基于微信的縣域配方施肥系統研究與應用

朱福斌，丁世偉，李子杰，張友華，馬友華

（1.安徽農業大學 資源與環境學院，安徽 合肥 230036；2.安徽農業大學 資源環境信息與計算機學院，安徽 合肥 230036）

作物配方施肥技術,是近些年來我國農業關注的主要問題之一。長期以來，我國作物施肥普遍利用率不高，不僅對生產成本造成很大壓力，而且對環境的破壞較大，并對人體健康造成潛在危害[1-3]。開發及推廣應用配方施肥系統，可以及時有效地為農戶提供可靠的施肥建議。目前,國內外對施肥信息系統也有了很多研究，Buresh,RJ等為菲律賓稻米開發了一個基于網絡的決策支持工具[4]。Papadopoulos,A等運用模糊決策支持系統在特定場地中對氮肥施用量進行設計和應用[5]。Goffart,Jean-Pierre等驗證了決策支持系統中幾種馬鈴薯氮素推薦量，提高了氮利用效率的可能性[6]。1985 年，中科院人工智能所研制了“砂姜黑土小麥施肥專家系統”[7]。王囡囡等研制了針對三江平原區TRPF配方施肥軟件，并綜合分析驗證了大豆施肥的效果[8]。張明安、龐永青等分別在WebGIS 基礎上，建立了縣域配方施肥系統和農田測土配方施肥管理信息系統[9，10]。祖娟等以采用嵌入式GIS、移動GPS定位技術，實現了PDA終端的配方施肥系統構建[11]。張麗等以原有的GIS 系統為基礎，實現了PDA 終端的小麥配方施肥系統構建[12]。國內配方施肥系統在微信上的應用尚不多見，而微信作為最為常用的信息傳遞媒介之一，用戶基數大，信息傳遞效率高，操作便捷，是理想的施肥推薦平臺。以微信公眾號為媒介，構建安徽省縣域作物配方施肥系統，實現作物精確施肥，可以為農戶提供施肥決策意見，提高耕地可持續發展能力。

1 系統開發目標

1.1 系統設計原則

1.方便實用性。系統以廣大農民和基層農技人員為主要服務對象，以滿足廣大農民和基層農技人員的實際需求為主要目標，以縣級行政區域為基礎，查詢各行政級別下的配方施肥情況。

2.標準化和通用性。系統應當考慮作物配方施肥中國標和行標發布的統一標準，在確保系統性能優越的情況下，同時兼顧安徽省縣域的特性。

3.可擴展性。系統預留相應接口，在后期因配方施肥功能需求變化而需要添加或更改時，能夠針對性地提供不同的模塊服務。

4.可維護性。系統應考慮空間數據庫及屬性數據庫的更新維護，確保數據庫模塊之間相互獨立。在修復和擴展新功能時，修改和影響的范圍局限在更小的區域。

1.2 開發平臺及工具

系統分為兩個部分，作物配方施肥管理平臺和微信公眾號平臺。作物配方施肥系統管理平臺運用B/S 結構設計，極大地優化了用戶體驗。管理平臺實現采用了穩定的J2EE 技術規范，采用SSM 框架，即Spring+SpringMVC+MyBatis 框架，數據存儲使用穩定高效的Sql Server 數據庫。后臺配備防火墻軟件，使系統在安全能力、穩定程度和成熟程度進一步提高。系統程序運行迅速流暢，各區域模塊分工合理，擁有較強的邏輯性、靈活性、可靠性和持續性。

微信公眾號平臺采用了AngularJS-ionic, 以Web應用為基礎，主要包括HTML5、CSS3、JavaScript技術對智能設備APP開發的框架為基礎，具有很好的跨平臺性能。系統配合SuperMap軟件，通過對矢量文件配圖處理，對用戶展現美觀、清晰的耕地情況。

1.3 系統開發設計流程圖

圖1 基于微信的縣域配方施肥系統開發設計流程圖

1.4 數據庫構建

屬性數據庫包括各鄉（鎮）、村配方比例表、養分化驗數據表、鄉鎮肥料經銷商信息表、缺素圖譜數據庫、作物受害圖譜數據庫。

空間數據庫采用WGS84 坐標shp 文件，內容主要包括采樣點點位圖，耕地地力評價結果圖，縣、鄉（鎮）、村級行政區劃圖，養分分布圖（有機質、pH、全氮、速效鉀、有效磷和中微量元素），土壤類型分布圖，耕地地力等級分布圖。其中，養分分布圖以耕地地力評價結果圖單元為基礎數據，采用空間插值的方法，對全縣范圍賦值，構建縣域空間數據庫。空間數據庫配圖則使用SuperMap軟件，對矢量文件疊加處理，生成配圖文件，并上傳至SuperMap 服務器后臺保存。

2 作物配方施肥空間插值與模型建立

系統運用了空間插值法擬合縣域養分空間分布，通過綜合肥料效應函數法、養分平衡法和目標產量法建立了安徽省縣域作物施肥模型。

2.1 空間插值

空間插值是指運用一定的方法和規律，通過一定數目的已知樣點的點信息推測整個研究區域的面信息。本文根據采樣點數據空間插值，預測獲取全縣域養分分布，再根據不同作物養分關系，推薦相應施肥配比。空間插值方法有多種多樣，根據采樣點的土壤養分區域分布情況，應當使用不同的空間插值方法來處理采樣點。不同的空間插值方法結果精度和分布區域不一，本文主要采用空間插值方法中應用最為廣泛的反距離權重插值法（IDW）和克里金插值法（Kriging）來預測縣域養分空間分布。

2.1.1 反距離權重插值法

反距離權重插值法(IDW)是基于地理學第一定律的原理，即萬事萬物都是有聯系的，兩個物體距離越近，其性質越接近；兩個物體距離越遠，其性質差異性越明顯。反距離權重插值法(IDW)作為運用最為廣泛和普遍的空間插值方法，通過已知點和預測點之間的距離作為權重并加權平均計算,離已知點越近的預測點權重越大。反距離權重插值法(IDW)要求插值對象分布均勻適中，并且插值面有局部因變量。其公式為：

式中，Z(s0)為S1處的預測值，N 為預測點周圍樣點需要使用的數目；λ1為使用的樣點的權重值，Z(s1)是在S1處獲得的已知值。

2.1.2 克里金插值法

克里金插值法（Kriging）起源悠久，南非礦產工程師Danie G. Krige在上個世紀五十年代初開創性地采用此方法找尋金礦，并由法國統計學家Georges Matheron 為此方法奠定了基礎，并命名為Kriging。克里金插值法作為地統計學重要內容之一，在空間自相關地基礎上，利用半變異函數對區域內樣點進行預測分析，克里金法要求原始數據或經過函數變換后的數據正態分布。其公式為：

式中，s表示不同空間位置的坐標點位，可默認為經緯度坐標；Z(s)是s 處的變化量；μ(s)表示確定趨勢；ε(s)表示自相關誤差，對此公式轉換變形，可以得到多種克里金插值方法。

對于趨勢值μ(s)，若任意情況下，μ(s)=μ，即趨勢值為一個常數，則表示該模型為普通克里金。同時，μ(s)也可以表示成一個二階多項式趨勢面方程，即：

式中x、y表示空間坐標，μ(s)表示趨勢值。

2.2 作物施肥模型建立

在精準施肥指標體系研究基礎上，以養分豐缺指標法為基礎，根據田塊土壤養分條件，綜合肥料效應函數法、養分平衡法和目標產量法，設計出一種適合安徽省縣域特點的作物配方施肥模型。公式如下：

其中F(ds)為養分施用量與養分測量值之間的對應關系，其公式如下所示：

式中：fa表示需要施肥量（kg/畝）；SM表示標準畝產（kg/畝）；TY表示目標產量（kg/畝）；DS0-DS5表示土壤測定值；TYmax，TYmin表示分別為最高產量和最低產量（kg/畝）；FA1-FA4表示建議施肥量（kg/畝）。

該模型綜合了養分豐缺指標法、目標產量法和肥料效應函數法的優勢，可以根據區域特點自行設定產量，同時針對地塊條件精準地推算各類化肥施用量，既具有時效性、又具有穩定性，針對性地解決了農戶難以獲得定制配方施肥的問題。

3 系統實現的主要功能

3.1 農田土壤查詢

用戶選擇任意耕地地塊，可查詢耕地地塊相關土壤信息。主要包括①全氮、有效磷、速效鉀、有機質、pH 值及中微量元素含量；②土種、土成土母質、耕層質地、耕層厚度、剖面構型；③區域位置及地力等級。幫助用戶了解耕地土壤基本信息，通對對耕地土壤情況的大致了解，判斷適合種植的作物種類。

定位查詢：通過微信LBS(Location Based Services)地理服務，獲取當前位置信息，定位查詢所在田塊上述土壤各項特征信息。

3.2 作物施肥信息查詢

根據用戶所選耕地地塊，可顯示不同配方信息。根據不同的作物、目標產量及肥料種類，自動生成基肥、追肥方案。此項功能是本系統的主要功能，涵蓋內容豐富。其中作物品種包含水稻、小麥、玉米、油菜、大豆等主要作物，并可自定義目標產量，針對性地計算出配方肥及單質肥施肥方案。方案包括基肥方案及追肥方案，涵蓋了氮磷鉀及中微量元素施肥方案。

定位查詢：查詢手機當前位置農田的上述作物施肥各種信息。

3.3 圖譜查詢

主要包含作物缺素圖譜、病蟲害圖譜、藥肥氣害圖譜。以圖片形式展現，使用戶可以更加直觀的了解到作物生長異常時的性狀表現，能夠協助用戶及時了解作物是否正常生長，減少作物受害范圍，防范作物減產減收。

3.4 農技專家及經銷商查詢

主要提供了當地農技專家專業方向及聯系方式，便于用戶與農技專家直接聯系。提供了縣、鄉（鎮）經銷商位置及聯系方式，方便用戶肥料購買，并可依據配方施肥方案按需生產，實現定制化肥料生產，在保證作物產量的同時節省成本。

3.5 文檔資料查詢

主要包含全縣范圍內常見病蟲害防治文檔、作物施肥技術文檔、作物栽培技術文檔、苗情簡報、農業法律法規。為用戶提供了作物種植中常見問題的解決方案，配合農技專家，綜合促進作物豐收、產量提升。同時可以查詢定期的作物疫情報告，便于了解近期各地的作物疫情情況，為作物災情做好提前防范。

4 結束語

目前該系統已在安徽省明光市、蒙城縣、潛山市、鳳臺縣、巢湖市和靈璧縣應用，運行效果良好。和App 應用相比，本系統不僅具有APP 應用的各項功能，而且無需下載、安裝，實現數據后臺自動更新。同時，微信作為一個用戶人數眾多的社交軟件，它的互動性是其優勢所在，是其他軟件不能比擬的。在微信公眾平臺中，可以通過用戶信息自動回復，也可由后臺更新服務，實現信息的迅速獲取。并提供了基于LBS(Location Based Services)的地理位置的服務，微信端實現縣域農戶對所在任意田塊定位查詢土壤信息、作物施肥配方、周邊經銷商等查詢，系統功能模塊齊全，系統整體靈活便捷，使用戶能夠方便操作，傳播有效性更高，可隨時隨地提供信息和服務，更容易在農戶或基層農技人員中推廣，減少農戶施肥決策中的主觀性和盲目性，實現作物增產，農民增收。