胡云鋒,董昱,孫九林
(中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京100101)
近年來,隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高,公眾對于農產品的質量安全提出了更高的要求,人們在消費各種糧食、蔬菜、肉類等農產品的同時,希望了解其來源、種植或飼養等相關的過程和使用的肥料、農藥和飼料的類型與用量。這一需求一方面來源于消費者對現階段食品安全的擔憂,另一方面來源于消費者對農作物營養價值認知需求的提高。農產品質量安全追溯體系的建設不僅僅有助于提高生產企業誠信意識和生產管理水平,而且可以構建農產品質量安全管理長效機制,也是落實責任管理的重要保障。國際上很多國家和地區均已經開展相關的農產品追溯的相關研究與應用,例如歐盟以《第178/2002號法案》為核心形成了較為完善的的農產品/食品質量安全追溯法律體系,美國出臺的《食品安全跟蹤條例》[1],日本推行的《食品可追溯制度》[2],加拿大的《食品與農產品的國家品牌戰略》[3]等,均在農產品質量和安全追溯的研究與應用方面取得了成效。
美國學者提出,食品可追溯體系包括三個維度:寬度(Breadth)、深度(Depth)和精確度(Precision)[4]。其中,寬度是指可追溯的信息量,深度是指農產品生產過程中追溯的流程區段,精確度是指農作物可追溯信息的精確程度。目前已有的農產品質量安全追溯系統中,大多數的系統充分考慮了農產品的寬度和深度,但是對精確度的考量較少。這主要是由于目前的系統往往是為規模、設備、農作方式不同的企業或者地區進行系統設計,寬度和深度很容易從生產者和消費者的需求中抽象并量化,但是企業或者地區可大可小,設備以及工作方式多種多樣,難以對農產品追溯的精確度進行界定。與計算機技術中的網格化技術不同,在地理信息技術中空間數據的網格化是按照所需要的研究尺度將研究區域的空間劃分為大小相同的網格,方便進行空間分析與處理[5,6],是地理信息技術與空間分析重要的研究手段。在農作物的生產過程中,灌溉、施肥、采摘、收耕等往往是逐區域進行的,因此可以將空間數據的網格化理論應用在作物的可追溯體系中,將農產品生產場地進行分區,其分區的大小即為可追溯體系的尺度,可以有效地解決農作物追溯的精確度的問題。
我國從2002年開始農產品質量安全追溯體系建設,這對于促進我國現代化農業產業體系發展具有重大影響,對于提升我國農產品國際競爭力具有可預見的現實意義。很多學者利用計算機技術、物聯網技術等開展了農產品追溯系統的研發,例如楊信廷等研發的蔬菜安全生產管理及質量安全追溯系統[7]、張強等在蘇州市推行的蔬菜質量安全追溯系統[8]、董玉德等研發的基于農產品供應鏈質量安全可追溯系統[9]等,通過互聯網技術、追溯碼技術等實現了在Web端、桌面端、移動端等多平臺的農產品質量安全追溯功能,可有效地規范企業生產管理,提高產品附加值,取得了良好的經濟效益和社會效益。在此基礎上,結合最新的移動互聯網技術,并應用空間數據的網格化理論可以繼續提高數據采集的便捷化與智能化,提高農產品質量安全追溯系統的深度與精準度,并且使其追溯單元具有彈性。
本研究利用互聯網技術、物聯網技術和地理信息技術,融合資源衛星、地面傳感器、人工采集等多源數據,結合空間數據網格化方法,以中寧縣枸杞生產銷售為例,研發了一套從生產、收獲、分揀、包裝到銷售全流程的農產品質量安全追溯系統。
本研究以枸杞為例,針對農產品質量安全追溯過程進行業務邏輯抽象,提煉核心業務需求,最終將用戶群劃分成管理者、生產者和消費者三種角色,將業務流程劃分為生產、收獲、分揀、包裝、銷售五個主要部分。
系統主要包括客戶端和云端兩個部分,其中客戶端分為管理者端、生產者端、消費者端三個部分,其中,管理者端主要為田間管理部門提供預警閾值設置、監測信息管理等功能,生產者端主要為技術員、種植工人等田間工作人員提供預警信息推送、數據采集等功能,消費者端主要為購買農產品的消費者等提供二維碼追溯信息瀏覽等功能。其各部分主要架構與功能如下:
(1)系統的云端服務功能搭建在阿里云的彈性計算服務(ECS)上,其主要的業務邏輯代碼是在.Net Framework框架下利用C#語言編寫的,采用SQL Server數據庫實現數據的持久化功能。云端與客戶端的交互主要由兩種方式實現:①客戶端的用戶認證、數據采集/接收、新聞信息等主要功能利用Web應用服務器IIS(Internet Information Services)提供符合REST規范的HTTP/HTTPS服務與客戶端交互;②傳感器、資源遙感等預警信息的消息推送功能采用MPush實時消息推送模塊實現。
(2)管理者端主要對農作物的生長環境、作物歷等進行基本控制,需要從整體上對農產品的質量進行監控,例如對傳感器、天氣、長勢等預警信息的掌控,對其預警的閾值進行調整等。鑒于管理者在室內工作更為方便,因此管理者端設計為運行在PC機的Windows操作系統下基于.Net Framework框架的應用程序,可以對預警信息推送等功能進行配置,其主要的功能包括插值服務配置、二維碼服務配置、IoT預警服務配置、天氣預警服務配置、資源遙感預警服務配置、農作物長勢統計分析等。
(3)生產者端是可以安裝在Android和iOS系統上的一套移動應用程序,是用于管理者、技術員、工人使用的輕量級用戶接口,不僅包含了對農作物農情的實時監控功能,還包括了農作物的生長環境、生長信息、摘采分揀等數據采集功能。生產者主要包括技術員、工人等,其工作流程較為復雜,需要長時間在野外進行工作。在野外工作時,采用安裝在手機上的應用軟件可以提高工作便利性,方便數據的采集[10],因此生產者端分別設計了Android端應用程序和iOS端應用程序兩個部分。Android端應用程序是在Android Studio集成開發環境下利用Java語言編程實現的,采用SQLite輕量級數據庫與GreenDao進行對象關系映射。iOS端應用程序是在Xcode集成開發環境下利用Objective-C語言編程實現的,采用SQLite輕量級數據庫與CoreData進行對象關系映射。生產者端的主要功能包括園區管理、本地環境數據采集、田間作業數據采集、產品分選數據采集、產品評級數據采集、產品包裝數據采集等功能。
(4)消費者端的用戶界面是建立在微信公眾平臺上,利用微信的掃一掃功能對貼在產品包裝上的二維碼進行識別可對其產品的生產歷史進行查詢。消費者端的查詢頁面設計為HTML頁面,利用HTTP的Post參數存儲二維碼信息向服務器提交查詢請求,其查詢結果包括了農產品的產地信息、生長環境信息、生長照片、分級信息、分選信息和包裝信息等。
基于網格化管理的農產品質量安全追溯系統的總體框架設計,如圖1所示。
基于網格化管理的農產品質量安全追溯系統主要包括園區規劃與設計、信息采集功能、監控與預警功能、農產品追溯功能等,其功能模塊設計,如圖2所示。
園區的規劃與設計功能主要是利用網格化的方法對園區發展規劃和功能布局進行空間分布設計,這需要結合實際情況,例如灌溉設備等部署,將園區分成大小一致的網格。首先,需要利用生產者端軟件輸入園區的基本情況,例如園區名稱、負責人、園區類型等信息,然后在電子地圖上繪制園區的范圍,然后選擇需要劃分的格網的大小,系統會將園區自動劃分為若干個網格,如圖3(a)所示。網格化的園區信息會保存在云端數據庫中。系統的預警功能、產品追溯功能等都將園區的網格作為管理的基本單元。
信息采集功能主要是指生產者端對農產品生成全流程的數據進行采集,其采集的每一項信息將與園區的網格相關聯,如圖3(b)所示。在系統設計過程中,生產者需要實現對農產品的“三控”信息(即生產環境控制、生產過程控制、產品質量控制等三類信息)的統一管理。系統將“三控”信息融入農產品生產的全流程,如圖4所示。其中,新建園區信息管理和錄入本底環境部分實現了生產環境控制功能,病蟲害信息、種苗信息、施肥施水信息、物候信息的錄入部分實現了生產過程控制功能,產品分選、產品評級、產品包裝錄入部分實現了產品質量控制功能。
監控與預警功能需要利用資源衛星遙感數據、氣象數據與田間地面傳感器等多源數據,對農作物的生長環境與長勢進行監控,當某些指標超標時,通過系統的推送功能推送到管理者與生產者的系統終端上,以達到預警功能。

圖1 農產品追溯系統總體框架設計

圖2 農產品質量安全追溯系統功能模塊設計
資源遙感監控與預警功能主要利用資源遙感衛星(例如Terra衛星、Aqua衛星、Landsat系列衛星等)數據反演的植被凈初級生產力(NPP)、歸一化植被指數(NDVI)、增強型植被指數(EVI)等遙感指標對植被進行監控。系統可以利用這些指標判斷植被的長勢和病蟲害事件,應用時序同比、環比或者其他作物診斷模型方法,當NPP或者NDVI超出某一閾值時,則系統判斷農作物長勢較差,將該信息推送給管理者端和生產者端,以便決策者進一步處理。
氣象信息監控與預警功能主要利用氣象部門實時發布的氣溫、降水等數據,結合農作物的生長情況,適時推送氣象預警信息。當系統監測到當前或者未來的氣溫、降水高于或者低于某一閾值,則向管理者端和生產者端推送高溫、低溫、水災、干旱等預警信息。
傳感器監控與預警功能主要利用田間傳感器獲取的土壤溫濕度、風力、風向、二氧化碳濃度等的數據進行插值處理,形成園區的網格數據,如圖3(c)所示,當某些地區的數據發生異常(高于或低于閾值)時,則向管理者端和生產者端推送相關警告。

圖3 農產品質量安全追溯系統的主要界面

圖4 農產品追溯系統生產者端的“三控”信息管理
農產品追溯功能是以二維碼為載體,利用產品識別碼幫助消費者獲取該商品的生長、評級、包裝等歷史信息。農產品追溯功能主要包括產品識別碼分發與二維碼生成、二維碼掃描與產品追溯兩個子模塊。
產品識別碼分發與二維碼生成子模塊可按照一定的編碼規則生成識別碼,將識別碼與農作物的生長信息等相關聯。這個識別碼是在農產品收獲和分揀的時候生成的,與收獲時網格化的地塊編碼以及分揀信息相關聯,農產品在隨后的評級和包裝中均帶有這個識別碼信息。因此,當消費者購買農產品時,其帶有識別碼信息的二維碼即與該產品的整個生產過程的信息相關聯。
二維碼掃描與產品追溯子模塊可以根據二維碼信息獲取產品的整個生產過程的信息:農產品的收獲、分揀、評級和包裝信息直接和二維碼中的識別碼相關聯。而產品的生長信息是與園區網格化的地塊相關的,首先利用二維碼中的識別碼查詢該產品所對應園區網格化的地塊(即產品來源),然后利用這個地塊可以查詢到該產品的種苗、物候、施肥、施水、病蟲害等信息,如圖3(d)所示。
系統云端、管理者端、生產者端和消費者端的運行環境分述如下:
(1)系統云端環境。云端硬件最低配置為2 GB運行內存,帶寬2 M。云端需要使用Windows操作系統,需要SQL Server 2008數據庫服務器、IIS Web服務器支持。
(2)管理者端環境。管理者端硬件最低配置為1 GB運行內存,以及500 MB以上的可用硬盤空間。管理者需使用Windows操作系統,需要.Net Framework 4.5支持。
(3)生產者端環境。Android端需要運行4.0及其以上版本Android操作系統,且具有GPS與拍照功能的手機或者平板電腦,最低512 MB運行內存以及必要的可用存儲空間。iOS端需要運行iOS 8.0及其以上版本操作系統的iPhone或者iPad設備,以及必要的可用存儲空間。
(4)消費者端環境。消費者端需要具有攝像頭拍照功能、能夠鏈接互聯網的智能手機或者平板電腦,同時安裝有微信、QQ、支付寶等具有二維碼掃描和識別功能的APP。
1. 定位與地圖顯示
系統所采用的定位功能是建立在移動終端的GPS模塊基礎上,接收GPS和GLONASS衛星信號,并結合網絡基站信息進行定位的A-GPS定位功能。在Android和iOS系統中,移動終端均可以通過A-GPS定位技術獲得WGS-84地理坐標系下的地理坐標。Openlayers是開源地圖框架構建的數字地圖,可以將上述地理坐標和園區的位置信息和狀態信息顯示在用戶界面上。Openlayers是基于JavaScript和CSS運行在瀏覽器上的電子地圖模塊,包含了各種用于操作地圖、圖層、數據源、樣式的類。其中,ol.layer.Image類和ol.layer.Tile類代表了柵格圖層,ol.layer.Vector類代表了矢量圖層,將上述類的對象插入ol.Map類的圖層中可以實現圖層的控制。另外,利用ol.interaction.Draw類可以方便地實現園區的繪制功能。但是,Openlayers只能運行在瀏覽器上,因此本系統針對不同操作系統的特性,實現了地圖控件和Android與iOS本地代碼間的交互功能。在iOS系統上,本系統利用了Web View JavaScript Bridge開源工具實現Objective-C代碼與運行在UI Web View控件上的JavaScript代碼進行交互。在Android系統上,利用JavaScript Interface工具實現了Java代碼與運行在Web View控件上的JavaScript代碼的交互功能。
2. 數據網格化
數據網格化是指將管理園區按照實際的需求劃分成規整大小的網格單元,并將它們與衛星遙感柵格、傳感器插值數據等各種不同來源的數據相匹配,可以達到天空地聯動、高精度監控和管理的目標。
數據格網生成技術是通過園區矢量多邊形的外包矩形的西北點坐標為基準點,按照預設的格網密度生成可以完全包含外包矩形的一系列的數據格網,然后依次判斷這些格網是否在園區的多邊形內或者與其相交,去除與園區范圍無關的格網,保證數據格網是可以完全覆蓋園區范圍的格網最小子集。
衛星遙感柵格、傳感器插值數據等需要與上述園區格網進行匹配。對于傳感器數據而言,分布在不同地理位置上的傳感器形成傳感器集群,設計統一的數據接口與云端系統進行連接。云端系統可以利用集群傳輸回來的數據,進行最近鄰插值、雙線性插值、三次卷積法等插值方法進行插值,從而將其網格化。對于資源衛星遙感數據而言,系統采用MODIS和Landsat系列衛星數據反演得到的NDVI、NPP等數據,其本身即為網格化的柵格數據,通過數據重采樣即可將每一個園區的格網對應一個柵格值。網格化所采樣的插值與重采樣等空間分析方法采用GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)開源庫實現,利用C++語言將其封裝為動態鏈接庫。云端系統在接收到新的數據時,自動識別數據類型及其元數據,調用相關的動態鏈接庫進行網格化。
3. 預警服務和推送
預警服務與推送技術是指將服務器的預警信息向客戶端進行實時推送,其主要包含預警信息生成和消息推送兩個部分。
預警信息生成是指根據地面田間傳感器、資源衛星遙感等采集的多源數據,結合管理者設置的報警閾值生成預警信息。預警信息的數據源包括了田間傳感器和資源衛星遙感兩大類。對于田間傳感器而言,各種采集不同類型數據的傳感器通過Zigbee低功率通信技術與服務器連接,以一定的時間間隔將數據發送到預警服務模塊。對于資源衛星遙感數據則是通過互聯網使用美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS等數據下載API遙感數據,再通過GDAL開源庫對其進行幾何校正、輻射校正、拼接、裁剪等數據預處理,計算NDVI等遙感指標,并推送至預警服務模塊。預警服務模塊包含有枸杞等農作物在不同生長期正常生長的環境變量閾值參數,其閾值分為提醒閾值、警告閾值和嚴重警告閾值等。例如,預警服務模塊為枸杞在種苗、抹芽、修剪、開花、結果等各個生長期設定了溫度、降水、NDVI等閾值,當枸杞在生長過程的某個階段超出了某個閾值,預警提醒模塊會發送預警信息到推送模塊進行推送。另外,由于某些指標可能在一段時間內連續生成報警信息,為了避免多次推送,用戶可以根據實際情況設置其報警的頻率,也可以根據實際情況忽略某些預警信息。
消息推送技術是利用互聯網將預警信息推送至系統的客戶端。為了保證預警信息推送的實時性,本系統利用TCP(Transmission Control Protocol)協議使服務器與客戶端一直保持長連接,對于生產者的iOS端而言,由于系統的限制,需要利用蘋果公司的推送服務對客戶端進行數據推送,而對于生產者的Android端而言,本系統采用MPush開源推送模塊。如果云端和生產者端的連接中斷,則系統在提示用戶的同時,采用“心跳”機制不斷嘗試重新與服務器握手連接。上述方式可以在有網絡的狀態下始終保持客戶端的在線狀態,使得云端所產生的預警信息可以及時有效地推送。
4. 二維碼關聯和追溯
二維碼關聯和追溯是實現農產品全流程的追溯體系中重要的環節。可追溯的農產品都會附有產品識別碼,該識別碼采用一定的規則進行編碼,并利用藍牙打印機進行打印,當消費者掃描上述二維碼時,系統需要按照一定的方式提取農產品的全流程生產信息,在上述流程中主要包括識別碼編碼方法、藍牙打印技術和掃碼追溯技術等。
(1)識別碼編碼方法。本系統的編碼原則是利用較小的編碼長度匹配全部相關的數據庫信息,且保證編碼的唯一性。本系統所采集的本底環境信息、生長狀況信息、分揀評級信息都需要編碼,而農產品的識別碼是需要生成二維碼并依附在農產品之上的,該編碼包含的信息量最大,也最為重要。以枸杞為例,農產品經過分揀后其產品的性質已經固定,因此農產品識別碼在分揀后實時生成,分揀后的評級、包裝等信息也依附于此農產品識別碼。農產品識別碼共15位,由分揀時間、操作人員編號、分揀編號組成,如圖5所示。其中,分揀時間采用兩位的年份和三位的儒略日(年積日)的形式表達,操作人員編號采用七位編號表達,分揀編號采用三位的從001開始的順序號表達。

圖5 農產品識別碼編碼規則
(2)藍牙打印技術。由于系統的二維碼需要在分揀時打印,因此需要使用適合野外的打印機。藍牙打印機外形小巧,攜帶方便,可連接Android和iOS移動終端在野外實時快速的打印。本系統采用美國Epson有限公司指定的ESC指令集進行數據傳輸與打印機控制,利用藍牙連向打印機傳送二進制碼,可以將手機生成的二維碼圖片傳輸到打印機進行輸出。
(3)掃碼追溯技術。消費者對二維碼進行掃描時,系統首先會查詢到該產品的分揀、評級、包裝等信息,分揀信息中包括農作物摘采的網格編號,利用該網格編號可以查詢到該地塊農作物的生長環境、作物歷等各種信息。
本研究在阿里云服務器、魅族MX6、iPhone、iPad等多臺服務器與移動設備上調試并部署了上述農產品質量安全追溯系統,在2017年間與寧夏大地生態有限公司開展合作,并在寧夏回族自治區中衛市中寧縣枸杞園區進行了應用示范。該地區地處黃河兩岸,為內蒙古高原和黃土高原過渡帶,屬北溫帶大陸性季風氣候區,晝夜溫差大,其獨特的地理氣候條件使得該地區的枸杞具有較高的品質,在全國擁有很大的銷量。因此,在中寧縣的枸杞園區開展其質量安全追溯體系建設的示范工作具有重要的意義。
在2017年的示范應用過程中,系統的應用覆蓋了從耕地、種苗、抹芽、灌溉、修剪、除草、分揀、評級、包裝、銷售等整個枸杞生產銷售流程,最終通過了現場檢查和項目驗收。示范應用表明,該系統能夠基本滿足管理人員、生產人員和消費者的需求,在農產品生產的信息化、智能化方面取得了新的突破,一定程度上保證了枸杞質量安全,具有較好的應用示范價值。
本研究利用互聯網技術、物聯網技術和地理信息技術,融合資源衛星、地面傳感器、人工采集等多源數據,結合空間數據網格化方法,以枸杞為例,研發了一套從生產、收獲、分揀、包裝到銷售全流程的農產品質量安全追溯系統,并以寧夏枸杞園區為例進行了實踐,驗證了系統的可行性與有效性。主要結論如下:
(1)實現了可自定義不同網格大小的農產品網格化管理及其產品追溯功能,因此產品追溯的精確度可以隨著網格尺度變化,從而實現了包括寬度、深度和精確度三個維度的食品可追溯體系。
(2)軟件結合了資源衛星遙感數據、氣象數據、田間傳感器以及生產者端錄入的“三控”信息數據等多源數據,有效地對農產品的生產、收獲、分揀、包裝到銷售全流程進行追溯。
(3)系統利用資源衛星遙感數據、氣象數據與田間地面傳感器等多源數據,實現了可自定義預警閾值的預警推送功能,幫助管理者和生產者對農產品的生長環境和長勢進行實時監控與預警,可提高農產品的生產質量和效率。
盡管基于網格化管理的農產品追溯系統具有上述優點,但目前的系統依然存在諸多需要改進之處。一方面,目前系統業務流程和“三控”信息采集與編碼系統僅僅是針對枸杞這種特定經濟作物的,未來針對糧食、蔬菜等更多作物,甚至是牲畜養殖和水產品等其他農產品的質量安全追溯業務,還需要研究建立國家層面統一的、標準化的追溯標準;另一方面,目前系統監測與預警功能僅利用資源衛星遙感、物聯網數據對農作物長勢進行監測與預警,未來在縣、市、省甚至國家等大尺度區域開展的監測、分析和預警,則可以進一步增強生產者對整個市場全鏈條的了解,從而更加科學、有的放矢地對農產品生產和銷售進行調節。
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