基于GIS的農業綜合管理系統的設計與建立

王孟博

（廣東創新科技職業學院，廣東東莞523960）

隨著計算機技術的飛速發展和普及，地理信息系統(Geographic Information System，即GIS)在農業生產中得到了越來越廣泛的應用，為農業生產提供更高效的服務，成為現代化大農業中的重要支撐技術之一[1]。我國作為世界上農業領軍國家，其行業生產有著悠久的歷史，且占據著十分重要的地位[2]。農業在我國的國民經濟體制中扮演著舉足輕重的角色，但是目前我國的農業發展水平同發達國家相比，還處于比較落后的階段，加上信息技術也沒能得到充分廣泛的應用，其間信息的極度缺乏是制約我國農業發展的重要瓶頸之一，農業面臨著可持續發展與國際競爭的雙重挑戰，我國農業的根本解決辦法就是完成現代化大農業戰略的部署，創建較為智能化的大農業平臺，以便整合更多的信息來用于現代化大農業的生產實踐的各個環節，合理利用各類農業信息類資源，進行水土保持、土壤保護、合理灌溉和施肥等，提高農業發展的可持續能力。

20世紀70年代GIS開始應用于農業領域，在土地資源評價、土地資源調查、農業資源信息的管理分析等方面取得了重大進展；到了80年代，以GIS系統為基礎的精準農業被提出；1993年，美國的全球定位系統轉為民用后開始被大規模應用于精確農業技術[3]。日本農林水產省和一些大型農業機械生產廠家已經在合作研究將衛星技術用于農業生產，2002年開發出利用衛星定位系統的農業機械。相比之下，我國此類研究起步較晚，但隨著“863計劃”的實施與開展，農業信息化技術研究也已列入國家科技攻關項目。

二十一世紀，世界農業進入數字化和信息化時代，以IT技術為主導的各類先進技術不斷被應用于農業系統，應運而生了現代化大農業。現代化大農業由農業技術、計算機技術、信息技術所支持的根據空間參數變異、定時、定位、定量地實施完整的現代化大農業操作技術與生產管理的完整系統構成[4]，其技術支持主要由3S(GIS：地理信息系統；GPS：全球定位系統；RS：遙感遙測系統)構成，這種現代化大農業技術體系是信息技術智能化、網絡化、數字化應用的綜合體現[5]。基于此，設計并開發一套以GIS為基礎的農業信息綜合管理平臺。

1.技術基礎

1.1 地理信息系統（GIS）

地理信息系統（GIS：Geographic Information System）是一門已廣泛應用于各個領域的綜合性學科[6]。隨著GIS技術的發展，也有稱GIS為“地理信息科學”（Geographic Information Science），近年來，也有稱 GIS為"地理信息服務"（Geographic Information service）。地理信息系統的矢量圖通過點、線、面來構成整個數據集。具體關系如圖1所示：

圖1 GIS系統基本數據組織圖

1.2 SuperMap Objects.NET

SuperMap Objects.NET是由北京超圖軟件股份有限公司（SuperMap）開發并推廣的基于超圖共相式GIS內核，采用.NET技術的組件式的GIS地理信息系統開發平臺。采用標準的C++對共相式GIS內核進行編寫，進而完成GIS功能的實現。此外，SuperMap Objects.NET采用C++/CLI進行組件的封裝，是純.NET的組件，不是通過COM封裝或者中間件運行的組件，比通過中間件調用COM的方式在效率上將有極大的提高。SuperMap Objects.NET支持所有.NET開發語言，如 C#、VB.NET、C++/CLI等[7]。

1.3 MySQL數據庫

MySQL是當前最流行的關系型數據庫管理系統，在WEB應用方面 My SQL是最好的RDBMS(Relational Database Management System，關系型數據庫管理系統)應用軟件之一，由MySQLAB公司推出，總部位于瑞典，現已被收購于Oracle旗下。憑借其所占內存小、運行速度快、總體擁有成本不高，特別是源碼開放這一功能，成為了多數網絡平臺的首要選擇[8]。

為了開發出數據全面且功能完善的農業綜合信息管理平臺，同時又考慮到系統的易用性、易維護性及兼容性，整個平臺在Microsoft Visual Studio 2012的開發環境下，基于GIS地理信息技術，優勢結合，設計并創建了一套農業信息管理系統。最后通過軟件編制、應用測試，完成開發與利用。

2.系統的總體設計

2.1 可行性研究

隨著農業信息化技術的不斷提高與發展需求，確定了對農業生產的全過程進行信息化管理的戰略目標，并給予一定的資金支持。本系統的開發，不僅可能極大地提高農業生產全過程的管理效率，而且隨著每年數據量的不斷積累、分析與優化，可以為以后的農業生產提供更科學的生產及管理依據，同時地塊數據數字化，可以為土地承包及管理減少很多糾紛。本系統是一個涉及到地理信息技術及數據庫技術的管理和查詢系統，現有的技術已經較為成熟，而且硬件、軟件的性能要求、環境條件等各項條件良好，利用現有技術條件完全可以實現該系統的功能目標。無論從技術還是經濟上，本系統的研發工作有著極大的可行性。

2.2 技術目標及流程圖

為了實現高效、方便、精細的現代化大農業管理平臺，基于GIS的農業綜合管理系統涵蓋了農業技術管理層、農業技術集成層、種植規劃設計層、農業生產實施層、農田環境監測層及農業數據報表層，從規劃、種植、管理、收獲到相關農業技術的集成及提高均進行信息化管理，不僅提高了管理效率，而且積累了大量的數據，為以后的農業生產進行技術革新提供了科學的依據。通過對用戶的需求分析，完成系統的技術方案及流程圖的設計，如圖2所示。

圖2 技術方案及流程圖

2.3 系統總體設計

系統總體設計是指軟件采用什么樣的開發模式及各個功能模塊的具體劃分。無論在軟件開發的哪個階段，都需要從整體上考慮軟件的整個生命周期的存在，尤其是為后續的數據庫設計、編碼實現、測試與維護做到最大程度的優化。本系統的業務流程涉及到了農業生產、農事作業的各個階段，業務流程較為復雜，數據量較為龐大，尤其是地理信息中的空間數據較大，所以本系統的整體開發采用三層架構方式進行開發，如圖3所示。

圖3 三層架構示意圖

在系統設計時因考慮到在各個農場之間傳遞數據，涉及到農場的網絡實際情況，以及本系統需要生成、顯示、傳輸較大的數據，因此本系統決定采用C/S開發模式。為了能夠將復雜問題進一步細化，本系統采用模塊化的編程思想，使得本系統真正做到低耦合、高內聚。本系統的模塊劃分如圖4所示。

圖4 系統模塊圖

2.4 數據庫設計

對于地理信息系統而言，數據庫的設計工作占到了整個系統開發的50%以上，所以數據設計的好壞可以直接影響系統的質量層次。本系統的數據庫包含屬性數據庫及空間數據庫，其兩者關系如圖5所示：

圖5 數據庫關系圖

為完成系統制定的功能目標，除空間數據庫的一些數據表，系統需要在屬性數據庫中設計較多的數據表及存儲過程，并通過關鍵字的識別將屬性數據和空間數據進行關聯。在此僅列出關于用戶權限管理及角色管理的相關表。如表1、表2所示為部分樣表。

表1 角色組表

表2 角色組權限表

3.系統功能的實現

3.1 系統登錄模塊設計

登錄界面是整個系統入口，無論任何人想操作該系統必須擁有合法的訪問權限，防止非法入侵，最大程度保證了系統的安全性。系統將用戶分為普通訪客與管理員兩類，而管理員又分為普通管理員和超級管理員兩大類別。其中普通操作人員又隸屬于不同角色，他們所擁有的操作權限是不同的，而角色的權限定義可以通過超級管理員進行設置。對于用戶的登錄，系統僅允許進行3次密碼嘗試，如果3次密碼錄入均出現錯誤，則在規定時間內不允許該用戶進行相關操作。輸入登錄界面如圖6所示：

圖6 系統登錄模塊

為了在最大程度上保證系統的安全性，數據庫中存儲的信息都是以128位16進制散列值進行存儲，通過MD5加密轉化而生成散列值，由于MD5加密算法屬于單向散列函數，且存在不可逆性，即使有非法用戶進入后臺數據庫，仍然沒有辦法獲得合法的用戶名與密碼。想通過大量的計算對系統進行暴力破解，在理論上幾乎是不能實現的。系統登錄模塊的程序流程如圖7所示：

圖7 登錄模塊程序流程圖

3.2 后臺管理模塊設計

在信息管理系統中，成員與角色管理屬于后臺管理。動態的管理成員是保證系統的高可用性的重要方面，本系統由于涉及到了農事作業的眾多方面，所以成員管理是否高效、靈活成為該系統重要性能指標。所以本平臺開發了較為強大的后臺管理，主要包括用戶管理界面、用戶權限設置界面、用戶組權限設置界面、角色組權限設置界面、用戶信息修改、日志查詢界面。用戶管理各項功能如圖8所示：

圖8 后臺用戶管理界面

3.3 農田地理信息模塊設計

農田地理信息模塊是本系統最為重要的模塊，將為其它模塊提供基本的圖形數據支持。身份驗證通過后，普通用戶將進入到如圖9所示的系統主界面。

圖9 系統主界面

在主界面中還沒有圖層顯示，此時通過文件菜單進行操作，打開工作空間，選擇地圖工作空間文件后，點擊“打開”按鈕即可打開選中的地圖工作空間。打開工作空間后，可以顯示圖層數據，如圖10所示。

圖10 地圖圖層顯示界面

在打開工作空間后，可以通過圖層控制菜單對圖層進行控制，通過圖9可以看到，在左側窗口選擇圖層，可以在右側進行設置，其設置通過復選框進行勾選，操作簡單。通過地圖選擇彈出式菜單對圖層元素進行選擇，地圖選擇包括點選擇、矩形選擇、圓形選擇、多邊形選擇多個形式。通過點選擇，點擊選中后，可以鼠標點擊選中地圖上的要素對象，在圖形下方的列表中即可顯示該地塊的屬性信息。通過選擇圖層元素，可以查看該元素的屬性數據。

4.系統測試

作為保證平臺穩定性與可靠性的關鍵步驟，系統測試成為整個平臺創建周期中的最后一環。其目的就是為了在整個平臺運行操作中發現漏洞并當即解決。在前期工作完成之后，對整個平臺內分別進行了內部鏈接測試、各類用戶測試、數據庫測試、系統兼容性測試、性能方面測試以及安全測試。整個平臺在整個測試中均表現良好。

5.總結

系統嚴格地按照軟件工程的開發思想，通過對用戶實際需求的分析，利用SuperMap Objects.NET與My SQL的優勢組合進行相關功能與數據庫的設計與實現，并基于此創建了一個集生產管理、土地承包、災害管理等多位一體化農業綜合管理系統，將農業生產及農事作業相關操作與數據相結合，完成了數據的可視化顯示。

[1]陳軍響.基于GIS的溫州農業資源管理信息系統的構建[D].南京農業大學,2011.

[2]常忠華.我國農業機械自動化的現狀與推廣[A].《決策與信息》雜志社、北京大學經濟管理學院.“決策論壇——管理科學與經營決策學術研討會”論文集（下）[C].2016.

[3]朱勇.進一步拓展現代信息技術在農業領域里應用途徑的思考[J].農業經濟,2012，(11):103-104.

[4]王艷錦,鄭正,高照陽,帖靖璽.精細農業體系的研究[J].中國農機化,2006,(1):33-38.

[5]李玉清,張燕軍.循環經濟模式下高效生態農業發展對策研究[J].農業網絡信息,2017,(3):71-74.

[6]鄔利云.地理信息系統在高中地理教學中的應用[J].讀與寫,2014,(5):235.

[7]梁學慶.基于SuperMap的防汛抗旱綜合事務管理系統探討[J].城市建設理論研究,2014,(27):2441-2442.

[8]王孟博,朱景福,李妍,高寒,裴文彤.基于PHP技術的玉米大豆水稻農藝性狀專網的設計與建立[J].黑龍江八一農墾大學學報,2017,29(01):110-114.