基于Web服務(wù)的施肥決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 杰，黃詩(shī)悅，林開(kāi)顏，吳軍輝

(同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092)

0 引言

減少化肥施用，推進(jìn)化肥減量增效，對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[1-3]。在我國(guó)的農(nóng)作物自主生產(chǎn)過(guò)程中，施肥決策很大程度上依靠經(jīng)驗(yàn)，土地化肥施用量和施肥方法缺乏合理科學(xué)依據(jù)和有效指導(dǎo)。測(cè)土配方施肥技術(shù)由來(lái)已久，也得到了一些應(yīng)用，但傳統(tǒng)的測(cè)土配方施肥，針對(duì)特定地塊和作物，在土壤測(cè)試的前提下，一般需要以長(zhǎng)期固定的田間試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，具有較大的局限性，并且施肥決策主要依據(jù)土壤信息和作物本身的需肥要求，而忽略了氣象環(huán)境條件對(duì)作物養(yǎng)分吸收、生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。

近年來(lái)傳統(tǒng)施肥決策系統(tǒng)逐漸朝著作物診斷、地理信息遙感、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析等多技術(shù)融合方向發(fā)展[4-8]。施肥決策系統(tǒng)通常結(jié)合建立施肥模型知識(shí)庫(kù)而展開(kāi)[9-13]。這不僅能有效解決作物推薦施肥系統(tǒng)中知識(shí)與數(shù)據(jù)緊密結(jié)合、模塊固化的缺點(diǎn)，而且由于具有操作簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性、可定義性強(qiáng)的特點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。構(gòu)建精準(zhǔn)的施肥決策系統(tǒng)離不開(kāi)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的匯集更新和歷年的測(cè)土配方施肥模型迭代，隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于云端服務(wù)器[14]，并借助Web服務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)向用戶(hù)提供便捷精準(zhǔn)的地塊管理、施肥決策服務(wù)成為新的發(fā)展方向。此外，利用專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，可以讓基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到有效利用，有助于針對(duì)用戶(hù)的地塊自身情況獲得適宜的施肥指導(dǎo)方案；結(jié)合市場(chǎng)肥料信息的融合，有助于提高施肥配方的可執(zhí)行度。

為實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，鑒于我國(guó)施入化肥普遍過(guò)量的事實(shí)，實(shí)行化肥減量增效、有機(jī)肥增施的策略成為農(nóng)作物種植過(guò)程的一個(gè)重要目標(biāo)[15-18]。傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥方法往往只注重土壤本底養(yǎng)分和植物吸收情況，忽略了影響作物產(chǎn)量、作物養(yǎng)分吸收的氣候條件。現(xiàn)有一些研究表明水稻、玉米等作物的發(fā)育或養(yǎng)分積累與溫度之間有密切關(guān)聯(lián)[19-21]，所以在傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥方法中引入地區(qū)有效積溫的施肥影響參數(shù)可以為后續(xù)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與植物養(yǎng)分吸收的互作研究奠定理論基礎(chǔ)，也能推進(jìn)在不同地區(qū)和不同農(nóng)產(chǎn)品上的進(jìn)一步應(yīng)用，為后續(xù)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展提供技術(shù)支撐。

當(dāng)前研究中也有考慮氣象條件的利用干物質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和氣象預(yù)報(bào)服務(wù)相結(jié)合的方法。該方法雖然可以更加有效地指導(dǎo)施肥決策，但也存在只考慮當(dāng)年氣象數(shù)據(jù)和只能指導(dǎo)單一肥料施肥決策的缺點(diǎn)。且當(dāng)前研究未能將施肥決策與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，每次施肥指導(dǎo)都需要單獨(dú)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算，極大地增加了使用成本，降低了其實(shí)際價(jià)值。

綜合以上問(wèn)題，本文研究并設(shè)計(jì)了包含有機(jī)肥增施、氣象參數(shù)調(diào)節(jié)追肥的改進(jìn)型測(cè)土配方施肥決策平臺(tái),針對(duì)作物的施肥規(guī)律建立了養(yǎng)分平衡模型知識(shí)庫(kù)，結(jié)合實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)分析、地塊土壤數(shù)據(jù)分析，對(duì)特定作物的養(yǎng)分平衡模型進(jìn)行氣象參數(shù)調(diào)優(yōu)。用戶(hù)可以在Web頁(yè)面劃定自己的地塊，查看地塊和氣象信息，建立種植信息，根據(jù)種植情況，獲取每一階段的施肥決策配方，為科學(xué)種植、合理施肥提供決策依據(jù)，最大程度減少化肥的使用量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 核心算法及流圖

為了突破傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥決策方法單一注重土壤本底養(yǎng)分和植物吸收的技術(shù)方案，本文對(duì)傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，研究并實(shí)現(xiàn)了基于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與施肥知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)型施肥決策方案，該方案充分考慮了“土壤-植物-氣候條件”的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，依據(jù)作物生長(zhǎng)當(dāng)年的積溫變化和長(zhǎng)勢(shì)情況調(diào)整追肥施用量，可進(jìn)一步提高肥料的利用效率。在原有測(cè)土配方施肥的基礎(chǔ)上，結(jié)合有機(jī)肥的增施，進(jìn)一步減少了化肥的施用，減輕面源污染，提升農(nóng)產(chǎn)品種植效益。

具體的施肥決策推理過(guò)程如圖1所示。過(guò)程中需要輸入的數(shù)據(jù)參數(shù)：作物名稱(chēng)PC、目標(biāo)產(chǎn)量Pt(kg)、地塊名稱(chēng)Pl、地塊面積Pa(hm2)、施肥日期Pd。系統(tǒng)根據(jù)作物名稱(chēng)判斷作物種類(lèi)，并從知識(shí)庫(kù)中推出對(duì)應(yīng)的單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量M(kg)和肥料利用率R(%)。當(dāng)用戶(hù)輸入的目標(biāo)產(chǎn)量不符合常理時(shí)，系統(tǒng)將目標(biāo)產(chǎn)量改為調(diào)整值；由地塊名稱(chēng)確定地塊所在的村鎮(zhèn)和市縣，進(jìn)而得到該地塊土壤養(yǎng)分測(cè)定值V(mg/kg)，包含堿解氮含量測(cè)定值、速效鉀含量測(cè)定值、速效磷含量測(cè)定值，再根據(jù)有效養(yǎng)分系數(shù)模糊劃定規(guī)則，分別得出土壤有效養(yǎng)分系數(shù)S。系統(tǒng)獲取到以上地塊相關(guān)信息后將其應(yīng)用于養(yǎng)分平衡公式計(jì)算：計(jì)劃總施肥量(kg/hm2)=(所需養(yǎng)分量(kg/hm2)-土壤養(yǎng)分供應(yīng)量(kg/hm2))/(肥料養(yǎng)分含量(%)×作物肥料利用率(%))：

圖1 施肥決策知識(shí)庫(kù)推理過(guò)程

所需養(yǎng)分量=目標(biāo)產(chǎn)量×單位產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量：

堿解氮土壤供應(yīng)量=0.15×堿解氮有效養(yǎng)分系數(shù)×土壤堿解氮測(cè)定值：

根據(jù)作物種類(lèi)的階段施肥需求，系統(tǒng)將計(jì)劃總量按照比例分?jǐn)傊磷魑锸┓实拿總€(gè)階段。有機(jī)肥施入量根據(jù)土壤供氮量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。有機(jī)肥總量=土壤供氮量/(施用的有機(jī)肥中氮含量×(100%-有機(jī)肥利用率))。在作物基肥階段有機(jī)肥一次性全部施入。在追肥各個(gè)階段，根據(jù)每個(gè)時(shí)期的氣象變量參數(shù)對(duì)施肥量進(jìn)行調(diào)整。

參與追肥調(diào)整的氣象變量參數(shù)計(jì)算方法如圖2所示。在歷史氣象數(shù)據(jù)表中選取從施肥當(dāng)年算起的前30年連續(xù)日平均氣溫：Y1～Y30，當(dāng)年的日平均氣溫為Y0。對(duì)Y0～Y30分別計(jì)算出施肥日期與前一次施肥日期間的有效積溫：AY0、AY1～AY30； 對(duì)AY1～AY30從小到大排序后取前10個(gè)數(shù)的平均值作為積溫下限值A(chǔ)MIN，后10個(gè)數(shù)的平均值作為積溫上限值A(chǔ)MAX。用當(dāng)年施肥周期中的有效積溫AY0和上下限值比較，如果AY0＜AMIN，則按照減量三級(jí)參數(shù)對(duì)追肥配方量進(jìn)行調(diào)整；如果AMIN≤AY0≤AMAX，則按照減量二級(jí)參數(shù)對(duì)追肥配方量進(jìn)行調(diào)整；如果AY0＞AMAX，則按照減量一級(jí)參數(shù)對(duì)追肥配方量進(jìn)行調(diào)整。

圖2 氣象參數(shù)計(jì)算流程圖

本系統(tǒng)的核心是施肥決策，首先需要掌握地塊土壤情況，實(shí)現(xiàn)以地定肥。地塊管理功能需求由此而來(lái)，該功能包含地塊信息創(chuàng)建與分類(lèi)查詢(xún)，按照土壤肥力將土壤分為6個(gè)等級(jí)，這是完成施肥決策的第一步；建立相應(yīng)地塊，在獲取到土壤信息后，就需要在相應(yīng)地塊上建立種植作物，根據(jù)種植作物品種和適應(yīng)的氣候條件等信息進(jìn)行施肥決策查詢(xún)，該功能模塊主要包含種植信息創(chuàng)建、養(yǎng)分平衡配方模型的基礎(chǔ)配方計(jì)算、氣象參數(shù)計(jì)算與追肥配方調(diào)節(jié)等過(guò)程。在獲取施肥方案后，用戶(hù)可按照配方查詢(xún)到對(duì)應(yīng)投入品并創(chuàng)建投入記錄，也可以查詢(xún)歷史投入信息。平臺(tái)功能模塊列表如圖3所示。

圖3 施肥決策平臺(tái)功能需求

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 施肥決策平臺(tái)架構(gòu)

根據(jù)實(shí)際需求，所設(shè)計(jì)的施肥決策平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。管理員享有最高權(quán)限。前端界面和后端的信息交互采用RESTful API設(shè)計(jì)，利用HTTP協(xié)議進(jìn)行信息傳送。共享的信息有地塊、氣象、種植和相應(yīng)的施肥指導(dǎo)信息。在邏輯業(yè)務(wù)層，建立針對(duì)某一種特定作物的施肥決策模型調(diào)整方法，即在養(yǎng)分平衡模型庫(kù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合作物目標(biāo)產(chǎn)量、氣象參數(shù)、有機(jī)肥參數(shù)制定的算法，對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)分平衡模型計(jì)算的施肥量進(jìn)行調(diào)整。算法的實(shí)現(xiàn)基于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地理信息的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之上，利用ASP.NET Boilerplate框架的Entity Framework數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)及時(shí)將底層數(shù)據(jù)庫(kù)的海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)反饋至邏輯業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理。該系統(tǒng)利用.Net框架的通用組件進(jìn)行了異常處理、日志記錄、安全驗(yàn)證和緩存等工作，保證決策平臺(tái)運(yùn)行可靠性。

圖4 施肥決策平臺(tái)架構(gòu)方案

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)[22]，本系統(tǒng)利用SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存放農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與用戶(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求：用戶(hù)進(jìn)行創(chuàng)建施肥地塊，制定作物種植計(jì)劃，在種植計(jì)劃中進(jìn)行施肥決策等操作，最后針對(duì)施肥決策配方進(jìn)行肥料投入管理。根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，抽象出實(shí)體關(guān)系圖(E-R圖)，并把主要屬性列出來(lái)后按數(shù)據(jù)庫(kù)范式要求進(jìn)行規(guī)范化處理，如圖5所示。縣市村鎮(zhèn)表記錄地域信息；地塊信息表記錄用戶(hù)創(chuàng)建的地塊信息；種植信息表記錄用戶(hù)創(chuàng)建的種植信息；作物信息表存儲(chǔ)管理員登記的作物信息；歷史氣象信息存儲(chǔ)前30年每天的相關(guān)氣象信息，并可經(jīng)過(guò)Python爬蟲(chóng)程序進(jìn)行在線(xiàn)添加；土壤信息表存儲(chǔ)站點(diǎn)下村鎮(zhèn)的土壤肥力信息；肥料投入品信息表記錄相關(guān)肥料信息。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系圖

2.3 Web服務(wù)接口設(shè)計(jì)

施肥決策項(xiàng)目采用前后端分離的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，服務(wù)端利用Swagger接口測(cè)試工具生成接口文檔，方便進(jìn)行接口測(cè)試，所提供的接口服務(wù)可以用于PC或手機(jī)的前端界面調(diào)用。

通過(guò)HTTP協(xié)議的POST、GET、DELETE請(qǐng)求方式與對(duì)應(yīng)用戶(hù)參數(shù)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包含地塊、作物、種植、投入品以及氣象土壤等信息；針對(duì)用戶(hù)種植信息服務(wù)端給出施肥決策返回接口實(shí)例如表1所示。在GET請(qǐng)求方式中，用戶(hù)參數(shù)包含地塊面積、目標(biāo)產(chǎn)量、所屬村鎮(zhèn)、種植作物種類(lèi)、名稱(chēng)以及施肥時(shí)間。

表1 施肥決策返回接口示例

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本系統(tǒng)界面根據(jù)Angular前端框架和NG-ZORRO前端組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。架構(gòu)如圖6所示，以用戶(hù)或管理員登錄頁(yè)面為入口點(diǎn)；在地塊管理頁(yè)面可調(diào)用創(chuàng)建或修改地塊頁(yè)面；在種植頁(yè)面中創(chuàng)建或修改種植信息或調(diào)用施肥指導(dǎo)頁(yè)面。地塊和種植的信息創(chuàng)建和修改都具有相同的共享依賴(lài)service-proxies.ts。除共享依賴(lài)外，每一個(gè)Angular組件都可成為頁(yè)面依賴(lài)。

圖6 前端結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)Web服務(wù)中，當(dāng)用戶(hù)需要施肥指導(dǎo)時(shí)，首先進(jìn)入地塊信息界面判斷用戶(hù)是否創(chuàng)建了地塊，如果地塊信息存在則可進(jìn)行施肥計(jì)算，如果沒(méi)有創(chuàng)建相應(yīng)地塊信息則提示用戶(hù)先創(chuàng)建屬于自己的地塊。施肥計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用種植信息頁(yè)的地塊名稱(chēng)或者編號(hào)、作物品種、計(jì)劃產(chǎn)量、地塊面積、施肥日期5項(xiàng)參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)地塊的施肥指導(dǎo)信息。如圖7所示，該對(duì)話(huà)框頁(yè)面最上方記錄了相應(yīng)地塊和作物的基礎(chǔ)信息，下面根據(jù)總量和階段施肥信息進(jìn)行展示，對(duì)話(huà)框頁(yè)面下層就是系統(tǒng)主操作界面和種植信息頁(yè)。

以2021年井岡山拿山鄉(xiāng)江邊村井岡蜜柚種植地為例，2021年產(chǎn)量為725 kg/畝，按照實(shí)際肥料施入數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際配方施入數(shù)據(jù)如表2所示。基肥計(jì)劃施入時(shí)間為2020年11月20日，萌芽肥計(jì)劃施入日期為2021年2月26日，穩(wěn)果肥計(jì)劃施入日期為2021年5月1日，壯果肥計(jì)劃施入日期為2021年8月10日；在該施肥平臺(tái)上，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)量和實(shí)際施肥時(shí)間等數(shù)據(jù)計(jì)算的施肥配方如圖7所示。與實(shí)際施肥配方數(shù)據(jù)相比，萌芽肥、穩(wěn)果肥、壯果肥的全氮、P2O5、K2O配方總量各減少了4.01 kg/畝、0.082 5 kg/畝、5.07 kg/畝。

圖7 施肥決策頁(yè)面

表2 江邊村實(shí)際與平臺(tái)施肥配方數(shù)據(jù)對(duì)比(kg)

4 結(jié)論

傳統(tǒng)測(cè)土配方施肥方法積累了許多施肥經(jīng)驗(yàn)，但存在施肥參考數(shù)據(jù)單一、施肥指導(dǎo)周期較長(zhǎng)的問(wèn)題。作物的生長(zhǎng)發(fā)育與氣候條件密切相關(guān)，一個(gè)地區(qū)的積溫變化會(huì)影響到作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量變化。本文對(duì)此展開(kāi)研究，研究了協(xié)調(diào)統(tǒng)一“土壤-植物-氣候條件”的改進(jìn)型測(cè)土配方施肥決策方案。利用氣候大數(shù)據(jù)，分析獲得當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)期內(nèi)的有效積溫，并與生產(chǎn)當(dāng)年的同期有效積溫進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，決定追肥施用化肥的量，從而能夠有效地控制追肥量、減少化肥施用總量、提升化肥的利用效率。

本文在建立模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于Web服務(wù)的施肥決策平臺(tái)，引入了當(dāng)?shù)胤e溫?cái)?shù)值以完善施肥決策，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)型測(cè)土施肥方法與可供用戶(hù)操作的施肥平臺(tái)的融合。對(duì)于用戶(hù)而言，可以有效利用平臺(tái)中的土壤和氣象信息進(jìn)行施肥決策；對(duì)于施肥專(zhuān)家而言，可以對(duì)知識(shí)庫(kù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了良好的用戶(hù)交互界面，為農(nóng)業(yè)用戶(hù)在施肥減量增效方面提供了決策支持，契合綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，有利于農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。