基于WebGIS的鹽堿地水鹽動態監測系統①

張 治，高明秀，朱昌達

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基于WebGIS的鹽堿地水鹽動態監測系統①

張 治1,2，高明秀1*，朱昌達1

(1山東農業大學資源與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018；2武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430072)

開發利用鹽堿地是補充耕地、保障國家糧食安全的重要途徑。加強水鹽動態監測是掌握水鹽運移規律，及時采取針對性調控措施改良利用鹽堿地的基礎。本文基于WebGIS平臺，采用微軟Silverlight技術，設計開發了鹽堿地水鹽動態監測系統，實現了地塊信息查詢、水鹽數據統計分析、水鹽空間分析、水鹽動態趨勢分析及預警等功能，并在山東省無棣縣鹽堿農田進行了應用。結果表明，該系統可以輔助用戶及時、全面掌握鹽堿農田水鹽動態信息，為田間管理提供決策支持。

鹽堿地；水鹽運移；動態監測系統；WebGIS

土地鹽堿化是影響世界經濟發展和生態環境的主要災害因子之一，及時監測和掌握水鹽動態運移規律是改良利用鹽堿地的重要前提[1-3]。因此，水鹽動態監測研究始終是鹽堿地研究的熱點之一，多年來取得較多研究成果[3-7]。傳統的監測方法一般是通過野外采樣、實驗室化驗獲取水分、鹽分數據進行統計分析[1,3-7]，但這種方法成本高且費時費力，難于取得快速、及時的效果。隨著遙感技術的發展，大面積估測土壤水分、鹽分取得較大進展，但遙感主要面向區域，且受到氣象因素及影像取得條件等諸多限制[8-9]。近年來通過高光譜技術反演土壤水鹽含量受到重視[10-14]，與遙感結合可實現不同尺度的監測，但仍受到成本和技術要求高的限制，難于廣泛應用于實際[15-17]。因此，如何構建集數據獲取、分析和預警于一體的監測系統，將研究成果真正投入生產應用是當前面臨的重要課題。目前來看，國內外已經開發了很多用于土壤墑情監測的系統[18-19]，主要是通過固定站點監測、移動式測量和遙感監測3種方式來獲取墑情數據。張曉月等[18]基于VC++及Fortran 程序語言設計了遼寧省農田土壤墑情監測與預報系統，王東旭等[19]開發了基于遙感影像溫度-植被干旱指數(TDVI)反演的云南省土壤墑情監測系統。這些系統多是較大尺度的宏觀墑情監測。在鹽堿地水鹽聯合監測方面，有學者基于多種方式獲取水鹽數據，開發了鹽堿地水鹽動態監測系統[9,20]。徐力剛等[20]運用Microsoft Access 97建立了基于Windows平臺的土壤水鹽動態數據庫，可進行數據管理、查詢和基本分析；林蔚等[9]開發了監測濱海鹽土棉田棉花和土壤水、鹽狀況的遙感監測系統?？偟膩砜矗还苁菃渭兊膲勄楸O測，還是水鹽狀況聯合監測，均存在不能夠大面積應用，且人力物力財力耗費大的缺點?；诖?，本文旨在針對環渤海低平原區土地瘠薄鹽堿、水資源匱乏，土壤水分、鹽堿等影響作物生長的關鍵因子時空變幅大，農業生產上土壤管理迫切需要及時準確把握變化規律、采取調控措施的現實問題[21]，基于物聯網自動定點監測數據和便攜式速測儀移動采集數據，在WebGIS平臺支持下，采用MicrosoftSilverlight技術，開發鹽堿地水鹽動態監測系統，動態監測和分析土壤水鹽變化，通過綜合分析、遠程可視化呈現，為生產管理提供決策支持。

1 系統總體設計

1.1 開發環境

系統集成開發環境采用Microsoft Visual Studio 2010，運用ESRI的ArcGIS 10.0系列軟件實現地圖文檔的編輯及發布功能，并安裝ESRI的ArcGIS API for Silverlight，以增加Silverlight開發地理應用的簡易性和靈活性。采用Silverlight 5進行開發，前臺界面框架應用可擴展應用程序標記語言(eXtensible Application Markup Language，XAML) 設計，系統界面的動畫部分用Bend4進行設計；后臺應用C＃編程語言結合ArcGIS API完成基本功能設計、方法的調用[22-24]。ArcGIS API for Silverlight是由美國ESRI公司推出的，用于在Silverlight平臺上開發WebGIS應用的一套編程接口。它通過REST接口訪問ArcGIS Server發布的地圖服務、影像服務、幾何服務、地理處理服務、要素服務、網絡服務等，還可以訪問OGC標準的WMS、WFS、WCS等服務，也可訪問Bing地圖服務。

1.2 系統架構

基于WebGIS服務，該系統采用3層B/S (Browser/Server，瀏覽器/服務器模式)架構：數據層、功能層和應用層，以提高系統的交互性，結構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

1)數據層。該層存放鹽堿農田的屬性數據和空間數據，系統使用SQLsever數據庫存儲農田屬性數據，使用文件地理數據庫管理空間數據。在該層中，數據庫中的數據映射成ADO.NET實體數據模型，對數據庫的訪問轉化為對實體數據模型的訪問，并使用WCF(Windows Communication Foundation)服務發送SOAP(Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協議)消息傳輸數據。通過ArcGIS Server發布地圖數據，發布的地圖對應唯一標識-URI，便于界面層訪問。

2)功能層。系統采用ArcGIS API for Silverlight實現GIS的各項功能，ArcGIS API for Silverlight則基于ArcGIS Server REST 接口工作，以提高性能，降低成本。

3)應用層。用戶通過安裝有Silverlight插件的瀏覽器對系統進行靈活訪問。

2 系統功能設計與實現

鹽堿農田地塊信息空間差異、動態變幅大，及時掌握地塊基本信息、統計分析水鹽動態變化和空間差異并掌握其規律，對指導生產具有重要實踐意義。監測系統的主要功能包括地塊信息查詢、水鹽數據統計分析、水鹽空間分析和水鹽動態趨勢分析與預警4個模塊。

2.1 地塊信息查詢

查詢模塊可以通過點查詢和條件查詢兩種方式幫助用戶快速獲取地塊的詳細信息(如經緯度、土壤含水量、含鹽量、pH等)。

技術實現：將農田地塊信息存儲于后臺的數據庫中，通過Silverlight調用WCF服務異步傳輸數據。通過Web服務端創建實體數據模型，將類的屬性映射到數據庫中的表和屬性字段，對數據進行簡單處理。通過創建域服務，將生產的模型向Silverlight客戶端公開。客戶端通過模型和服務與后臺數據庫通信[22]。

點查詢運用QueryTask方法顯示屬性信息，每個地塊對應一個3位數字編碼的地塊號(如001，999)作為唯一標識。用戶只需輸入待查詢地塊號(或在系統中選擇)，GIS地圖即可對該地塊進行查找定位并渲染突出，在信息框顯示相應地塊的查詢結果信息。

條件查詢通過將管理者輸入的要素編制成SQL語句，調用QueryTask方法實現。條件查詢可滿足用戶對某屬性進行定量查詢和復合條件查詢，查詢到目標后可通過點擊該點實現快速定位。

2.2 水鹽數據統計分析

通過統計分析模塊，對各地塊監測數據進行統計分析，并將分析結果呈現在DataGrid中，或以統計圖形式呈現，方便管理者查看和分析使用。

技術實現：運用平均數、標準差、中位數、變異系數、峰度、偏度等統計分析模型，對數據進行統計分析，引用第三方程序集調用第三方控件Chart進行數據呈現；對不同地塊水分、鹽分含量用柱狀圖顯示，可作直觀比較。

2.3 水鹽空間分析

農田土壤墑情、鹽分含量、酸堿度等在空間上有一定的連續分布規律，通過監測點數據對農田水鹽進行空間分析，推測相鄰監測點間土壤信息，為用戶提供空間分布圖利于水鹽調控措施的實施。

技術實現：通過調用GP(Geoprocessing)服務進行插值，分別對水分、鹽分和pH進行反距離插值生成圖像，使水鹽數據由點及面覆蓋整個研究區。GP可以對原有的功能進行擴充，只要在桌面實現的事情，在Server都可以做到。通過發布GP模型，在Web端使用ArcGIS提供的空間分析，用較少的代碼就可以完成一個復雜的操作。

2.4 水鹽動態趨勢分析與預警

土壤水分過多或過少會引起旱澇災害。參考農業部《全國土壤墑情監測工作方案》([農辦農2012]14號)和水利部《土壤墑情評價指標》(SL568—2012)，結合研究區土壤田間持水量，確定土壤含水量預警閾值[12%, 30%][25-26]。土壤鹽分過高、酸堿度過高或過低，都會對作物生長產生脅迫。鹽分含量超過2 g/kg時，土壤中度鹽漬化，作物生長受到脅迫，超過3 g/kg時嚴重影響小麥玉米生長；小麥、玉米適宜的pH在6.5 ~ 8.5，pH>8.5或pH<6.5都對作物生長不利[1]。因此，通過系統分析，對田間水鹽狀況進行實時動態預警和空間預警，可以幫助用戶及時掌握情況采取措施。

技術實現：水鹽預警采取動態預警和空間預警兩種方式。動態預警以設置水鹽閾值方式進行警示。參照土壤鹽分分級標準和作物(小麥、玉米)對水鹽條件的要求，確定水鹽含量的閾值，并將其標記在坐標系中，水鹽含量數據在坐標系上動態地呈現為曲線圖形。當水鹽含量超過或低于該閾值時，則提示應采取調控措施?？臻g預警是根據監測點水鹽數值的高低進行符號化顯示，并進行插值和渲染，使閾值范圍內和高(或低)于閾值的地塊顯示不同的顏色，以對用戶起警示作用。

3 系統應用

3.1 基礎數據來源與處理

系統采用WGS84地理坐標系，地理底圖通過下載研究區范圍的2014年遙感影像，經ERDAS遙感圖像處理軟件處理，在ArcGIS10.1中影像配準，矢量化后得到研究區地理底圖。研究區關鍵點坐標應用GPS實地采集后進行校準。將研究區底圖在ArcGIS Server中發布成本機地圖服務便于系統后臺調用。全部地塊水鹽含量數據通過野外調查移動速測儀實測并通過室內化驗分析校正后，導入ArcGIS內置數據庫中。在典型地塊安裝物聯網監測設備，實時感知自動采集土壤水鹽動態數據，經傳輸處理后進入數據庫。

3.2 系統應用

系統以無棣縣柳堡鎮鹽堿農田為試驗區進行應用測試，該鹽堿農田為“渤海糧倉”科技示范工程核心試驗區。結果表明，系統較好地實現了點屬性數據查詢、統計分析、空間插值分析、動態和空間預警診斷等功能，結果通過友好的可視化界面呈現(圖2 ~ 圖5)，為用戶提供交互式服務。

圖2為地塊信息查詢界面，結果顯示地塊基礎信息。圖3顯示監測數據的統計分析結果，可見，2015年9月研究區35個地塊土壤含水量平均值(8.1%)、中位數(8.51%)和最大值(11.72%)均<12%，說明應該采取措施灌溉保墑。土壤含鹽量平均值(1.62 g/kg)和中位數(1.48 g/kg)雖然不高，此時總體上呈輕度鹽漬化狀態，但最小值(0.81 g/kg)與最大值(4.14 g/kg)相差較大，呈強變異性(變異系數34.71%)，部分地塊為中度和重度鹽漬化，故應對鹽分含量高的地塊采取重點治理措施；pH平均值(8.34)和中位數(8.33)較接近，最小值(8.09)和最大值(8.5)相差不大，呈中等變異性(變異系數0.86%)，但反映出所有地塊均呈中等堿性，對作物生產有一定的抑制性，需要引起注意。圖4為土壤水鹽動態預警圖，根據選擇顯示不同地塊監測預警結果，圖中顯示地塊1含水量在2015年8月份高達48%，需排水，而4月和6月則低于12%，需灌溉，其他月份在適宜區間內；含鹽量在2015年3月(3.2 g/kg)、11月(4.6 g/kg)超過預警值(3 g/kg)，其他月份在適宜區間內。圖5為土壤水鹽的空間插值圖，可見，2015年6月，土壤鹽分整體上呈現北高南低的特征，但有斑塊狀插花分布。

圖2 地塊信息查詢結果

圖3 水鹽數據統計分析結果

圖4 土壤水鹽動態預警

圖5 土壤水鹽空間插值圖

4 結論

本文基于Microsoft Visual Studio 2010開發環境，采用B/S架構，借助Silverlight，集成應用WebGIS和數據庫技術，設計開發了鹽堿地水鹽信息動態監測系統，實現了數據規范處理與存儲、地塊信息查詢、水鹽數據統計分析、空間插值預測分析、動態趨勢分析及預警等功能，分析結果可視化呈現，為農業管理人員及時了解土壤水鹽狀況、采取措施調控水鹽提供了工具。實際應用結果表明，該系統可以輔助用戶及時、全面掌握鹽堿農田水鹽動態信息，為田間管理提供決策支持。

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Dynamic Monitoring System of Water and Salt of Saline-alkali Land Based on WebGIS

ZHANG Zhi1,2, GAO Mingxiu1*, ZHU Changda1

(1 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer, Tai'an, Shandong 271018, China; 2State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The exploitation and utilization of saline-alkali land is an important way to supplement cultivated land and ensure national food security. Strengthening the dynamic monitoring and mastering the movement law of water and salt are the bases of taking measures timely to improve the utilization of saline-alkali land. Based on the WebGIS platform and Microsoft Silverlight technology, a dynamic monitoring system was designed and developed for salt and water in saline-alkali land. The system realized the functions such as field parcel information query, statistical analysis, spatial analysis, dynamic trend analysis and early warning, and the system was applied in the saline-alkali land in Wudi County of Shandong Province. The results showed that the system can assist users to grasp the dynamic information of water and salt in saline-alkali land timely and comprehensively, thus can provide decision support for field management.

Saline-alkali land; Water and salt movement; Dynamic monitoring system; WebGIS

國家科技支撐計劃項目(2013BAD05B06-5)、山東省自主創新及成果轉化專項(2014ZZCX07106、2014ZZCX07402)、山東省重大科技創新工程項目(2017CXGC0301)和山東省高?！半p一流”獎補資金項目(SYL2017XTTD02)資助。

(mxgao@sdau.edu.cn)

張治(1995—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事農業信息化技術研究。E-mail: 1010279564@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.028

S126

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