基于ArcGIS Server的網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：該文為提高農(nóng)田信息管理智能化水平，應(yīng)用ArcGIS Server應(yīng)用平臺(tái)，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)和搭建系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。其次，分別設(shè)計(jì)用戶(hù)登錄、信息表達(dá)、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)題圖制作和空間分析等模塊，保證系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)效果。最后，從應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層3個(gè)方面，完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，在ArcGIS Server應(yīng)用平臺(tái)的應(yīng)用背景下，該文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠等特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)共享和發(fā)布農(nóng)田空間信息，完全符合預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。希望通過(guò)這次研究，為相關(guān)人員提供有效的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：ArcGIS Server；網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)；農(nóng)田地理信息；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；農(nóng)田信息化建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P208" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2023）15-0045-04

Abstract： In order to improve the intelligent level of farmland information management， this paper applies ArcGIS Server application platform to complete the design of network farmland geographic information system. First of all， we designed and built the system architecture and system running environment. Secondly， the modules of user login， information expression， query statistics， thematic map making and spatial analysis were designed to ensure the design effect of the system function. Finally， the system was designed and implemented in three aspects： application layer， service layer and data layer. The results show that in the application environment of ArcGIS Server application platform， the network farmland geographic information system designed in this paper has the characteristics of simple operability， safety and reliability， and can be used to share and publish farmland spatial information in real time， which is fully in line with the expected design standards and requirements. It is hoped that this study will provide effective reference for the relevant personnel.

Keywords： ArcGIS Server; network farmland geographic information system; farmland geographic information; system design; farmland information construction

在地理信息系統(tǒng)（GIS）的迅猛發(fā)展下，農(nóng)田信息管理從傳統(tǒng)單一管理模式逐漸發(fā)展為圖文一體化管理模式。應(yīng)用基于GIS農(nóng)田信息管理系統(tǒng)，盡管可以智能化采集、存儲(chǔ)和管理農(nóng)田基礎(chǔ)地理信息，保證農(nóng)業(yè)服務(wù)的精準(zhǔn)性，但是，該系統(tǒng)運(yùn)用了C/S模式，存在系統(tǒng)成本高、農(nóng)田地理信息共享差等問(wèn)題，不利于后期農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展[1]。而地理信息系統(tǒng)服務(wù)（ArcGIS Server）的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以避免以上不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，ArcGIS Server作為一種企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用平臺(tái)，具有集中化管理、多用戶(hù)支持、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。因此，應(yīng)用ArcGIS Server技術(shù)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田地理信息的實(shí)時(shí)化管理、共享和發(fā)布，還能將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本降到最低，為用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)的地理信息服務(wù)體驗(yàn)。所以，在ArcGIS Server技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)運(yùn)行性能，技術(shù)人員應(yīng)用3層模型，完成對(duì)如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖構(gòu)建，該系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)層次：①應(yīng)用層。應(yīng)用層屬于系統(tǒng)架構(gòu)的頂層，主要是由應(yīng)用程序和瀏覽器2個(gè)部分組成，可以保證系統(tǒng)界面的簡(jiǎn)潔友好性。使用該應(yīng)用層，可以采用圖文并茂的方式，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前[2]，并為用戶(hù)提供強(qiáng)大的地圖操作功能、信息查詢(xún)功能等。②服務(wù)層。服務(wù)層主要用于對(duì)客戶(hù)端請(qǐng)求的實(shí)時(shí)化響應(yīng)和處理。系統(tǒng)將客戶(hù)端請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)層，由服務(wù)層結(jié)合用戶(hù)請(qǐng)求種類(lèi)，借助ArcGIS Server服務(wù)器，分析和控制空間數(shù)據(jù)，并采用Web服務(wù)方式，直接交互后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得所需要的信息，整個(gè)響應(yīng)處理過(guò)程結(jié)束。③數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要用于對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)化采集和存儲(chǔ)，以及各種數(shù)據(jù)關(guān)系的維護(hù)[3]，同時(shí)還為用戶(hù)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)備份功能、數(shù)據(jù)存檔功能，為系統(tǒng)提供足夠數(shù)量來(lái)源支持。

1.2" 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境搭建

硬件環(huán)境配置是否合理，直接影響系統(tǒng)整體運(yùn)行性能，因此為保證系統(tǒng)運(yùn)行性能，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照表1所示的硬件環(huán)境表，完成對(duì)應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、客戶(hù)端及其相關(guān)性能指標(biāo)配置。

1.3" 軟件環(huán)境

在搭建系統(tǒng)軟件環(huán)境時(shí)，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照表2所示的軟件環(huán)境表，完成對(duì)中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)、開(kāi)發(fā)工具、編程語(yǔ)言和系統(tǒng)架構(gòu)等工具的選用和配置，為后期系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供良好的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2" 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為充分發(fā)揮和利用ArcGIS Server技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，保證網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果，技術(shù)人員必須嚴(yán)格按照如圖2所示的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)示意圖，選用Eclipse開(kāi)發(fā)工具和JAVA編程語(yǔ)言，應(yīng)用JSP技術(shù)、Spring技術(shù)和Hibernate技術(shù)3種Web展示技術(shù)，完成對(duì)以下功能模塊的設(shè)計(jì)。

2.1" 用戶(hù)登錄模塊設(shè)計(jì)

用戶(hù)登錄模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要做好對(duì)用戶(hù)登錄信息的驗(yàn)證和匹配，只有匹配成功的用戶(hù)才能有權(quán)限登錄和訪問(wèn)本文系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，首先，系統(tǒng)應(yīng)用加密技術(shù)，加密保護(hù)用戶(hù)所提交的登錄賬號(hào)、登錄密碼，然后將加密后的登錄信息安全、可靠地傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中，由系統(tǒng)服務(wù)器調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶(hù)信息表，分析和判斷用戶(hù)信息表是否存儲(chǔ)用戶(hù)所提交的登錄信息。如果是，說(shuō)明用戶(hù)所提交的登錄信息正確，系統(tǒng)自動(dòng)將系統(tǒng)訪問(wèn)成功的頁(yè)面呈現(xiàn)在用戶(hù)面前；反之，說(shuō)明用戶(hù)所提交的登錄信息存在錯(cuò)誤，需要用戶(hù)核實(shí)后再次提交登錄。

2.2" 信息表達(dá)模塊設(shè)計(jì)

信息表達(dá)模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用地圖方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的精確化表達(dá)，便于系統(tǒng)用戶(hù)實(shí)時(shí)查看和調(diào)用。信息表達(dá)模塊主要包含以下幾個(gè)子模塊；①地圖瀏覽功能。通過(guò)應(yīng)用該功能，可以放大、縮小地圖，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖全圖模式觀看[4]。②圖層控制功能。該功能可以對(duì)地圖圖層進(jìn)行直接顯示或者隱藏，并結(jié)合用戶(hù)興趣，突顯出相應(yīng)的圖層信息。③地圖標(biāo)簽功能。該功能主要用于對(duì)特定比例尺、圖層狀態(tài)、地圖狀態(tài)的實(shí)時(shí)化及全面化記錄和存儲(chǔ)，便于后期用戶(hù)隨時(shí)回溯和瀏覽[5]。

2.3" 查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊主要包含以下幾個(gè)子模塊：①空間數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊。該模塊主要用到點(diǎn)擊信息查詢(xún)方式、任意多邊形選取方式，實(shí)時(shí)查詢(xún)指定區(qū)域內(nèi)的相關(guān)屬性信息。②屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊。該模塊采用邏輯符號(hào)、關(guān)系符號(hào)相結(jié)合的方式，查詢(xún)出符合相關(guān)條件的圖形信息。③專(zhuān)題屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊。該模塊可以結(jié)合所設(shè)置好的查詢(xún)條件，實(shí)時(shí)查詢(xún)和瀏覽相關(guān)專(zhuān)題數(shù)據(jù)，這些專(zhuān)題數(shù)據(jù)主要包含作物數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等信息[6]。④基本信息統(tǒng)計(jì)模塊。該模塊主要結(jié)合所獲得的數(shù)據(jù)最值、標(biāo)準(zhǔn)差等相關(guān)參數(shù)，借助圖表，將最終數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)查看和調(diào)用[7]。

2.4" 專(zhuān)題圖制作模塊設(shè)計(jì)

專(zhuān)題圖制作模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要借助專(zhuān)題圖，對(duì)空間對(duì)象屬性信息進(jìn)行實(shí)時(shí)表達(dá)和展示。而專(zhuān)題圖在具體制作時(shí)，通常會(huì)用到空間數(shù)據(jù)相關(guān)屬性，這些屬性，可以真實(shí)、有效地反映出相關(guān)專(zhuān)題信息。該模塊所用的專(zhuān)題圖主要包含等級(jí)符號(hào)專(zhuān)題圖、自定義專(zhuān)題地圖和統(tǒng)計(jì)專(zhuān)題圖等，便于用戶(hù)結(jié)合實(shí)際需求，智能化打印和輸出專(zhuān)題地圖相關(guān)信息。

2.5" 空間分析模塊設(shè)計(jì)

空間分析模塊主要用到以下幾種GIS空間分析方法：①空間量測(cè)分析方法主要用于對(duì)距離和面積等相關(guān)參數(shù)的量算；②緩沖區(qū)分析法主要是指結(jié)合實(shí)際距離，將寬度區(qū)域分析模式設(shè)置于點(diǎn)、線、面實(shí)體周?chē)纾浪愫恿髋c水井的灌溉面積[8]；③疊加分析法主要是指結(jié)合2個(gè)圖像，進(jìn)行相關(guān)幾何運(yùn)算操作，保證2個(gè)圖層綜合處理效果。

2.6" 決策支持模塊設(shè)計(jì)

決策支持模塊在具體設(shè)計(jì)時(shí)，采用分析計(jì)算方式，幫助決策者制定相應(yīng)的作業(yè)方案，為用戶(hù)提供強(qiáng)大的配方施肥決策服務(wù)體驗(yàn)，便于用戶(hù)借助數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，采用養(yǎng)分平衡法，確定出最佳配方施肥方案。

3" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1" 應(yīng)用層

在構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用層時(shí)，首先，應(yīng)用ArcGIS Server技術(shù)和JAVA編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀、交互性強(qiáng)的用戶(hù)界面，然后采用圖文一體化的方式，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，同時(shí)還要為用戶(hù)訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的地圖交互接口[9]。其次，采用應(yīng)用程序編程接口（API）調(diào)用的方式，向應(yīng)用程序中嵌入GIS功能，保證GIS功能實(shí)現(xiàn)效果。

3.2" 服務(wù)層

服務(wù)層屬于整個(gè)系統(tǒng)框架的關(guān)鍵部分，為用戶(hù)提供強(qiáng)大的GIS地圖服務(wù)功能、Web服務(wù)功能。ArcGIS Server屬于一種常用的GIS應(yīng)用服務(wù)器，具有柵格地圖服務(wù)、矢量地圖服務(wù)等強(qiáng)大功能，采用空間數(shù)據(jù)引擎方式，可以與空間數(shù)據(jù)庫(kù)之間建立良好的連接關(guān)系[10]，便于用戶(hù)借助地圖服務(wù)功能，實(shí)時(shí)查詢(xún)和瀏覽空間對(duì)象信息。此外，還能方便用戶(hù)利用萬(wàn)維網(wǎng)應(yīng)用程序（Web Service），實(shí)時(shí)查詢(xún)和瀏覽屬性數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

3.2.1" 地圖服務(wù)

在系統(tǒng)服務(wù)層中，地圖服務(wù)功能在具體設(shè)計(jì)中，除了用到GIS服務(wù)器動(dòng)態(tài)地圖渲染技術(shù)外，還用到地圖切片技術(shù)。通過(guò)以上2種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的實(shí)時(shí)化發(fā)布和共享。例如，應(yīng)用地圖切片技術(shù)，可以分享河流、道路等地圖數(shù)據(jù)，并采用四叉樹(shù)的方式，按照不同比例，切分同一地圖，并切分好的地圖直接存儲(chǔ)到服務(wù)端中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)緩存地圖服務(wù)模式的有效創(chuàng)建。專(zhuān)題數(shù)據(jù)具有一定的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用ArcGIS Server動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)的創(chuàng)建，便于系統(tǒng)結(jié)合用戶(hù)所發(fā)送的請(qǐng)求，將相關(guān)地圖圖片相關(guān)頁(yè)面顯示在客戶(hù)端，供用戶(hù)查看和瀏覽。這樣一來(lái)，不僅可以將服務(wù)器計(jì)算負(fù)載壓力降到最低，還能保證地圖響應(yīng)速度。地圖圖片生成過(guò)程如圖3所示。

3.2.2" Web服務(wù)

Web服務(wù)功能在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要利用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)系統(tǒng)邏輯編程接口進(jìn)行直接訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所需軟件組件的實(shí)時(shí)調(diào)用。Web服務(wù)運(yùn)行原理如下：客戶(hù)端和服務(wù)端采用XML形式，對(duì)所接收的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行包裝，然后利用HTTP傳輸協(xié)議，完成對(duì)這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，以保證數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)效果。此外，還要利用MyEclipse 10．0程序開(kāi)發(fā)工具，包裝Web Service開(kāi)發(fā)效果。所以，應(yīng)用MyEclipse 10．0程序開(kāi)發(fā)工具，除了可以構(gòu)建屬性信息查詢(xún)服務(wù)外，還能保證后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)交互效果，便于系統(tǒng)采用XML格式，將用戶(hù)感興趣的專(zhuān)題屬性數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻?hù)端，由客戶(hù)端將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在用戶(hù)面前。這種中間層數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)模式的運(yùn)用，可以幫助開(kāi)發(fā)人員利用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，快捷有效地調(diào)用用戶(hù)容易理解的應(yīng)用程序，確保所設(shè)計(jì)的分布式系統(tǒng)具有低成本、集成化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.3" 數(shù)據(jù)層

網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)在具體設(shè)計(jì)時(shí)，通常離不開(kāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)支持。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)主要是由以下幾個(gè)部分組成：①空間數(shù)據(jù)資料。空間數(shù)據(jù)資料與空間位置相關(guān)數(shù)據(jù)屬于同一類(lèi)型數(shù)據(jù)，可以將其統(tǒng)一歸納為專(zhuān)題數(shù)據(jù)類(lèi)型中。②屬性數(shù)據(jù)資料。屬性數(shù)據(jù)資料主要涉及作物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。③元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)主要用于對(duì)農(nóng)田地理數(shù)據(jù)特征的詳細(xì)化描述，可以真實(shí)有效地反映出數(shù)據(jù)生產(chǎn)、質(zhì)量、內(nèi)容等特征數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)應(yīng)用，可以保證數(shù)據(jù)管理的有效性，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的最大化利用。另外，農(nóng)田地理數(shù)據(jù)庫(kù)主要是在參照多源空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)組織期間，首先，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，使其劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)等應(yīng)用大類(lèi)，然后采用按層組織的方式，做好每類(lèi)數(shù)據(jù)組織，并對(duì)同類(lèi)地物進(jìn)行劃分，使其劃分為道路層、水系層等同一圖層，并將最終劃分結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其次，利用ArcGIS Server技術(shù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化、集中化維護(hù)和管理。此外，還要向數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的有效保護(hù)，保證數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的完整性、安全性和保密性。

4" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在ArcGIS Server技術(shù)的應(yīng)用背景下，本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)主要用到B/S模式，并借助網(wǎng)絡(luò)和ArcGIS Server，實(shí)時(shí)發(fā)布、共享和管理農(nóng)田地理空間數(shù)據(jù)和屬性，不僅將系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本降到最低，還保證信息共享的及時(shí)性和有效性，為提高空間數(shù)據(jù)利用率、保證農(nóng)田地理信息服務(wù)質(zhì)量、促使農(nóng)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供重要的平臺(tái)支持。總之，系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景，完全符合農(nóng)田信息化建設(shè)需求。

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