基于Android的縣域測土配方信息系統的設計與實現

蔡德楠， 司志恒， 顏烈帆， 吳駿鵬， 徐劍波

(1.華南農業大學資源環境學院，廣東廣州 510642； 2.華南農業大學數學與信息學院，廣東廣州 510642)

由于片面追求糧食高產而濫施肥，導致農業生態環境日益惡化，農業生產資源缺乏，農產品品質下降，傳統農業生產管理方式己不再適應當今社會發展的要求[1-3]。測土配方施肥是科學施肥的重要實現途徑之一[3-5]。農業信息化需要依靠地理信息系統(GIS)技術，以提供農業服務與決策支持[6-10]。隨著現代信息技術的不斷發展，移動互聯網配合智能移動終端為解決施肥過程中“最后一公里”問題提供了新方案，為農業信息化提供了新模式。目前，測土配方施肥推廣技術先后經歷了桌面版、觸摸屏版、網絡版、移動端等演變過程[11-17]，且日趨成熟。如董博等為市州級土肥部門開發了一套區域化觸摸屏推薦施肥系統[16]。許鑫等在測土配方施肥技術基礎上，基于ArcGIS Engine在.NET平臺上構建了基于WebGIS的小麥精準施肥決策系統[11]。陳維榕等以智能手機為平臺，提出智能手機的測土配方施肥查詢系統設計[13-14]。

在農業領域，移動端技術應用廣泛，能夠有效推進農業信息化[18-22]。如車艷雙等開發了依靠掌上電腦(PDA)和全球定位系統(GPS)的移動智能農田信息采集系統[23]。武爾維等從農產品安全角度，為使農產品追溯信息的收集、管理、查詢等更加便捷、快速和高效，開發了基于Android智能終端的農產品追溯系統[24]。以上研究為測土配方施肥技術的推行提供了技術支撐和輔助決策。隨著移動互聯網與智能手機應用的迅速發展，移動端相對于桌面版、觸摸屏系統，具有用戶成本低、使用便捷、方便普及等特性，有利于測土配方技術的推廣，結合農村信息化服務，“互聯網+”農業為載體得以迅速發展。通過信息化手段將“測土-配方-施肥”有機結合起來，從而根本上解決研究與應用不對稱、測土配方技術推廣難等問題。本研究以廣東省為例，研究開發一套將農田地塊地理數據、廣東省主要作物施肥模型、施肥肥料配方、施肥指導建議等一系列環節集成的系統，從而將測土配方施肥從專家研究到指導農戶應用，再到針對地塊的提出配方施肥建議這一完整流程的關鍵點串接聯通。

1 系統設計

1.1 系統總體設計

本系統服務對象主要為廣東省農技推廣人員以及從事種植的農戶、政府及農企，故服務主體的多樣性要求系統簡單易用，用戶體驗良好。本系統總體結構架構可分為安卓移動智能終端與服務端2個部分，移動端實現用戶交互，利用JSON(JavaScript Object Notation)數據格式進行網絡傳輸，服務端實現業務處理。移動端的主要功能是完成地圖的基本操作、信息查詢、鎮(村)導航和定位、施肥配方決策推薦、施肥知識瀏覽、問題專家解答、新聞資訊閱讀、個性化服務等；服務端的主要功能是接收移動端數據，實現移動端地圖顯示、施肥決策、信息管理、數據管理等一系列邏輯交互操作，包括地圖發布服務、專家知識和政策資訊發布管理，以及問題答疑審核管理等。

本系統采用C/S(Client/Server)3層體系架構，包括客戶層、服務層、數據層。客戶層包括服務于終端用戶的安卓移動端和后臺管理系統。安卓移動端支持Android 4.0.4以上系統；管理終端使用Chrome瀏覽器訪問，采用開源Amaze UI框架。

服務層部署在Tomcat應用容器上，包括Web服務器和GIS服務器，Web服務器主要用來集中處理客戶端請求，并轉發分流GIS服務請求至GIS服務器。Web服務器主要負責密碼管理服務、用戶驗證服務、施肥決策服務、信息發布服務等，GIS服務器主要負責地圖數據服務。

數據層提供數據訪問接口及數據存儲，搭建SQL Server 2008作為系統數據庫以及空間數據庫，靜態文件存儲至相應訪問路徑，實現數據持久化。系統整體架構見圖1。

1.2 系統功能設計

本系統功能包括圖層數據管理、用戶管理、知識庫模塊、政策資訊模塊、專家答疑、測土配方施肥、GPS定位模塊、網絡通信模塊、數據統計分析模塊等9個部分(圖2)。

1.3 系統技術路線

系統數據及配肥專家推薦模型由廣東省農業廳及研究專家提供，利用ArcGIS軟件對廣東省各縣行政區劃圖、土壤圖、土地利用圖等地圖數據和采樣點的土壤養分數據進行處理，獲得土壤養分圖、行政區劃圖、居民點等矢量圖。然后再通過ArcGIS Server 10將地圖發布專題地圖切片服務。

最后在Android Studio平臺上，開發Android應用程序，完成系統的各項功能。技術路線如圖3所示。

1.4 施肥配方模型的構建

測土配方專家系統的核心是施肥模型的構建。模型庫是由一些評價和預測模型組成的，它主要是按已確立的各種特性因子，結合肥料學、土壤學、植物營養學等知識和專家經驗建立的模型。施肥模型主要是實現對指定采樣點(或區域)選定作物種類(包括設定目標產量)條件下，通過對施肥量和施肥配比及時期的運籌，得出最優的施肥配比和施肥方案。目前，本系統已有水稻、香蕉、甘蔗、葉菜類、龍眼、荔枝、豇豆、冬種馬鈴薯、苦瓜、甜玉米、花生、柚子、柑橘、橙、茄果及瓜果等各類作物研究專家提供的配肥模型，并以此為基礎，搭建云端配方服務接口。以水稻為例，水稻的施肥推薦模型須要根據不同區域采用不同的回歸模型，同時考慮各個地區百公斤籽粒養分吸收量的差別，以及不同地區肥料利用率的差別。首先根據土壤養分計算出相對產量，再與目標產量計算得出肥料需提供產量，并引入100 kg籽粒養分吸收量和肥料利用率等參數，最終求出該地區該目標產量下的水稻養分推薦施肥量[25]。廣東省各地區水稻養分推薦施肥量模型如表1所示。

表1 水稻養分推薦施肥量模型

注：相關信息由廣東省耕肥總站提供。

2 Android客戶端功能設計與實現

本系統的主要功能實現主要體現在安卓客戶端APP上，后端服務器主要負責提供基于RESTful原則設計的接口，與客戶端進行數據交互。

2.1 圖層數據管理模塊的實現

本系統中的圖層管理模塊的實現，即GIS功能模塊的實現，是基于ArcGIS Runtime SDK For Android控件進行二次開發的，地圖顯示主要是將mxd地圖文檔發布成WMS地圖切片服務，手機端通過服務接口獲取地圖服務數據，Mapview對象加載動態注記圖層和切片底圖圖層，最后進行設置地圖顯示范圍。地圖啟用手勢放大縮小，可接觸屏幕平移地圖。綁定地圖移動縮放的監聽事件，調用Identify GP服務，地圖默認獲取中心點土壤地塊養分信息，如有效磷、速效鉀等。點擊幾何量算按鈕，調用Polygon對象的calculateArea2D或者Polyline對象的calculateLength2D方法測量地塊面積或長度。由于每年測土配方工作數據更新，每個縣的數據通過后臺更新服務的方式替換舊數據，實現不變動客戶端版本，平穩過渡。地圖顯示功能時序圖如圖4所示。

2.2 測土配方施肥模塊的實現

2.2.1 測土配方施肥 通過村鎮導航形式，從服務器獲取已開通服務的行政區表，從“市—縣—村”逐級查詢，與服務器請求獲得所選村的地圖服務，進入地圖，縮放至所選村的地理中心；在地圖上進行操作，如地圖中心點在綠色的地塊上，與后臺交互獲取土壤養分數據，彈出Callout窗體，點擊該窗體，進入測土配方參數設置。除顯示該地塊必要土壤養分元素外，用戶可設置不同的作物以及目標產量。設置完畢，點擊確定，請求至服務器，服務器通過計算相應的縣域配方模型獲得施肥建議卡，并將施肥建議卡以網頁的形式顯示到用戶界面。該施肥建議卡可以微信、QQ、微博等形式實現分享。生成配肥方案時序圖如圖5所示。

2.2.2 現場決策施肥 現場決策流程與測土配方施肥基本一致， 只是該流程第一階段不需要訪問地圖獲得土壤養分數據。開啟手機端GPS定位，獲得當前經緯度坐標，調用服務接口，經坐標系轉換及Query查詢，設置范圍與容差，獲得該坐標下土壤養分數據。之后，再選擇作物，得到施肥建議卡。

2.2.3 配方模型更新 作物模型與目標產量的設置，經服務器獲得更新，調用SharedPreferencesUtil工具類以離線的方式存儲至手機端。以定期更新的形式獲得最新數據表。配方施肥模型的計算方案，由后臺進行更新。

2.3 GPS定位模塊的實現

GPS定位通過手機中的GPS模塊獲取位置，精度高，信息全，可獲取經緯度、海拔、方向角度等信息。基站輔助定位通過運營商的電信基站(2G、3G、4G等)進行，功耗低，并且基站數據豐富，通過算法能提供較理想的定位精度。利用高德地圖定位軟件開發工具包(SDK)，通過GPS定位、基站定位、Wi-Fi定位等方式混合，提高定位精度(圖6)。

2.4 網絡通信模塊的實現

移動端通過GSM、4G、Wi-Fi網絡等方式與服務器通信，涉及到地圖等大量數據傳輸，故采取根據網絡情況，Wi-Fi 狀態下使用離線部分地圖數據，在非Wi-Fi狀態下使用已緩存的地圖數據，并壓縮傳輸過程數據包大小，減少網絡流量，減少用戶等待時間(圖7)。

2.5 數據統計分析模塊的實現

2.5.1 用戶行為分析 移動端設計各類行為埋點，如施肥建議卡生成次數、閱讀單篇文章次數、點擊單個Activity次數以及訪問時間、用戶評論互動指標等，根據這些行為埋點，分析用戶行為，獲得相關的反饋，優化APP核心功能。

2.5.2 數據反饋分析 數據反饋分析與用戶行為分析不同之處在于所獲得的數據是由用戶主動提供的。用戶點擊設置，點擊用戶反饋，進入用戶反饋界面，反饋該APP的使用情況或者錯誤。由專人瀏覽反饋內容，及時處理。根據用戶使用施肥方案的情況，反饋肥料模型的效果，進一步驗證施肥方案的有效性。

3 系統應用推廣情況

本系統的相關軟件為筆者所在團隊自主研發產品，已申請軟件著作權(授權號：2015SR039234)。系統于2015年9月建成并投入使用，并部署在廣東省農業廳信息中心服務器上進行實際應用，對外提供服務。目前，本系統正在為廣東省87個縣提供服務，目前已在各大APP市場發布，APP分別在第六屆廣東現代農業博覽會和種博會進行展示，提供二維碼掃描，獲得了用戶的好評與有效反饋，且APP下載量達到500人次以上。系統試運行期間，總體運行情況良好，在技術和功能上達到設計要求，系統操作方便、界面簡潔友好、實用性強。測土配方施肥功能界面見圖8。下載地址：http：//www.pgyer.com/DrFertilization。

4 結語

精確農業中的關鍵技術環節是施肥的科學決策及獲得科學處方[26-27]。本研究充分利用廣東省測土配方施肥技術成果以及移動GIS技術，發揮地域特色，農戶通過移動手機端查詢自家土壤養分狀況和提供作物施肥指導方案，根據推薦方案選肥、配肥、施肥。農民可隨時獲得相關的政策方針以及專業知識，向專家咨詢與交流專業施肥問題，實現信息交流對等化。由于其移動端的便攜性與易用性，用戶能夠更快地適應本系統，可以幫助生產者、管理者進行因地制宜的決策，提高科學管理水平，改變基層配方施肥決策的盲目性和主觀性，減少決策失誤，對于促進測土配方施肥的發展具有重要意義，進一步推動“互聯網+”農業新模式。

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