基于空間信息的水產養殖信息管理平臺的設計與實現

謝 奎，程家驊，劉 軍，肖計劃，傅雪軍，張寒野

（1.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090；2.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；3.北斗導航位置服務（北京）有限公司，北京 100191；4.江西省水產技術推廣站，南昌 330046）

中國是世界第一的水產養殖大國，也是世界唯一的養殖產量超過捕撈產量的國家［1］。2016年中國水產養殖產量為5 142.4萬t，占全世界水產養殖總產量的60%以上［2］。水產養殖作為漁業生產的一個重要組成部分，在漁業生產中具有舉足輕重的地位。由于在發展過程中存在魚苗、飼料以及漁藥的不合理投入，管理機制不健全、生產環節缺乏全面監督，缺乏對市場信息的及時掌握等問題［3-5］，導致生產成本高、回報率和市場競爭力低，使水產養殖業的進一步發展受到嚴重制約。因此，為了增強水產養殖業的市場競爭力、提高生產效率和水產養殖信息化與可視化管理水平，需要對水產養殖的各個關鍵環節進行實時動態監控，從而制定合理的養殖規劃，進行科學的決策。

遙感具有探測范圍廣、獲取資料速度快、時相多等特點，可在短時間內獲得大范圍地面信息，并能夠實時、動態記錄地表變化，為跟蹤觀測提供了條件，成為水產養殖動態監測的重要數據源［6］，通過對遙感影像進行信息提取能夠快速獲得所需水產養殖的專題信息，并結合GIS技術對養殖面積、養殖密度進行監測，還可以對養殖區進行規劃和管理。幫助養殖場選址，決定養殖品種。例如楊寧生等［7］以對蝦養殖的基礎地理數據和實時生產數據為基本數據源，采用B／S為主、C／S為輔的網絡結構模式進行開發，構建了基于WebGIS的對蝦養殖管理平臺；段金榮等［8］針對太湖漁業資源，建立了基于GIS的太湖漁業資源管理信息系統，從業者能夠及時了解漁業資源的發展動態和最新資訊，同時管理部門能夠根據漁業資源數據的分析和統計結果，做出相應的統籌安排；年雁云等［9］利用ArcGIS Server和 GP服務的漁業分析模型設計了基于WebGIS渤海漁業服務系統；曹順先等［10］分析了經濟型、標準化、生態節水型以及循環型池塘養殖模式水環境管理標準及差異，將WebGIS技術與多種技術集合應用，構建水環境綜合管理的信息平臺，對不同類型池塘養殖模式進行多樣化管理，對水環境動態監測與監控。以上學者從養殖品種、養殖地區等不同角度對GIS技術在水產養殖中的應用進行研究，但迄今對于利用遙感影像信息提取進行大范圍、多尺度的水產養殖信息管理方面研究尚未見報道。

本文以國產高分一號遙感影像為數據源進行全國范圍內養殖水域的提取，并基于OpenLayers、Geoserver、PostgreSQL等 技 術 進 行WebGIS開發，建立了一個生產、經營、管理一體化的全國性水產養殖信息管理平臺。該平臺具有養殖水體資源管理、養殖生產管理、市場信息管理等功能，以期為水產養殖從業人員和漁業行政管理部門進行生產與管理提供有效的時空信息支持。

1 系統設計

1.1 設計目標

水產養殖信息管理平臺的總體目標是建立一個集生產、經營、管理于一體的全國性、綜合性信息管理平臺，不僅能夠從空間上對養殖水體的基本情況、地理環境進行全面、準確的掌握，直觀了解其分布現狀與布局規劃，還可以實現養殖過程的可視化與動態管理，準確掌握養殖生產數據以及監管數據，增強水產養殖生產過程的自動化、信息化水平，促進傳統水產養殖的升級與改造，提高水產養殖生產效率，降低生產成本，規范生產管理，實現水產養殖業可持續發展［11］。主要目標有：

1）養殖水體資源管理。標識與錄入養殖水體的具體信息；提供水產養殖區域分布、變化的查詢等功能。

2）養殖生產管理。水產養殖戶或養殖企業上傳養殖生產臺賬；各級漁業管理部門查詢管轄區內的養殖生產信息。

1.2 系統架構

本系統在進行總體設計時基于可操作性、安全性、集成性和擴展性等原則，并考慮到技術不斷完善、養殖信息不斷更新等問題，自底向上進行開發，采用目前主流的B／S（瀏覽器／服務器）的3層分布式框架結構［12-13］（圖1）。

以遙感影像數據、基礎地理信息數據、屬性數據等構成的數據層（data layer）作為系統的底層，負責屬性數據和空間數據的管理與維護，為整個系統提供數據支撐，包括國產“高分一號”遙感影像及以其為數據源提取的養殖水域分布數據、全國省級和縣級行政邊界、水系和交通等矢量數據以及水產養殖的各種屬性數據；以Web服務器、地圖服務器等構成的邏輯層（logic layer）是整個系統的核心，同時也是連接表現層與數據層的紐帶；以水產養殖信息管理平臺構成的表現層（presentation layer）作為數據顯示和功能操作界面，也是用戶通過前端瀏覽器與后臺服務器進行交互操作的場所。

1.3 系統功能設計

水產養殖信息管理平臺的服務對象有兩種：一是水產養殖從業人員，為他們提供生產臺帳的錄入以及市場行情等相關信息，如魚苗培養、飼料投喂、藥品投放、生產成本及產品銷售等信息，幫助他們提高生產效率和市場競爭力；二是漁業行政主管部門，提供水產養殖業的基本情況，如品種分布、養殖產量、市場信息等，從而增強對整個水產養殖業的生產和市場等宏觀信息的掌握，以便對水產養殖業的管理政策及時調整［7］。根據系統設計目標并基于模塊化思想，從功能角度將水產養殖信息管理平臺分為四大模塊：空間數據管理、水產信息管理、系統管理與維護、外部接口。針對每一模塊進行詳細的設計，使其實現相應的功能，形成一個既分離又相互聯系、功能龐大的信息系統，方便各個模塊的相互調用［14］（圖2）。

圖1 系統體系結構Fig.1 Web structure of the system

圖2 系統功能模塊圖Fig.2 Function module structure of the system

1.4 數據庫設計

水產養殖是一個涉及到生產、管理、交易等各個方面的系統工程，數據來源復雜，數據量龐大，因此要實現對水產養殖信息的動態監管與可視化管理，必須要建立完善的數據庫來對信息進行收集、存貯和管理［15］。數據包括遙感影像、矢量數據和屬性數據3類，其中矢量數據包括瓦片地圖、全國行政區劃圖、通過外業采集和內業數字化的塘口矢量分布圖等；屬性數據包括養殖戶基本信息、塘口信息、漁船信息、市場信息以及用戶信息等。

基于數據庫構建的標準化、規范化、安全性及實用性等原則，在數據庫構建之前對采集到的原始數據經過統一的編碼準則進行加工處理和入庫管理，并對外提供數據接口。同時，為更好地對數據進行管理與訪問，提高數據運算與傳輸效率，采用混合存儲模式對數據進行存儲［16-17］。

2 關鍵技術

2.1 水產養殖區域提取

隨著遙感技術的發展，日益豐富的遙感數據為水產養殖信息提取提供了新的契機，利用遙感影像能夠快速地提取所需水產養殖的專題信息，并結合GIS技術對養殖區進行管理。該系統以GF-1遙感影像數據作為基礎數據，采用人機交互的目視解譯和自動提取分類相結合的方法對水產養殖區域進行提取，以獲取所需的水產養殖區域分布數據。系統采用GF-1衛星的L1級影像，附帶有理多項式（RPC）定位模型，僅經過輻射和傳感器校正，但仍含有地形起伏和透視成像的變形。在進行解譯前，采用PCI Geomatic等數字攝影測量軟件，在數字高程模型（DEM）的支持下，對大區域的多景GF-1影像進行單片區域網平差處理，提高RPC模型的精度。然后進行正射校正和勻色鑲嵌，得到大范圍幾何與色調統一的多波段、高分辨率正射影像。鑒于GF-1遙感影像同時具備全色數據與多光譜數據，采用ERDAS軟件對多光譜影像與全色影像進行融合處理，得到的影像不僅具有多光譜數據的光譜特征，同時保留了全色數據的空間細節，既可以對目標特征進行增強，又能夠提高影像解譯能力［18］。

基于2m分辨率的GF-1多光譜正射影像在ArcGIS環境中進行養殖水體的目視解譯，獲得研究區域的水產養殖區域分布信息。

2.2 地圖切片

水產養殖信息管理平臺所用到的GF-1號遙感影像數據較大，傳統的方法難以對其進行有效的處理，因此采用地圖切片技術，以瓦片為單位對其進行組織。

實驗教學儀器設備的維修是設備管理的重要工作，隨著設備的使用，難免會出現設備損壞的情況，這就需要我們對實驗設備進行維修和保養，做好儀器設備的維修能夠提高設備的使用年限，也能夠保證實驗教學的順利開展。實驗設備的維修應有維修記錄表，每次維修詳細記錄，方便今后查閱。

在本系統中，以5種縮放等級分別生成地圖切片，以便實現地圖的縮放平移等功能，相鄰兩級縮放水平的精度是相差2倍的整數倍。由于地圖切片生成的文件數量較多，因此為了更好地進行切片的發布與管理，分別對每一級切片建立一個目錄，采用“L-級別號”命名，每一級目錄中再分別按行號建立子目錄，命名為“R-行號”，將以“C-列號”命名的切片存放于對應行的子目錄中，用戶根據所需空間范圍獲取地圖瓦片數據，實現對局部地圖的快速訪問。由于采用了以空間換取時間的策略，預先對地圖進行緩存，讀取靜態圖片，然后在客戶端拼接瀏覽，從而快速提供地圖服務［19］，提高了地圖繪制與傳輸的效率，解決了客戶端請求地圖時的渲染效率及瀏覽器兼容性問題，從而給用戶帶來更好的體驗。

2.3 OGC W*S地圖服務發布

OGC（open GIS consortium，Inc.開放地理信息系統聯盟）主旨是在分布式環境下實現地理空間數據和地理信息處理資源的共享。OGC規范中最重要的3個地理信息服務實現規范：網絡地圖服務（web map service，WMS）、網絡要素服務（web feature service，WFS）、網絡處理服務（web processing service，WPS）［20］。

WMS是利用具有地理空間位置信息的數據制作地圖的一項服務，它將地圖定義為地理數據可視化的表現，WMS標準規范提供了3個操作：Get Capabilities返回服務級元數據，它是對服務信息內容和要求參數的一種描述；Get Map返回一個地圖影像，其地理空間參考和大小參數是明確定義了的；Get Feature Info（可選）返回顯示在地圖上的某些特殊要素的信息［21］。

WFS是基于矢量數據共享和互操作的標準，提供要素級的地理數據的服務，采用GML描述地理要素特征，WFS標準規范提供3個操作：Get Capabilities、Describe Feature Type和 Get Feature。WFS的服務請求處理過程分為幾個步驟［22］：①客戶端向WFS請求一個包括WFS支持的所有操作的描述及它提供的所有特征類型的列表在內的功能文檔；②客戶端為獲取一個或多個要素類型的定義生成WFS請求；③基于特征類型的定義，客戶端生成一個特定的請求；④該請求發送到Web Server；⑤調用WFS去讀取和處理請求，并且提供服務；⑥WFS完全處理請求完畢后，將會生成一個狀態報告，并反饋客戶端。

WPS是一個泛化的接口，每一個WPS的實現都能夠定義自己支持的處理及與其相關的輸入和輸出，可以看成是一個Web服務的抽象模型。WPS可以包裝其它現有的符合OGC標準的服務。

水產養殖信息管理平臺采用GeoServer開源地圖服務發布所需的、遵循OGC規范的W*S服務，其中GF-1遙感影像數據遵循WMS規范，瀏覽器客戶端首先向WPS服務器請求DescribeProcess方法對輸入接口進行解析，然后再請求Execute方法進行數據的傳遞并執行服務；根據空間結果數據屬性對Mapfile文件進行自動配置，并通過 Geoserver發布為 WMS服務，WMS服務加載于OpenLayers中，完成結果可視化［23］，用戶只需向WMS實例發送帶有圖層名稱的請求，同時提供地圖繪制參數，就可以獲得相應的地圖數據［24］；利用GF-1遙感影像提取的水產養殖區域分布數據則遵循WFS規范，基于OGC WFS規范語義，要素服務可向用戶提供矢量數據格式描述的單個地理要素的空間數據或要素集的空間數據查詢服務，查詢結果根據WFS標準以地理標記語言GML或KML標記語言封裝的XML文檔返回，并可以實現單個地理要素的編輯、刪除和添加等數據操作［25］。

3 系統開發及功能實現

3.1 系統開發環境

該系統的開發環境如表1所示。

表1 水產養殖信息管理平臺開發環境Tab.1 Development environment of aquaculture information management platform

3.2 系統主要功能的實現

1）空間數據管理

空間數據管理以GF-1遙感影像為背景數據庫，通過圖層控件實現多種比例尺的地圖縮放與漫游、矢量數據疊加顯示與操作；也可實現折線距離量算及封閉水產養殖區域的面積量測［26］；還可以進行專題圖制作，將數據圖像化反映出水產養殖區域的現狀及其分布以及水產養殖各種要素的動態變化和發展規律，為決策者提供簡單、有效的參考信息。

2）水產信息管理

水產信息管理是該系統最重要的模塊，主要包括養殖水體資源管理、養殖生產管理、市場信息管理等功能。

養殖水體資源管理負責在電子地圖上顯示各類水體的分布情況，標識與錄入每塊水體的性質、承包人、養殖種類等信息，通過點擊矢量圖上的養殖水體，即可查看該水體的詳細信息，或者根據養殖戶姓名、所在位置、塘口編號等查詢條件實現對塘口空間位置的快速定位，并突出顯示；查詢與統計各級行政區劃內和指定面積內的養殖水體分布狀況、變化趨勢，生成各類統計圖表，如折線圖、餅狀圖、雷達圖等，體現數據的分布、聚集趨勢，為數據的分析與挖掘提供形象的表達方式；此外對于各個鄉鎮歷年養殖面積和養殖產量等數據都進行統計入庫，制成統計報表，并且可以用于制作統計年鑒，用戶可用不同的查詢條件對各種統計數據進行查詢，對比分析水產養殖歷年變化情況，為漁業行政主管部門提供更加直觀的參考數據。

養殖生產管理主要負責上傳養殖生產臺賬，包括苗種投放、養殖、生產投入、出塘、銷售等信息，幫助用戶分析養殖生產狀況，及時把握生產情況，科學組織養殖生產，實現對水產養殖進行溯源管理。

市場信息管理主要是面向水產交易市場，提供終端信息查詢，發布品種、規格、價格、公司介紹等水產品商貿供求信息，并根據品種等關鍵字查詢、顯示分布，定位所處位置，進行水產品入市合格控制、市場價格輔助管理、交易信息查詢，完善信息化市場；同時面向終端消費者發布水產品共有信息：包括來源、檢疫、加工、消費等透明化服務，為消費者提供消費信息［27］。

3）系統管理與維護

包括系統用戶管理、數據維護以及日志管理。用戶分為系統管理員與普通用戶，系統管理員負責對日常事務管理、系統數據維護、用戶注冊、登陸權限以及其信息修改；普通用戶具有對系統的一般操作權限。這樣做可以進行合理的管理及資源分配，提高系統的安全性和數據的完整性。

4 小結

本研究從水產養殖的實際需求出發，通過對WebGIS的體系結構進行深入分析與研究，設計一套以GeoServer、PostgreSQL和 OpenLayers為核心的水產養殖信息管理WebGIS平臺，很好地實現了養殖水體資源管理、養殖生產管理及市場信息管理等功能。既能滿足漁業管理部門對水產養殖區域的管理，也能滿足水產養殖業用戶的使用要求。

該系統以高分一號遙感影像為數據源提取了全國范圍內的水產養殖水域分布數據，并在此基礎上構建水產養殖信息管理系統，隨著系統的推廣與普及，使全國性的水產養殖監測成為可能，實現水產養殖產業精準數字化管理。

水產養殖信息管理系統僅是一個基礎性系統，下一步的工作將在現有研究基礎上對該系統進行進一步的改進與完善，將養殖環境監測系統、水生動物病害專家系統及智能決策系統等模型系統引入到該系統中，擴展系統服務的廣度和深度，從而更好地為水產養殖業服務，提高我國水產養殖綜合效益和發展水平。