基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺建設

顧 穎,祁小敏

1.南京市信息中心,江蘇 南京 210000

2.東南大學,江蘇 南京 210000

農民或相關農業管理人員合理應用農業大數據，能夠減少農業生產成本，了解農業市場概況，提高農民收入[1-4]。農業大數據存在異構性，數據格式不具有一致性，且數量巨大，使用傳統的數據管理平臺不能實現農業大數據的精準挖掘，基于此，本文設計一種基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺，該平臺合理應用GIS 技術的通信優勢與數據采集、查詢、可視化等優勢，引入基于模糊改進聚類分析的農業數據挖掘方法，可實現南京市農業大數據可視化處理。

1 基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺

1.1 平臺結構設計

基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺的底層支持技術為GPS 技術，是集農業大數據采集、存儲、查詢于一體的可視化平臺[5]。基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺整體架構如圖1 所示。

圖1 基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺架構圖Fig.1 The framework of agricultural big data visualization platform on GIS in Nanjing City

基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺中核心應用單元依次為數據采集模塊、嵌入式操作系統、GIS 終端。數據采集模塊主要用于采集南京市農業大數據，通過GPS 通信上傳至因特網，通過因特網存儲于服務器中；嵌入式操作系統為基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺的可視化操作的核心單元，可為用戶提供農業大數據可視化操作[6]；GIS 終端主要用來和GPS 通信，信道鏈路是串口傳輸，傳輸的數據主要用于嵌入式操作系統所用。GIS 應用層使用可視化模式設計方法，實現可視化編輯，通過串口通信的形式將數據導出至可視化操作界面反饋給用戶[7]。

1.2 軟件設計

1.2.1 可視化模式設計方法 基于GIS 的南京市農業大數據可視化模式圖如圖2 所示。

圖2 基于GIS 的南京市農業大數據可視化模式圖Fig.2 GIS-based visualization model of agricultural big data in Nanjing City

如圖2 所示，基于GIS 的南京市農業大數據可視化模式存在多樣化特征。支持三維顯示模式，三維顯示模式主要包含柵格圖生成、農業數據矢量化、等值線繪制三步驟；支持農業數據地圖顯示，地圖查詢結果以表格顯示模式反饋至用戶。可視化模式多樣，功能齊全，具有較好使用價值。

1.2.2 基于模糊改進聚類分析的農業數據挖掘方法 使用粒子群混沌差分訓練對模糊C 均值聚類算法實施改進。將基于GIS 的南京市農業大數據聚類特征采樣樣本值集設成為基于GIS 的南京市農業大數據聚類特征采樣樣本，分別在時間段H1,H2,...,Hn中的關聯指向特征β是：

其中，cov 表示協方差；農業大數據中連續的關聯指向屬性依次為A、B；E(B)、E(A)分別表示農業大數據連續的關聯指向屬的聚類中心；n表示數量。將基于GIS 的南京市農業大數據實施聚類自適應訓練：

式中，Q(A)、Q(B)為模糊C均值分布概率；V1(A,B)為農業大數據關聯指向屬性訓練結果，Q(A∩B)表示農業大數據聚類的模糊C均值聚斂概率分布。建立基于GIS 的南京市農業大數據挖掘的聚類目標函數Kn：

獲取農業大數據聚類目標函數的最優解，優化尋優性能，實現模糊C均值數據聚類改進。使用改進算法獲取農業大數據聚類目標函數的最優解θ是：

其中，εji、εij分別為第i個農業大數據特征分解的第j種矢量、第j個農業大數據特征分解的第i種矢量中存在的混沌擾動量。θ即為最符合用戶查詢需求的農業數據。

2 實驗分析

實驗分析中使用Java 語言實施編程，在Windows XP SP3 32 位系統計算機中開發本文平臺，開發平臺使用Myeclipsell 軟件實現框架構建與程序代碼的編寫、測試。設定某用戶登錄本文平臺后，查詢2019 年1 月17 日年南京市蔬菜產地收購價、畜禽產地收購價、水產品產地收購價。

設置使用本文平臺的并發用戶量分別是5 個、15 個、25 個、35 個，用戶查詢南京市農業數據的種類分別是2019 年南京市高淳縣黃瓜、辣椒、蘋果、番茄、花菜、芹菜、萵苣的產量與售價，7種農業數據的數據量都設成3000 GB，測試本文平臺在響應用戶指令時的運行效果與反饋效果，如圖3、圖4 所示。分析圖3、圖4 可知，當并發用戶量存在差異、用戶查詢南京市農業數據的種類存在差異時，本文平臺的響應耗時低于1 s，最大值僅有702 ms，反饋的農業數據量最大值為2999 GB，最小值為2998 GB，反饋的數據較為全面，本文平臺能夠按照用戶需求，獲取最符合用戶需求的全部農業數據信息。

為了測試平臺對農業大數據的可視化效果，查詢2019 年1 月17 日年南京市蔬菜產地收購價、畜禽產地收購價、水產品產地收購價與前一周價格相比后的變動值。平臺反饋的效果圖如圖5 所示。

圖5 平臺反饋效果圖Fig.5 Platform feedback renderings

圖5 中，用戶使用本文平臺，查詢2019 年1 月17 日年南京市蔬菜產地收購價、畜禽產地收購價、水產品產地收購價與前一周價格的變動值時，本文平臺反饋結果十分清晰，價格變動值標注明顯，一目了然，由此可證本文平臺的可視化性能極好。

3 結論

本文構建一種基于GIS 的南京市農業大數據可視化平臺，并在實驗中測試本文平臺的使用效果，經測試得出：（1）用戶在本文平臺中查詢2019 年1 月17 日年南京市蔬菜產地收購價、畜禽產地收購價、水產品產地收購價時，平臺的可視化界面內容分類明確，品名、規格、收購價格分類明確；平臺對多個地區、多種農業數據信息聚類效果較好，不存在聚類錯誤的情況。（2）當并發用戶量存在差異、用戶查詢南京市農業數據種類存在差異時，本文平臺響應耗時低于1s，最大值僅有702 ms，反饋的農業數據量最大值為2999 GB，最小值為2998 GB，反饋的農業數據較為全面；平臺的對農業信息數據反饋結果十分清晰，可視化效果極佳。