基于GIS的農業生產基地空間數據庫的設計與實現
——以廣西大容山農業基地為例

李衛寧 阮紅群 Norriza Hussin 黃鳳仙

（1.桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧 530001；2.南寧市土地開墾整理中心，廣西 南寧 530001；3.SEGi University，Selangor，Malaysia，47810）

農業是世界上最古老的產業之一，約在一萬年前，農業已在中國產生了［1］。隨著農業現代化的推進和信息技術的發展，農業數據呈現數據量大、來源廣泛等特點，農業數據使用和管理的不足［2］。地理信息系統（GIS）產生于20 世紀60 年代的加拿大，該系統初期是用于地質數據的圖形顯示［3］。GIS 技術自20世紀70年代后期到至今，應用于農業領域已有40 多年的歷史［4］，在農業領域的應用主要體現在農業病蟲害防治［5］、農產品估產［6］、農業區劃［7］、農業災害預測與治理［8］等?？臻g數據庫是存儲在計算機物理存儲介質里一系列描述與實體空間特征相關的數據（空間數據）集合，描述現實世界中空間實體的空間特征（點、線、面實體的空間維度分布）和屬性特征［9］。從功能角度出發，空間數據庫的優勢在于其不僅具備傳統數據庫存儲和管理數據的功能，而且支持復雜對象的數據模型，滿足了多源數據（GIS、GPS、RS）的存儲、管理和可視化的需求，其在地圖制圖、區域規劃、空間可視化、資源調查、農林等領域中被廣泛應用［10］。將空間數據庫技術應用于農業生產與管理是對農業數據空間化管理和可視化表達的一種嘗試。

1 研究區域概況及引入數據庫管理系統的必要性

以廣西壯族自治區容縣大容山內為對象進行研究，大容山屬亞熱帶氣候區，地表破碎程度較高，地塊以小塊分布的農田為主，降雨量豐富且年均積溫較高，適宜從事農業生產活動［11］。從數據管理的角度出發，建立農業空間數據庫具有一定的必要性：一是空間數據庫具有良好的空間位置特征表達能力和空間自相關性描述能力。研究區的地塊因自然因素存在著以下特征：各地塊面積值差異化明顯且存在較多面積較小的地塊（據統計面積最大的地塊約為0.2hm2，最小的地塊僅為0.02hm2），同一農戶所擁有的不同地塊分布較分散。傳統型數據庫無法實現地塊的空間位置表達，對于空間數據的存儲局限性較大，而借助空間數據庫則能實現地塊空間位置和空間關系的存儲，例如通過繪制地塊的分布地圖可實現地塊的精確定位及地塊之間相對位置關系的建立。二是農業數據具有數據量龐大、來源廣泛、類型繁多的特點，據統計大容山基地每天記錄的數據約為1000 條，來源于生產、市場、客戶等方面，數據繁雜。傳統的文件管理模式存在效率低下、數據安全性低等問題，而引入數據庫管理系統進行農業數據的存儲和有序管理可有效解決該問題。三是通過建立空間數據庫可實現地塊的位置信息和生產信息的相互連接，例如可以快速了解某個地塊所種植的作物種類和產量信息，方便用戶掌握生產情況，提高農業生產的管理效率和信息化表達水平。

圖1 研究區概況圖

2 設計原則

此空間數據庫中的數據分為空間數據和屬性數據兩大類，包括基地地圖、記錄數據、統計圖表等。空間數據庫中的數據類型繁多、來源廣泛、數據結構復雜程度高，為更好的滿足用戶對于數據存儲使用的需求，其設計應遵循下列準則：

2.1 科學性

數據庫建庫應在科學決策思維的指導下，遵循科學建庫的原則，按照數據庫建庫的流程和方法建立。數據庫中數據組織結構應合理，數據采集方式應科學有效［12］。

2.2 規范性

為滿足數據管理和數據共享，數據庫建立流程應遵循規范，數據格式應遵循規范，數據采集方式應遵循規范。

2.3 共享性

此數據庫中的數據面向所有用戶，用戶可在權限范圍對數據進行操作。

2.4 安全性

應采取相應的安全措施對數據庫中的數據進行保護，防止數據因人為或意外因素丟失、泄露、破壞等［13］。

2.5 實用性

數據庫的功能應滿足用戶的需求，同時滿足可靠性高、性能高、成本低。數據庫應滿足高可移植性、易擴容性、高備份性，便于數據庫的遷移、擴展和數據恢復［14］。

3 數據來源

本研究的數據來源可按照以下標準分類：

3.1 按內容分類

基礎底圖數據：研究區的地形、道路、農田、衛星影像等數據。

農業生產數據：農業生產中產生的數據，包括天氣、種子數量、肥料數量等。

3.2 按數據類型分類

空間數據：包括矢量數據（點，線，面狀要素類數據）和柵格數據，其中矢量數據采用ArcGIS 的shp 格式，柵格數據采用img格式。非空間數據：包括文檔數據和表格數據。

4 農業空間數據庫的結構設計

4.1 數據庫的分層設計

空間數據庫的優勢之一就是對其存儲的數據進行分層設計，按不同數據類型的特點進行管理和處理。在本研究的數據庫設計中，數據由空間數據、非空間數據兩類構成?？臻g數據包括矢量數據和柵格數據，用來描述大容山農業生產基地中與空間位置有關的地物。非空間數據包括屬性數據和農業生產數據，用于描述數據庫中的空間數據和農業生產經營活動。數據庫中的空間數據應采用統一的空間參考系，便于數據的可視化表達和空間疊加［15］，本研究采用WGS84為空間參考系，具體情況如圖2所示。

圖2 數據庫分層設計圖

4.1.1 空間數據 柵格數據：柵格數據由研究區的高分遙感影像和DEM 組成，柵格數據的入庫包括數據預處理、柵格數據集的創立、數據導入等流程［16］。

矢量數據：矢量數據即經外業測量或內業數字化生產的研究區內農田、道路等地物，分為點、線、面三類［17］。矢量數據除了空間特征之外還要屬性特征，即空間數據的描述數據，這部分數據將以關系數據庫的形式存儲。

4.1.2 非空間數據 非空間數據包括屬性數據和農業生產數據。屬性數據即與空間數據相對應的描述數據，如農田的編號、道路的名稱等。農業生產數據即在農業生產經營中產生的數據，如作物生長狀態、種子的用量，肥料的用量，產量，氣象數據等。這類數據將單獨輸入數據庫存儲為屬性文件，通過關鍵字與圖形數據建立聯系。本空間數據庫的結構圖如圖3所示：

圖3 數據庫結構圖

4.2 空間數據庫結構設計

空間數據庫中的數據分為矢量數據集、柵格數據集、元數據和文檔數據等［18］，其中矢量數據集包括行政區劃、道路、河流、農田界線、村莊等；柵格數據集包括DOM、衛星影像等。本研究的空間數據庫引擎采用ESRI 的ARCSDE，ARCSDE 的數據存儲是通過層表（LayerTable）、商業表（BusinessTable）、特征表（FeatureTable）及索引表（SpatialIndexTable）實現對空間數據的存儲和管理，同時為了實現從空間到屬性再從屬性到空間的雙向操作。ARCSDE 是通過空間數據表與屬性數據表中的公共標識符來實現二者的聯系［19］，本研究中空間數據的最基本組成單元是農田。在ARCSDE中農田的結構存儲圖如圖4所示：

圖4 農田數據ARCSDE存儲圖

農田與農業生產數據庫中的表格如農田種植狀態表、產量表通過關鍵字進行鏈接，實現數據的查詢和使用。同時通過關鍵字的鏈接，可以實現將數據庫和地圖關聯，將數據庫中的記錄顯示在地圖上，增加數據的直觀性。農田與農業生產數據的連接如圖5所示：

圖5 農田數據與農業生產數據連接圖

4.3 非空間數據庫結構設計

此空間數據庫的非空間數據選用關系型數據庫進行存儲、管理［20］。屬性數據庫的設計遵循關系型數據的設計步驟，分為用戶需求分析、概念設計、邏輯設計和物理設計。用戶需求分析即明確用戶對于農業空間數據庫的用途和功能要求，文章主要采用座談法和案例研究法確定用戶需求。概念設計即通過分析用戶需求將現實世界映射在信息世界中并形成E-R圖，在E-R圖的基礎上進行邏輯設計即將ER 圖進行優化組合并轉化為DBMS 支持的邏輯結構，物理設計即在邏輯設計在基礎上建立符合用戶性能要求的物理數據庫［21］。本研究的關系型數據庫采用微軟的SQL SERVER。

5 數據庫功能設計與實現

5.1 農業空間數據庫

基于上述的數據庫設計的內容及用戶需求，基于ARCSDE 的農業空間數據庫包括的功能如下：（1）基礎地圖操作；（2）空間數據的屬性操作；（3）圖件輸出；（4）鏈接農業生產數據?？臻g數據庫的功能結構如圖6所示：

圖6 數據庫功能結構圖

（1）基礎地圖操作：農業空間數據庫提供了對地圖數據的常規操作，包括地圖的放大、縮小、平移、量測、鷹眼等操作。通過點擊工具欄上的可實現地圖的放大、縮小和平移，通過工具實現距離的量測。

（2）空間數據庫的屬性操作：空間數據庫的屬性操作包括地塊的屬性查詢和屬性表的操作。屬性查詢通過對象識別工具實現，單擊目標地塊即可調用屬性窗口顯示目標地塊的屬性信息。屬性表的操作包括屬性信息的錄入與修改、屬性字段的添加、按屬性選擇、屬性信息的導出與打印等操作，具體情況如圖7所示。

圖7 空間數據的屬性操作

（3）圖件輸出：在布局視圖中將空間數據庫里的地圖數據按照制圖規范輸出成規范化的地圖，可進行展示和打印。

（4）鏈接農業生產數據：此功能實現將空間數據庫中的空間數據與農業生產數據庫中的非空間數據關聯，并在地圖上顯示所關聯的農業生產數據。此功能以地塊為信息載體，根據用戶需求，點擊地塊即可顯示此地塊所種植的作物及作物生長信息，它是通過空間數據表與屬性數據表中的公共標識符即數據庫中的關鍵字實現兩者的聯系。本數據庫中所選用的公共標識符為地塊編號這一字段，其具有唯一性且在空間數據庫和農業生產數據庫中均為各表格的關鍵字，具體情況如圖8所示。

圖8 鏈接農業生產數據庫

5.2 農業生產數據的存儲與管理

此功能實現了農業生產數據的錄入、刪除、查詢、統計、數據導出等操作。用戶通過點擊相應的功能按鈕可快速實現上述功能，具體情況如圖9所示。

圖9 農業生產數據庫的存儲與管理

6 結論

本研究以廣西容縣大容山農業生產基地為研究對象，探討了基于ARCSDE 的農業數據庫的設計與建立，從數據結構的角度出發，探討了不同類型數據分層存儲與管理模式。本研究的數據分為空間數據和非空間數據兩大類，并存儲于ARCSDE 中，非空間數據存儲于關系型數據庫中，同時從面向對象程序設計的角度出發探討了農業空間數據庫的功能。實踐證明，農業空間數據庫的建立實現了農業數據的有序存儲、管理和應用，同時具備空間數據操作模塊，如地塊的精確定位與地塊間空間相關性的顯示、地塊與農業生產數據連接，實現了地塊信息的精確查找，各地塊的作物種植和生長情況反饋等功能，增強了數據的可操作性和提高了農業管理的信息化水平。經實踐，農業空間數據庫的建立與使用實現了大容山農業生產基地歷史數據的整理、存儲和管理，對于農業數據的保存與使用提供全新的思路。農業空間數據庫的運營與使用極大地提高了農業生產管理的效率，據統計在使用農業空間數據庫后，基地的生產效率提高了約15%，同時實現了生產資料的統一調度和人力成本的節約高效利用。綜上所述，農業空間數據庫的建立對于農業生產經營具有積極的促進意義，也為基于GIS 的農業管理信息系統的建立提供了數據支撐。