wi——指標i的權重向量

(3)綜合模糊評估。評估從第3層指標向上逐層開始，第3層指標uijk對評語集V中vt的隸屬度為

(10)

式中zijk——uijk在vt的數目N——參與評估的專家總數

則該層的綜合模糊評估為

Aij=Wijδijkt×t

(11)

式中t——同1、2級指標下，3級指標的個數Wij——2級指標uij的權重向量δijkt×t——3級層指標uijk對評語集V中vt的隸屬度矩陣，t=1,2,…, 5

二級指標的綜合模糊評估表示為

Ai=Wiδijm×m

(12)

式中m——同一1級指標下，2級指標的個數δijm×m——2級層指標uij對評語集V中vt的隸屬度矩陣，t=1,2,…, 5

同理可以推斷一級指標的模糊綜合評估結果。

3 系統開發應用與驗證

3.1 系統開發

根據農業科技成果價值評估系統的設計目標，系統正常運行的支撐軟件包括Windows Server 2008操作系統、ArcGIS Server地圖服務器、Web應用服務器(tomcat)、SQL server2005數據庫等。采用面向對象的Java語言對后臺進行編譯，前臺則采用Flex作為RIA(Rich Internet applications)客戶端開發技術，主頁如圖3所示。在系統實現過程中，采用了REST(Representational state transfer)服務將價值評估模型封裝成獨立的REST服務接口，從而實現空間數據和屬性數據的同步更新與簡單維護。

圖3 系統主頁Fig.3 Home page of system

3.2 系統應用

3.2.1 時序分析

本系統的首要功能是對參評農業科技成果進行時序分析。系統內存儲了2010—2015年265個參評農業科技成果的截面數據，以及參評專家的相關信息，為管理部門人員掌握參評情況和分配專家提供數據支持。運用該時序分析模塊即可得到農業科技成果面板數據的統計信息，如圖4所示為歷年評估結果構成與成果數所占成果總數的比重。2010—2014年農業科技成果數目呈遞增趨勢，2015年參評的成果數目稍微有所下降，但較2010年的農業科技成果多50個。就評估結果來看，2010—2015年評估結果為優和良的農業科技成果所占比重也呈急速增長態勢，2015年評估結果為優的成果數目最多，占總數的46.15%，評估結果為差、較差的成果所占比率為0，從評估結果來看，2015年參評成果整體水平較好，但仍有15.38%的成果僅處于當前平均水平。

圖4 2010—2015年農業科技成果評估結果構成圖Fig.4 Diagram of agricultural scientific and technological achievements evaluation results composition in 2010—2015

3.2.2 空間分析

空間分析是本系統的核心功能。針對每一個農業科技成果，為了確保其真實性，成果持有者需要上傳各項指標的相關證明材料作為原始參考數據；專家用戶根據原始數據進行的重要性判斷和權重打分作為評估數據。系統在獲得評估數據后調用價值評估模型實現對農業科技成果的價值評估，然后根據限定條件(評估結果等級、評估成果數目)進行結果展示。為了更加直觀地顯示，系統以省市區域作為顯示單元，因此，當數據控制項年份為多年時，各省市顯示的結果為多年的平均值。圖5為全國2010—2015年成果價值評估結果平均值分布圖。其中，北京、山東和廣東參評的2010—2015年的成果平均結果為優，云南、上海、浙江和湖北的平均結果為良，而江蘇的為一般。

圖5 價值評估結果空間分析Fig.5 Spatial analysis of value evaluation result

3.3 應用驗證

為了驗證模型和系統的有效性，特選取2種常見的玉米種子進行價值評估。由于種子是一種具有強烈區域性的農業科技成果，因此特選取東北地區常見的2種玉米種子德美亞1號和合玉19號進行評估。

通過20位領域專家分別對不同層次指標組(I1，I2，I3)、(I11，I12)、(I21，I22，I23)、(I31，I32，I33)、(p1，p2，…,p10)、 (p11，p13)、 (p14，p15，p16，p17)、 (p18，p19，p20)、 (p21，p22，p23，p24,p25)、(p26，p27，p28，p29)、(p30，p31)中指標之間的指標相對重要性進行兩兩對比,依據1～5的標度進行量化(表2)。20位專家根據量化的標度對各組指標重要性進行評判(表3)，每組得到20個權重向量，取其平均值，進而確定各級指標的權重。

表2 相對重要性等級Tab.2 Rating scales of relative importance of indexes

注：aij=1/aji，若元素xi與元素xj相對重要性比值為aij，則元素xj與xi的相對重要性比值為aji。

另邀請10位領域專家分別對2種玉米種子的各項指標等級進行評價，根據上述方法德美亞1號和合玉19號的一級綜合模糊評價結果分別為:Ad=(0.405,0.303,0.250,0.024,0.018)，Ah=(0.293,0.304,0.211,0.120,0.072)，分別取最大概率，則德美亞1號評價結果為優，合玉19號評價為良。一些學者針對此2種玉米品種進行了試驗，結果反映出合玉19號植株綜合性狀好、產量佳，德美亞1號品質出眾、產量高更適合推廣種植[25-26]。因此，本系統模型評估的結果與相關學者的試驗結果基本一致。綜上所述，本研究中模型系統具有較高的準確性。

表3 相對重要性專家評判示例Tab.3 Sample for calculation of weights based on experts scoring

4 結論

(1)基于WeGIS技術實現了農業科技屬性數據和空間數據的存儲與管理，同時，結合綜合模糊評估模型，實現了農業科技成果的綜合模糊價值評估與時空分析。為農業科技成果管理部門提供了一個集數據管理與時空分析為一體的工具。

(2)系統以價值評估為核心，構建了價值評估3級指標體系，綜合考慮技術、效益和市場3方面因素對農業科技成果進行進行綜合價值評估，為農業科技成果的轉化交易提供參考。

(3)相似或者相同應用領域的農業科技成果之間價值會出現很大的差異。本系統研究著重于基于領域專家打分對單個農業科技成果進行價值評估，對系統內相似農業科技成果之間的差異性并沒有做進一步的比較研究。

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Design of Value Evaluation System for Agricultural Scientific and Technological Achievements Based on WebGIS

CHEN Xuerui1JIA Jingdun2GAO Wanlin1REN Yanzhao1

(1.KeyLaboratoryofModernPrecisionAgricultureSystemIntegrationResearch,MinistryofEducation,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.ChinaRuralTechnologyDevelopmentCenter,Beijing100045,China)

In order to promote the trading and accelerate the transformation of agricultural scientific and technological achievements (ASTA), a WebGIS-based system for evaluating the value of ASTA was designed and developed. Object-oriented JAVA language was adopted to realize various functions of the system. The functions included the storage and management of spatial and temporal data, value evaluation of ASTA, spatial and temporal characteristics analysis of value evaluation results and visualization of the results. As an integrative tool for managing data and analyzing spatial and temporal characteristics, the system provided service for agricultural scientific and technological achievements management department. Comprehensive fuzzy method was adopted to evaluate the value of ASTA. In order to ensure the accuracy of evaluation results, the indexes were extracted from many influence factors and then the evaluation index system was constructed. The index system took into account all the influence of technology, market and benefit. So far, totally 265 ASTA were evaluated in the system, which were produced in 2010—2015. To validate the correctness of the system, an experiment was carried out, and results showed that the accuracy of the system was good. The application of the system showed that it provided an efficient-fast third-party assessment tool for ASTA holders, and it also supplied an intelligent management tool for ASTA management department. Furthermore, evaluation results of the system can provide reference for ASTA trading.

agricultural scientific and technological achievements; WebGIS; value evaluation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.030

2016-06-21

2016-09-19

國家星火計劃項目(2015GA600002)

陳雪瑞(1989—)，女，博士生，主要從事農業信息化技術研究，E-mail: chenxueruiabc@163.com

高萬林(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業信息管理與農業信息化研究，E-mail: gaowlin@cau.edu.cn

TP311

A

1000-1298(2017)03-0238-07