測土配方施肥輔助決策系統的設計與研發

李永浩 王魯 王翔宇

摘? 要：測土配方施肥在我國農作物種植方面發揮著重要作用，基于Eclipse平臺，運用Java語言和WebGIS技術，采用MySQL數據庫，并引入相關數據處理技術，設計開發了測土配方施肥輔助決策系統。由Android移動端和PC端組成，通過采用改進的克里金插值算法處理采樣點的土壤養分信息以獲取更多數據，通過GPS定位技術獲取位置信息，并通過Web Service技術從服務器遠程獲取土壤養分信息。根據用戶對不同作物產量的需求，制定出合理的施肥建議，為種植戶提供輔助決策，實現精準施肥。

關鍵詞：WebGIS;測土配方施肥;克里金插值法;移動開發技術;作物產量模型

中圖分類號：TP391.7;S147.2? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0030-03

Abstract：Soil testing and formula fertilization play an important role in crop planting in China，based on Eclipse platform，using Java language and WebGIS technology，using MySQL database，and introducing related data processing technology，a decision-making system of soil testing formula fertilization is designed and developed. It is composed of Android mobile terminal and PC terminal. The improved Kriging interpolation algorithm is used to process the soil nutrient information of sampling points to obtain more data，GPS positioning technology is used to obtain the location information，and Web Service technology is used to obtain the soil nutrient information from the server remotely. According to the needs of users for different crop yields，make reasonable fertilization suggestions，provide auxiliary decision-making for growers，and achieve accurate fertilization.

Keywords：WebGIS;soil testing formula fertilization;Kriging interpolation;mobile development technology;crop yield model

0? 引? 言

農業能夠為人們帶來生活的必需用品，帶動生產生活資料的發展，因此勢必要提高土地產量。提高產量最主要的辦法就是調整土壤中各個養分的含量分布，使其更適合作物的生長。測土配方就是以土壤的養分含量的測量和施肥實驗為根本，進而通過結合農作物的需肥和施肥規律、土壤的保肥能力以及供肥能力來合理施肥使作物產量提高的一種方法，因此測土配方對于提高農業生產力，減少農戶的不必要支出以及減少農業因施肥而帶來的土壤污染和環境的污染具有非常重要的影響作用[1]。

1? 需求分析

1.1? 功能需求分析

本研究基于山東農業大學關于測土配方施肥的研究，目標為綜合運用WebGIS、Andriod、數據庫技術，克里金插值算法、測土配方施肥技術等技術，用來開發研究更全面更科學的測土配方施肥系統。與傳統施肥系統不同的是，本系統的包括移動端和PC端兩個終端，使用移動端查詢更方便快捷，使用PC端可以進行更細致的查詢。通過獲取目標地區的土壤養分含量，選擇要種植的作物，將目標產量和養分含量信息帶入作物產量模型，從而獲得施肥意見，實現精準施肥。改進了以往的插值算法，采用兩次插值算法，先通過土肥站獲得的一些基本點進行一次插值，獲得土壤養分信息排布的大致規律圖，二次插值用于用戶想要精準查詢某一地塊的土壤養分信息時，會根據距離一次插值點最近的兩個點進而二次插值，得到目標查詢地點更為準確的土壤養分含量。讓最后得到的結果更為準確，促進施肥水平和技術的提高。減少了肥料的施用量，增加了利用效率，更能減少因施肥帶來的環境污染，減少了農戶的成本，促進了農業的信息化、精確化發展[2]。

1.2? 技術路線

1.2.1? 設計路線

首先通過土肥站得到采樣點的土壤養分信息，采用克里金插值算法，獲取整個區域的土壤養分柵格數據，然后建立數據庫，用來存儲土壤養分信息。系統分為前端用戶端和后臺數據庫端，后臺數據庫端通過Web Service與前臺用戶端實現連通，結合移動端和PC端，借助WebGIS里的功能來逐步實現系統的各個功能。用戶先通過定位確定所在地的土壤養分數據，因第一次插值分布點不夠細致，故采用第二次插值，對距離目標所在地最近的幾個點進行第二次插值，使獲取的數據更準確，用戶選擇要種植的作物（例如小麥、玉米、大豆），根據數據庫中土壤養分含量分布，選擇該作物目標產量，將數據帶入作物產量模型中，來制定出更為合理的施肥決策和意見[3]。從而完成測土配方施肥的網絡化服務，實現了土壤養分含量隨地區分布的數據的共享，使農業更加現代化、信息化、智能化，從而促進了農業的發展。

1.2.2? 數據處理

本文采用的插值方法為克里金插值法，其插值法是通過建立一系列的數學函數模型，通過對已經給定的空間來擬合并估算單元格的值，用來生成柵格數據庫，其算法結果相比其他插值算法更為精準，本文通過二次引用可以使結果更準確[4]。

本實驗從土肥站獲取土壤養分含量信息（包括各種有機質、氮磷鉀及土壤pH值等），使用ArcGIS中的克里金插值法來對其數據進行插值處理，進而生成土壤養分的圖層信息，一次插值可使數據點均勻地分布在所查地區，由于一次插值分布點不夠精確[5]。因此可在一次插值基礎上，對分布點進行二次插值，使結果精確到要查詢的某個點的土壤養分信息，獲得所需點更準確的養分信息。通過對給定的某一固定空間來進行擬合估算單元格的值，生成柵格數據庫。

1.2.3? 數據存儲

本文使用MySQL數據庫進行數據存儲，將上一步生成的柵格數據存儲到MySQL的數據庫中，為保證數據庫中數據具有空間特性，應將信息的行信息和列信息位置一并存儲到數據表中[6]。

系統總數據庫中包括土壤養分數據庫和輔助決策數據庫兩個子數據庫，土壤養分數據庫主要包含通過插值獲取到的不同位置的土壤養分信息。

通過將數據庫中的土壤養分信息和目標產量帶入模型即可獲得施肥建議及分析數據。

2? 系統設計

2.1? 系統總體設計

本系統采用C/S架構，視圖層為PC端的用戶和移動端Android用戶，Web、GIS服務層為Web Service和GIS Service，數據層即為后臺數據庫，用來存儲數據，如圖1所示。

進行數據查詢時，表現層中的PC端口通過系統的查詢接口查詢目標地區的經緯度，通過服務層中的Web Service和GIS Service來訪問數據庫中的土壤養分信息庫，進而反饋給PC端口，其中運行在服務器上的PC端口通過Web Service服務端口將信息傳遞給用戶。移動端口不同于PC端口，是通過GIS定位來實現獲取手機當前所在地的經緯度，然后通過GIS服務層訪問到數據庫，反饋給移動端用戶當前所在地的土壤養分信息。PC端通過網頁，移動端通過APP，輸入目標產量，然后結合要查詢地的土壤養分信息，提供給用戶合理的施肥意見和建議。

本系統分為移動端和PC端兩個部分，由于移動端是使用APP的形式，因此要添加定位模塊。

2.2? 系統詳細設計

本系統分為兩個客戶端，除后臺網絡服務功能有所不同，配方施肥決策功能是一致的。一個系統分為后臺網數據庫模塊和前臺用戶功能模塊，后臺數據庫主要包括管理員信息認證、LBS+GPS移動端定位、查詢點數據獲取以及獲取施肥方案。前臺用戶功能主要包括具體數據查詢、具體施肥意見、圖片下載、地理信息數據瀏覽、數據更新與維護、問題咨詢、系統幫助。移動端相較于PC端后臺數據庫模塊多了LBS+GPS移動端定位功能，其余均相同。移動端和PC端登錄的管理員信息是互通的，如圖2所示。

其中，后臺數據庫模塊包括：

（1）管理員信息認證：由于系統使用的對象不同，以及出于系統的安全性考慮，會有不同的權限，且移動端和PC端可同時登錄一個賬戶。

（2）LBS+GPS移動端定位：該模塊主要是通過調用Android手機上集成的GPS模塊從而獲取手機當前所在地區的經緯度，進而實現手機的定位，從而對當地的土壤養分信息進行分析，進一步給出意見。

（3）查詢點數據獲取：通過土肥站先獲取采樣點的地理數據信息，第一次克里金插值算法，分成若干個點使數據均勻地分布在查詢區域。由于用戶所查詢點可能不在第一次插值分布點上，則取距離與想要測點最近的兩個點，通過二次克里金插值算法，來科學地計算出所測地的土壤養分含量信息。Web Service相當于一個中間介質，用來將用戶的需求傳遞給數據庫，然后再將數據庫的數據反饋給用戶，實現數據的查詢與瀏覽。

（4）獲取施肥方案：根據上一步服務器反饋給用戶的數據，經對不同目標作物產量模型進行計算，來得到需要的施肥量，從而幫助用戶給出合理的施肥意見。

前臺用戶功能模塊包括：

（1）具體數據查詢：土壤養分信息查詢是通過輸入要查詢地區或點擊要查詢的土壤類型，首先要讀取到后臺數據庫中土壤的養分含量信息，然后將查詢申請轉換成SQL語言在數據庫中進行查詢遍歷，尋找最匹配的點，然后通過將各個營養成分的表格傳輸到PC端的網頁或者移動端的APP。具體包括：

1）移動端是通過GPS或者基站定位來獲取移動端所在地區的經緯度，然后以當地的經緯度作為參數傳遞到Web Service進行數據查詢，然后在通過Web Service傳遞回移動端，實現數據的查詢。Web起到了在Android和MySQL數據庫之間信息傳遞的橋梁作用。

2）PC端系統的查詢功能主要是通過工具中的信息查詢功能選擇想要查詢的地區實現的。

（2）具體施肥意見：是測土配方施肥決策功能是在土壤中養分含量查詢的基礎之上實現的，使用的是目標產量法，即當用戶通過養分查詢功能查詢到想要查詢土壤的養分信息之后，若欲種植小麥、玉米、大豆，應先將其養分信息及目標產量帶入作物的產量模型中，移動端通過APP，PC端通過網頁將數據發送到服務器端，然后經服務器來引用目標產量施肥模型建立的系統函數，計算出施肥量，并將土壤養分和施肥信息傳輸到表中，通過表的形式最后反饋給用戶施肥建議。

（3）圖片下載：該功能主要是提供土壤的氮、磷、鉀等有機含量的空間分布圖的下載。這些分布圖會以圖片的形式存儲在服務器上，當用戶提交瀏覽下載的申請后，Web服務器端將會把圖片的訪問地址嵌入到HTML中，進而展現在用戶面前，供PC端和移動端的用戶下載。

（4）地理信息數據瀏覽：功能主要包括放大，縮小，平移等功能，也是WebGIS比較常用的幾個功能，其中的放大和縮小是由兩種方式組成，第一種是固定倍數的整體方法縮小，適用于瀏覽整體地圖的放縮，第二種是規定局部自己選擇倍數的放縮，這樣更具有局部性，平移則是通過點擊地圖，拖動鼠標來實現地圖的平移，選擇自己想要查詢的地區[7]。

（5）數據的更新與維護：如果某地區耕作久了，土壤里的養分含量肯定會有變化，當土壤數據變化時，需要更新最新的土壤數據來給用戶提供最新最準確的施肥意見。

（6）問題咨詢：用于為用戶提供咨詢問題的渠道，移動端可點擊該功能通過向發送惠農平臺短信的形式進行問題咨詢，PC端可通過惠農平臺網上人工客服進行咨詢。

（7）系統幫助：通過介紹該系統的各個功能的用途和使用方法，方便用戶了解使用。

3? 結? 論

本測土配方施肥系統通過與移動端和PC端的綜合運用，通過對Android技術、Web網頁技術、MySQL數據庫技術、克里金插值算法、測土配方施肥技術以及WebGIS技術等的合理綜合運用，實現了用戶通過移動端的APP和PC端的網頁對當地土地養分信息的處理和查詢，并通過當地的土壤養分信息以及適合種植什么作物給用戶提供科學的決策意見和分析，為用戶提供科學的施肥意見和建議。從而提高作物的產量，減少對環境的污染，對農業的發展有著至關重要的作用。

參考文獻：

[1] 劉柏清，吳波.基于LBS的移動電子商務分析 [J].金融科技時代，2012，20（11）：51-53.

[2] 呂嬌，李淑敏，潘明陽，等.不同包膜控釋氮肥對玉米氮素吸收和產量的影響 [J].天津農業科學，2012，18（1）：46-50.

[3] 魏麗梅.變量施肥機的研究意義 [J].時代農機，2018，45（3）：12-13.

[4] 祖娟.基于PDA-GIS的縣域測土配方施肥系統的研究與建立 [D].合肥：安徽農業大學，2012.

[5] 許新廷.基于土壤養分豐缺指標的章丘市冬小麥—夏玉米輪作推薦施肥技術的研究 [D].泰安：山東農業大學，2016.

[6] 黃丹.基于DIV+CSS技術的花卉網站的構建與推廣 [D].南寧：廣西大學，2015.

[7] 楊志芳.基于WebGIS的果樹病蟲害信息發布系統 [D].保定：河北農業大學，2005.

作者簡介：李永浩（1995-），男，漢族，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向：農業信息化;通訊作者：王魯（1981-），男，漢族，山東泰安人，副教授，博士研究生，主要研究方向：機器學習與智能計算;王翔宇（1995-），男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向：農業信息化。