基于三維GIS的農業資源臺賬系統設計與實現
——以貴州省松桃縣為例

邵 瀚，郭永禧，王小標，朱孟蘭

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000)

1 引言

農業資源臺賬化、資產化管理是世界經濟社會發展的趨勢，《全國農業現代化發展規劃(2016～2020年)》明確提出，要推進信息化于農業深度融合，建立集農業數據監測、分析、發布和服務與一體的國家數據云平臺，加強農業遙感基礎設施建設，建立重要農業資源臺賬制度[1，2]。

農業資源具有時空特征，空間分布等特點，傳統的二維GIS系統的空間信息是由二維平面投影顯示，導致三維維度上的信息損失，難以全方位呈現農業資源的真實性、交互性和動態性。三維GIS相比二維GIS，雖然空間維數只是增加了一個維度，但它包含更多層次的信息，更真實性的表達形式，更大規模的數據量和復雜的空間關系[3]。

本文主要結合農業資源臺賬數據存在地理范圍分布廣、動態變化等特點，利用三維TerraSuite平臺，構建基于三維GIS的農業資源臺賬系統[4]，將三維GIS與數字農業資源建設相結合，利用正射影像和數字高程模型、農業資源數據、農業生產數據、屬性數據庫等構建更加符合現實情況的三維農業資源臺賬系統，充分展示農業資源的真實性、交互性和動態性，通過三維GIS技術實現農業資源臺賬數據的空間數據管理、數據分析和服務共享等功能。

2 研究區概況

2.1 松桃縣農業資源簡介

松桃苗族自治縣地處武陵山脈主峰梵凈山東麓，地處黔、湘、渝兩省一市結合處，是貴州的農業資源大縣，屬副亞熱帶濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充沛，土壤肥沃，土地類型多樣。全年無霜期284 d，適宜種植糧、棉、油、麻、桑、茶、蔬菜、藥材等糧食和經濟作物，全縣耕地面積40.8萬余畝。

作為貴州省農業資源生態環境遙感調查及信息系統建設試點縣，多年來有著地理信息系統、衛星遙感及全球定位系統應用方面經驗的積累，依托全國地理國情普查項目、農村土地確權登記項目中，分別采集了分辨率為0.5 m和0.2 m的正射影像數據。同時利用3S技術能夠較快地開展農業資源臺賬系統建設的工作，通過建立農業資源臺賬制度，搭建農業資源臺賬系統，構建農業資源監控體系，監測農業資源動態變化，實現農業資源合理利用等方面探索農業資源管理科學化的方法和途徑，進一步夯實農業可持續發展基礎[5]。

2.2 松桃縣農業資源存在的問題

松桃縣各類農業產品種植配置趨于合理，多種產業、多種經營得到迅速發展，與縣域經濟發展和農民增收水平提升相適應，符合新時代下農業產業結構的發展趨勢，基本滿足了城鄉居民生活和社會發展需要。但和現代農業發展要求相比，仍然存在以下問題。

2.2.1 農產品質量不高，市場競爭力不強

在結構調整中，區域比較優勢尚未充分發揮，區域性農作物結構不同程度存在大而全、小而全的問題，精品意識不強，栽培技術和品種更新滯后，市場競爭力不強，未形成自身的農產品品牌價值。如何利用農業信息臺賬系統進行農業區位選擇，強化區域性農作物結構，優化農作物種植品種，對農業生產全過程進行管控，實現科學性及自動化生產成了一個關鍵的問題。

2.2.2 龍頭企業發展滯后，產銷銜接不夠緊密

目前僅有的龍頭企業規模小、數量少、范圍窄，沒有把市場和農民很好地聯結起來，未形成較穩定的經濟利益共同體，較少應用到大數據分析、互聯網+的農業發展理念，如果利用農業資源臺賬系統與市場農資產品供需信息銜接，可為廣大農民帶來持續經濟效益。

2.2.3 農業基礎薄弱，農民科技素質較低

農業生產基本條件差、技術裝備比較落后的現狀還沒有得到根本改變，抗御自然災害能力還相對脆弱。如何利用農業資源臺賬系統及時獲取農業生產外接環境信息，并對農業生產過程進行監控預警，將會切實影響農業生產產量及農產品品質。

2.2.4 開發資金短缺，調控能力不強

縣鄉財政困難，向上爭取資金數量有限，銀行信貸渠道不暢，農業結構調整資金無法足額投入，結構調整方式單一、手段不靈，仍依賴于政府計劃的單向調整。如何利用農業資源臺賬系統對農業產能進行科學評估，制定農業資源科學決策分析，提高農業市場流通效率和資金利用效率也同樣是值得研究的關鍵問題。

3 農業資源臺賬系統設計

3.1 關鍵技術

3.1.1 ArcGIS Enterprise

ArcGIS Enterprise 是新一代ArcGIS Server產品，是一個在用戶自有環境下運行的WebGIS平臺，由ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGIS DataStore和Web Adapter四個組件構成，其中ArcGIS Server發布并托管各種GIS服務，客戶端將服務請求發送給服務端，GIS Server作出相應響應并返回結果到客戶端。Portal for ArcGIS是ArcGIS Enterprise產品的門戶中樞，作為平臺訪問的入口，可以基于用戶角色進行權限管理和訪問控制，使不同角色的用戶安全使用各種GIS資源。ArcGIS Data Store用于存儲portal for ArcGIS托管的各類GIS數據和圖層，是一個單獨的數據庫應用程序。Web Adapter能將ArcGIS Server和Portal for ArcGIS所需要的端口暴露給外部用戶，從而實現ArcGIS平臺訪問的請求轉發，實現外部互聯網訪問各類GIS服務。本項目基于新一代的ArcGIS Enterprise平臺，實現各類農業資源專題數據的儲存、統計、分析、制圖、展示等功能的建設。

3.1.2 Skyline TerraSuite

Skyline TerraSuite由TerraBuilder,TerraExplorer,TerraGate等產品構成。TerraBuilder利用衛星影像、航飛影像、數字高程模型，快速構建真三維實景場景模型。TerrraExplorer用于瀏覽TerraBuilder創建的三維場景，另外還提供對矢量要素和三維模型的加載、編輯和標注等功能，可以呈現出一個多源數據結合的三維場景界面。同時，TerraExplorer提供一整套API，可以通過二次開發構建專屬化的定制三維場景瀏覽應用程序。TerraGate的主要作用是將TerraBuilder創建的三維地形和TerraExplorer配置的矢量要素或三維模型部署到服務器，發布為地形服務和要素服務，用戶可以通過加載這些服務快速構建自己所需的三維地理信息系統。在本項目中，Skyline TerraSuite用于三維地形的制作、三維場景的配置和各類服務的發布，同時利用TerraExplorePro提供的二次開發的API，快速構建松桃縣農業資源臺賬系統三維場景功能。

3.2 總體架構

松桃縣農業資源臺賬系統的整體架構可以采用物聯網層、數據層、業務邏輯層和表示層的四層體系結構。業務邏輯層隔離了表示層對數據庫系統的訪問，保護了數據庫系統的穩定和數據的安全，在業務邏輯層中，當業務規則變化后，表示層不做任何改動，就能立即適應，易于維護。平臺的建設需要前期軟硬件環境的搭建和數據建設的支撐。基于三維GIS的松桃縣農業資源臺賬系統初步架構圖如下圖1所示。

圖1 松桃縣農業資源臺賬系統總體架構

松桃縣地理空間信息共享平臺將采用二、三維一體化的形式進行搭建，在二維平臺上面具備良好的數據操作、空間分析、制圖出圖的能力，在三維平臺上具備了良好的大場景三維漫游和三維模型的展示能力。二、三維平臺將操作同一套數據源，在二維場景下的編輯能夠及時反饋在三維平臺上，實現二、三維的聯動功能。

3.3 功能設計

松桃縣農業臺賬資源系統主要服務對象是農業主管部門、農業生產人員、農業經營人員以及農業科研院所，農業主管部門通過該系統獲取農業資源的整體宏觀信息，制定科學性高、實施性強的管理決策。農業生產人員需要獲取農業資源分布情況和農產品種植信息，制定合理的農業資源使用計劃。農業經營人員通過農業資源面積及分布信息，預估農業資源產量和運輸路線，評估農業資源經營成本。農業科研人員通過該系統，消除信息孤島，避免重復的農業資源臺賬數據搜集工作，通過該系統獲取現勢性強、可信度高的農業資源臺賬數據，保障科研成果的準確性和科學性(圖2)。

4 系統功能實現

4.1 二、三維場景展示

基于平臺，實現基礎地理數據和專題數據的高效地存儲與管理，使二維數據與三維數據在數據模型和數據結構上保持一體化，在此基礎上，將數據直接在三維場景中可視化與展示，圖3為以廖皋街道為例制作的漫游導航圖。

圖2 松桃縣農業資源臺賬系統功能設計

圖3 松桃縣廖皋街道二、三維漫游

4.2 農業臺賬數據查詢

數據查詢提供在二三維場景中任意點或對象的數據信息。農業臺賬數據查詢主要包括以下幾個方面。

(1)元數據查詢和檢索：對元數據的查詢就是按照特定用戶指定的條件，在數據庫中查詢符合條件的相關數據。對元數據的檢索則是按照一定的分類關系，進行分級查找。

(2)氣象數據查詢：針對特定地點，給定坐標，對其進行有關光、熱、水等作物生長發育不可缺少的因子查詢以及統計信息查詢。

(3)空間關系查詢：農業要素間空間實體間存在的多種空間關系，包括拓撲、順序、距離、方位等關系，利用GIS空間關系查詢工具可以快速、準確、便捷且直觀地對要素間空間關系進行查詢。

(4)特定地區相關農業資源要素查詢：針對用戶給定區域，利用空間位置及統計信息，準確直觀的查詢該區域內農業資源相關信息。

圖4 農業臺賬數據查詢示意

4.3 農業臺賬數據統計

結合地區性特征及具體需求，使用符合松桃地區基本縣情、滿足新形勢下統計信息需求的新型農業統計體制，針對不同類型的農業作物、不同地理條件的種植地區以及不同類型的種植方式等方面進行科學的統計，為后續查詢、分析、決策以及宏觀調控提供科學且客觀的依據。

具體統計內容主要包括以下幾個方面。

(1)耕地資源及其分布統計。主要包括耕地土壤發育情況統計、土壤礦物質含量統計、土壤厚度統計、土壤肥力統計、土壤有機質含量統計以及各類土壤分布情況統計。

(2)農業氣候條件統計。不同的農業生產對象(作物、牲畜等)和農業生產過程都對氣候有其特殊要求，針對光、熱、水等作物生長發育不可缺少的因子統計，也包括旱、澇、霜凍、大風等不利氣候條件統計。

(3)水文水資源統計。主要包括水質情況統計、灌面統計、地下水水量統計、地下水水質統計等。

(4)農作物種植類型及分布統計：主要對常用大田農作物品種進行搜集整理，記錄不同作物的品種名稱(包括別名)、品種育種來源、生物學特性、栽培技術和適宜性進行統計。

(5)農作物生長情況及產量統計。針對作物的病害、蟲害和雜草進行分類整理統計，結合作物生長中出現的病蟲害情況可進行病蟲害預測預報和實施科學防治。

(6)農業廢棄資源統計：針對農業生產過程中產生的廢棄物進行統計，作為指導廢棄資源利用的重要依據。

4.4 農業臺賬數據分析及利用

根據松桃縣土地、氣候以及種植作物特征，對農業臺賬數據分析及利用具體工作包括以下幾個部分。

(1)松桃縣土地利用現狀研究。根據松桃縣土地利用現狀數據資料，分析整理松桃縣土地利用結構，耕地利用現狀，耕地類型及分布特點。

(2)土地適宜性評價的指標體系構建。首先在收集的資料中選取合適的參評因子作為評價指標。評價指標的選取上要遵循主導性原則、變異性原則、穩定性原則、相對獨立性原則、可操作性原則及定性與定量相結合的原則。依據耕地適宜性評價指標體系構建的原則、方法、步驟確定了耕地適宜性評價的指標體系。再運用層次分析法(AHP)確定不同土地類型中各個指標的綜合權重。

(3)土地適宜性評價。對研究區耕地進行適宜性評價時，由于獲取的數據不在同一量綱，無法進行比較和運算，用Z-score方法對數據進行標準化，采用多因素綜合評價法計算總分值，運用K-均值聚類方法對研究區的數據進行聚類分析，最后得出松桃縣土地適宜性評價結果。

(4)農業布局優化。圍繞耕地保有量，根據耕地適宜性評價結果及農業用地現狀，提出適當的布局優化建議。

(5)農業臺賬數據共享。農業資源臺賬共享是農業資源臺賬數據信息化的重要組成部分。松桃縣作為建設試點之一，構建綜合性農業資源臺賬共享有助于加快松桃縣農業結構調整，變革農村生產力，實現傳統農業向現代化農業的轉型升級。

5 結語

基于三維GIS的農業資源臺賬系統相比于傳統二維GIS的農業臺賬系統，將農業資源的應用層次提升了很大的臺階，除了擁有傳統農業資源臺賬空間數據管理瀏覽功能以外，基于三維平臺的農資臺賬系統能夠實現農業資源二三維一體化展示、預估農作物產量和監測農作物生長趨勢、對耕地適應性進行評價，并根據評價結果及農業用地現狀，提出農業布局優化建議，共享農業資源三維服務，科學指導農業生產，使農業資源臺賬數據得到更好的綜合利用，為全國及貴州省開展建立重要農業資源臺賬制度提供借鑒經驗和參考價值。