基于網絡的中國棉花生長指數研究應用系統的設計與實現

王慶喜++毛樹春++李亞兵++雷亞平 +韓迎春 王國平 蘆建華 +楊北方 杜文麗

摘要：中國棉花生長指數（CCGI）模型是一種表述棉花生長和過程產量形成變化的數量指標，為評價棉花生產、生長和產量提供準確的數據。為了推廣中國棉花生長指數模型和數據的使用，制定了數據標準，構建了棉花生長指數數據庫，設計和實現了中國棉花生長指數研究與應用系統。該系統采用JAVA、JSP和S2SH框架技術，運行在TOMCAT服務器上，具有功能齊全、性能穩定、使用范圍廣、系統界面友好、安全性高和可移植性好等特點，為政府、企業、協會和植棉者提供了信息和技術支持。對于促進棉花生長指數的使用和影響具有重大現實意義，提高了我國棉花信息化水平。

關鍵詞：棉花；中國棉花生長指數；監測預警；系統設計

中圖分類號：S126文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）03-0163-03

收稿日期：2015-12-09

基金項目：國家棉花產業技術體系（編號：CARS-18-17，CARS-18-21）；公益性行業（農業）科研專項（編號：201203096）。

作者簡介：王慶喜（1979—），男，河南內黃人，碩士，講師，主要從事農業信息化、機器學習等研究。E-mail：qingxiwang1111@163.com。

通信作者：毛樹春，研究員，博士生導師，主要從事棉花栽培學和信息學研究。E-mail：maosc@163.com。

棉花長勢監測預警技術是中國農業科學院棉花研究所毛樹春團隊和全國棉花科技界從1997年至今連續多年研究取得的成果，成為決策咨詢支持、科技服務、生產管理指導的重要支持工具，滿足了經濟全球化和市場國際化的多市場主體的新需求，也是農業科技面向國民經濟主戰場研究的一個典型范例。系列計算機軟件著作權“中國棉花生長指數研究與應用系統V2.0（2014SR074668）”“中國棉花生產監測預測及實證信息平臺V2.0（2014SR186098）”和“中國棉花栽培技術監測應用技術指導系統V2.0（2014SR178983）”等系統記錄了棉花長勢監測預警技術的系列技術成果，為信息化服務棉花產業、提高棉花產業競爭力和決策咨詢支持能力、科技界贏得產業的話語權，搭建了一個全新的公共平臺。

棉花生長周期長，生產和生長過程在不斷變化，并且過程產量或生長產量也在不斷發生變化，中國棉花生長指數模型[1-3]記錄棉花生長狀況的全過程，為評價一年的棉花生產、生長和產量提供準確的數據。中國棉花生長指數研究與應用系統是棉花長勢監測預警技術平臺的一個子系統，該系統使用計算機技術管理中國棉花生長指數的信息化數據，并能通過網絡以文字和圖片的形式發布信息，為棉花產業界、棉花生產者和消費者、植棉者和棉農在內的政府、企業和協會等的管理、生產、經營、研究等提供信息和決策支持。

1關鍵技術

1.1中國棉花生長指數（CCGI）

中國棉花生長指數為中國棉花生產、管理、經營、研究和決策提供棉花產中數量指標的信息服務[2]，根據提供的信息服務，其主要作用有：一是監測和評估，對生產和長勢的連續跟蹤，主要包括種植品種、播種意向、播種面積、5—9月棉花的農藝性狀等；二是種植管理指導，對播種、生育期的及時管理提出指導意見和建議，并且為不同生長期和不同區域的棉花提供有針對性的技術指導；三是根據種植面積和棉花農藝性狀，評估生長產量，預測最終產量。

經過多年研究與實踐發現[1]：與產量相關性強的五大棉花農藝性狀為：5月單株真葉數、6月單株真葉數、7月單株果節數、8月單株成鈴數和9月單株成鈴數，可以用其評估棉花的過程產量，并發現其關系可以使用公式表示，其公式如下：

Y=-13.9795+3.09X1+4.71X5-0.093X2X3-0.152X2X5-0.027X4X5-0.0094X3X2。

式中：X1、X2、X3、X4、X5分別表示5月單株真葉數、6月單株真葉數、7月單株果節數、8月單株成鈴數和9月單株成鈴數。

CCGI是棉花生長數值與上年同期數值之比的百分率，可以根據上一年的產量評估當年的生長產量，預測未來產量。CCGI簡單方便、容易獲取、可操作性強并且靈敏度高。

1.2CCGI的科學含義

CCGI的生物學含義如下[1-3]：CCGI值越大表示棉花長勢越好，單產水平越高，反之單產越低。當CCGI值為100時，表示當前年份的棉花生長狀況與上一年相當，因此單產與上一年相當；當CCGI值小于100時，表示當前年份的棉花生長狀況差于上一年，因此單產水平低于上一年；當CCGI值大于100時，表示當前年份的棉花生長狀況好于上一年，因此單產水平高于上一年。

1.3信息采集方法

根據統計學理論，結合生態學與中國棉花生產布局結構特點，圍繞任務目標，按照代表性和典型性原則進行實際抽樣[1]。信息采集抽取樣本縣150～171個，每樣本縣抽取樣本鄉鎮2～3個，每鄉鎮抽樣2～3個村，每村定戶采集20戶，每戶采集棉花個體20～40株，概率置信水平達到95%以上。采集數據和信息主要包括基本信息、家庭經營信息、棉花生產信息、棉花生產技術信息、中國棉花生長指數信息、氣候資料、輔助信息。

1.4信息技術

中國棉花生長指數研究與應用系統主要采用JAVA和JSP以及Struts2、Hibernate和Spring框架技術，采用JQuery EASYUI制作人機接口，圖表采用JFreeChart工具生成，開發環境是Eclipse和Tomcat，數據保存在MySQL數據庫中。

JAVA[4]是一種面向對象的程序設計語言，具有通用性、高效性、平臺移植性和安全性；JSP是一種可以動態網頁編程技術，它通過在HTML中夾雜JAVA代碼構成；Struts2[5]實現了MVC設計模型，可以減少基于MVC開發的時間；Hibernate是一個對象關系映射框架，它封裝了JDBC，使得可以通過使用對象編碼來操縱數據庫；Spring簡化企業應用開發，為J2EE應用程序開發提供集成的框架；jQuery EasyUI[6]是一組基于jQuery的UI插件集合體，幫助Web開發者輕松打造出功能豐富并且美觀的UI界面；JFreeChart是一組功能強大、靈活易用的Java繪圖API，使用它可以生成多種通用性的報表，包括柱狀圖、餅圖、曲線圖、甘特圖等，它能夠用在Web等中制作自定義的圖表或報表，并且得到廣泛的應用；Eclipse是一個開放源代碼的、基于JAVA的可擴展開發平臺；Tomcat服務器是一個免費的開放源代碼的輕量級的Web應用服務器，在中小型系統中被普遍使用；MySQL[7]是在Web應用方面最好的關系數據庫管理系統應用軟件之一，其體積小、速度快、并且成本低。

2系統分析與設計

2.1用戶分析

中國棉花生長指數研究與應用系統的用戶大致可以分為2類：信息的管理者和信息的使用者。信息的管理者包括信息采集員、信息審核員和系統管理員。系統的使用者又可以分為2類：注冊用戶和匿名用戶，其中政府、企業、協會以及植棉者和棉花研究者都可以通過注冊成為注冊用戶，也可以匿名使用系統。本系統中，中國農業科學院棉花研究所具有管理權限，負責數據的審核、修訂、發布及其系統管理，與其合作的研究所、農場和棉農等負責信息的錄入。信息發布后提供給政府、涉棉企業和協會、棉花研究者和種植者，他們通過系統獲取中國棉花生長指數的有關信息，為政策制定、棉花及棉花制品的經營、種植管理等提供信息支持。

2.2系統功能

中國棉花生長指數研究與應用系統的主要功能根據用戶不同而不同（圖1）。

2.2.1信息采集員

采集信息并錄入到系統，采集和錄入的信息主要包括：5月單株真葉數、6月單株真葉數、7月單株果節數、8月單株成鈴數和9月單株成鈴數等。除此而外還有地區、農場、植棉者等信息。

2.2.2數據審核員

對信息采集員錄入的信息進行審核，對于異常信息反饋給信息錄入員或直接在系統中修訂，為了提高審核工作的效率，系統可以設置數據異常規則，對于不符合規則的數據視為異常數據，直接用紅色標注。

2.2.3系統管理員

（1）信息發布。在數據審核員審核和修訂數據后，即數據無異議和問題后，系統管理員可以發布數據，發布后的數據對于注冊用戶和匿名用戶是可見的。

（2）區域信息的添加、修改和刪除。管理不同級別的區域信息，并且維護區域之間的隸屬關系，比如是同級關系還是包含關系。

（3）地塊信息的添加、修改和刪除。管理和維護信息采集的地塊信息，并且管理地塊所屬區域的信息。

（4）研究報告的管理。系統管理員上傳和管理中國農業科學院棉花研究所的針對棉花的研究報告，并把研究報告發布給信息獲得者。

（5）管理指導意見和建議的管理。系統管理員添加棉花生產管理的指導意見和建議，為植棉者和棉農提供技術支持。

（4）登錄、退出和修改密碼。

2.2.4匿名用戶

（1）全國、流域、省份、縣的CCGI年變化信息瀏覽。

（2）全國、流域、省份、縣的CCGI年變化比較信息瀏覽。

（3）全國、流域、省份的CCGI區域變化比較信息瀏覽。

（4）原理研究信息瀏覽。

（5）管理指導意見和建議信息瀏覽。

（5）CCGI在全國的應用信息瀏覽。

（6）CCGI在各地的應用信息瀏覽。

2.2.5注冊用戶

（1）注冊、登錄、退出和修改密碼。

（2）信息瀏覽和下載。注冊用戶比匿名用戶多了數據下載，系統給注冊用戶提供CCGI圖表、研究報告、生產管理指導意見等數據和信息的下載。

2.2.6其他功能

（1）CCGI自動計算。根據采集的農藝性狀數據、棉花在不同區域的種植面積以及上一年的數據，自動計算當前的CCGI。CCGI計算的值一共有6個：5月份至9月份的CCGI值以及CCGI年均值。

（2）圖表的生成。圖表主要包括：CCGI走勢圖、CCGI年份走勢對比圖、CCGI地區走勢對比圖以及CCGI等值線圖和生成圖對應的表格，上述圖表的生成是信息獲取者瀏覽的基礎。

2.3數據庫構建

（1）地區數據庫：管理和維護包括流域、省份、亞區和縣團在內不同層次的地區數據，并且管理地區之間的隸屬關系。

（2）地塊數據庫：記錄了棉花信息采集的地塊信息，主要包括地塊名稱、所屬地區、經緯度、所屬人、面積等信息。

（3）農藝性狀采集數據庫：是信息采集員負責采集和錄入的信息，是系統核心數據，主要記錄了某地塊在某年某月的某項數據。

（4）各地棉花種植面積數據庫：記錄了各個縣團的棉花種植面積，是計算中國棉花生長指數必不可少的數據。

（5）CCGI數據庫：根據農藝性狀采集數據、各地棉花種植面積以及上一年的農藝性狀采集數據系統會自動計算中國棉花生長指數，計算成功后的CCGI數據記錄在CCGI數據庫中，其數據格式為（地區，年份，5月CCGI值，6月CCGI值，7月CGI值，8月CCGI值，9月CCGI值，CCGI平均值）。

（6）技術支持數據庫：記錄了中國農業科學院棉花研究所根據需要發布的技術支持信息，此數據庫信息會分門別類地在系統中展示給用戶。

（7）CCGI分析與研究包括數據庫：管理和維護CCGI分析報告以及與CCGI相關的棉花研究報告，此數據庫數據也會在系統中展示給用戶。

（8）系統用戶數據庫。管理系統的各類用戶以及用戶權限，本數據內容由系統管理員負責管理。

2.4系統設計

2.4.1系統流程設計

系統操作流程涉及到的系統用戶有信息采集員、信息審核員、系統管理員、注冊用戶和普通用戶。信息采集員負責棉花生長指數相關信息的采集和錄入；在信息錄入系統后，信息審核員對錄入信息進行審核和修訂，系統提供根據規則的數據異常提醒；在信息審核和修訂后，系統管理員可以根據需要發布信息；信息發布之后，匿名用戶和注冊用戶可以通過系統瀏覽自己需要或感興趣的信息。每一個節點都可以向上一個節點反饋信息，比如注冊用戶可以把自己的想法、建議和意見等反饋給系統管理員。系統流程如圖1所示。

2.4.2系統架構設計

系統架構設計支持個人臺式電腦、筆記本電腦、平板電腦和智能手機等設備訪問本系統，為了能夠保證大量用戶并發使用，WEB服務器采用集群，并在服務器前端采用負載均衡。系統架構如圖2所示。

3系統應用

3.1產業界應用

我國雖然是棉花生產、消費與出口大國，但是在棉花產業信息方面卻十分落后。我國棉花產業信息特點如下：（1）時效性差，不能滿足時代需要；（2）對棉花趨勢預測誤差較大；（3）存在嚴重的不對稱，政府與產業部門，棉花生產者、研究者和經營者之間都存在著明顯的信息不對稱。中國棉花生產指數研究與應用系統使用信息化手段采集、加工、診斷和發布棉花信息，具有較強的適時性和實用性，為政府、企業、協會和棉農植棉科學管理、經營和種植提供了及時性的依據，提高了我國棉花的信息化水平，提高了產業決策的科學化水平。

[FK（W17][TPWQX2.tif][FK）]

3.2期貨和現貨反應

棉花的生長產量、過程產量和最終產量對棉花的消費和貿易、國內外的期貨、現貨價格和股市影響重大。CCGI跟蹤棉花生長變化，測算生長產量，跟蹤過程變化，并及時發布相關數據和信息，用于指導棉花消費和貿易。

3.3植棉者和棉農

CCGI評價棉花全生育期，根據棉花生長狀況，提出針對性的管理措施，對棉花種子播種、管理、銷售、棉花生長和產量等方面進行監測?？傊?，中國棉花生長指數研究與應用系統為植棉者和棉農在優良品種的選擇、播種技術、中期管理、收獲、銷售、災害預防和救治等方面提供技術支持。

4系統效果和評價

系統開發完成后部署到Tomcat服務器，經過長期使用，驗證了系統的穩定性和可靠性，總結系統的特性如下：

（1）功能齊全，性能穩定。系統實現了CCGI研究與應用的各個方面，為CCGI的研究和應用提供了信息化平臺；采用先進且成熟的S2SH以及JQuery EASYUI等框架，性能穩定。

（2）[JP2]使用范圍廣。系統采用B/S/S體系結構，使用網頁瀏覽器即可使用該系統，適合任何有Internet網絡的地方使用。[JP]

（3）系統界面友好。界面簡單大方、操作方面。

（4）安全性高。系統對操作功能進行了權限審查保護，提供了較高的安全性。

（5）可移植性好。系統開發采用了JAVA技術，因此具備一次編譯、處處運行的特性，為系統提供了較好的可移植性。

中國棉花生長指數研究與應用系統為CCGI的研究和應用提供了信息化手段，提升了我國棉花預警的能力，變茫然為理性，變被動為主動，提升了棉花產業的科學種植、科學決策和科學經營的能力。

參考文獻：

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