三维地理信息技术在现代烟草农业建设中的应用——以云南保山烟区为例

李 卫，杨中义，张一扬,3*，周冀衡,3，张发明，弓新国，肖志新，胡志明

[1.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，昆明 650106；2.云南省烟草公司保山市公司，云南 保山 678000；3.湖南农业大学烟草研究院，长沙 410128]

信息技术在推广烟叶生产新技术和提高农民科技素质等方面起到至关重要的作用[1-3]。2009年全国烟草工作会议提出，要积极推进烟草产业与信息化相融合，要以信息化带动烟草行业现代化，全力打造“数字烟草”。三维信息技术是指在矢量地图数据管理与显示子系统和多媒体信息管理与显示子系统的支持下，把虚拟现实的理论与技术应用到地形环境仿真领域形成的技术系统，可以提供一个三维的、动态的、可交互的模拟地形环境，提供更直观的视觉效果，主要应用于军事、城市规划、旅游行业等[4-7]。三维地形能逼真的模拟山地、丘陵、平坝、森林、河流、公路以及各种烟基设施，真实反映烟区的地理位置与地形地貌[8]；通过基础数据库可以更好的管理和分析烟区生态条件、经济状况和烟叶质量[9]；通过信息监测与控制平台能实现对烟叶生产全过程的动态监控与管理，实时了解烟叶生产状况；通过多媒体信息发布平台能及时发布气象预报、防灾减灾预报、病虫害防治预报以及烟叶生产新技术，提供烟基建设、电子合同与烟叶收购等信息展示和各种培训平台。

本研究在基础数据库、信息监测与控制平台、多媒体信息发布平台建设的基础上，结合WEB开发技术与 Skyline三维信息发布系统，制作烟叶生产基地的三维地形和基础设施场景，实现区域虚拟三维场景的漫游，对基础数据库进行数据查询与管理，并动态监测与管理烟叶生产的各环节，及时发布烟叶生产过程中的各种信息，不定期的发布烟农培训资料，及时解决烟叶生产中产生的各种问题。

1 系统主要功能模块介绍

1.1 基础数据库

数据库是三维信息管理系统开发的基础工作，它的数据组织、数据结构、数据质量的好坏直接影响到系统的正常运行和应用。数据库的建立包括数据预处理、输入、校对、编辑等。考虑所建数据最终应用, 实时数据收集采用Oracle数据库，基础信息数据采用Microsoft SQL Server 2000数据库；通过对各类数据的内容和性质进行分析，在完成数据需求分析基础上，按照概念模型、数据库逻辑设计、数据库物理设计的过程，完成有关数据库设计。

1.2 信息监测与控制平台

1.2.1 数据监控 采用JAVA+Flex设计，整个系统的各层次计算机都是通过保山烟草公司企业专网连接，通过 TCP/IP 来互相通讯。可对所连接的烤房、育苗工场进行实时参数监控，实现较远距离的多机通信，并能自动搜索和识别所连接的控制点，按照各自类型进行数据管理，提供数据的表格和曲线查看方式，可对所连接控制点的运行参数进行远程设置。

各个监控站点通过专网将采集到的动态实时数据经软件优化后高速上传到监控中心的服务器中，并进行数据管理和存贮。根据监控点的设备分布情况和工艺流程，绘制监控界面、报表、曲线图等并及时报警。连接到专网上的其它计算机登陆监控中心的服务器，经过身份验证后，可以在Web 浏览器内看到和现场完全相同的监控画面和实时数据，如果其管理权限中拥有控制能力，可以直接远程对现场的相关设备进行操作，真正做到远程与现场的零距离监控，现场的采集节点中详细记录了操作的全部过程。

1.2.2 视频监控 监控范围包括烟叶收购线、烤房群、大棚等，系统由一体化球型智能彩色摄像机、枪式固定彩色摄像机、硬盘录像机、液晶显示器等设备组成。摄像机分布在相关区域便于监视的位置，根据平面布置具体情况设置监控场景。系统后端设备硬盘录像机和显示器设在现场的监控中心，以便于生产调度和维护管理。

烟站、烤房、大棚视频监控系统由前端视频采集、传输网络、后端存储、监控中心四部分组成。前端视频采集部分以数字摄像机为主，负责视频图像的采集；传输网络提供视频图像传输所需的线路，传输网络分为两种，一为使用双绞线作为传输介质的 TCP/IP网络，二为使用光纤作为传输介质的光网络，光网络与 TCP/IP网络之间的连接、信号转换使用以太网光纤收发器实现；后端存储以网络硬盘录像机为主，用于存储视频图像；监控中心以授权PC客户端为主，提供监控人员观看实时采集、历史存储的视频图像，监控人员可通过PC客户端控制云台型摄像机、球形摄像机（改变摄像机角度、焦距等）。通过摄像机对大棚中烟苗的生长、密集烤房群周边、烤房中的烟叶烘烤过程及烟站收购线进行全天候实时视频监控；系统全天候运行，完整记录运行过程中形成的影像，视频影像保留30 d，以备查询之用；系统采用IP网络链路。

1.3 多媒体信息发布平台

根据信息发布的需求，通过客服PC终端的指令，利用摄像机和话筒等专用设备，从现场获取音视频信息并传回视频服务器，通过视频服务器的控制，结合音视频编码器、复用器、加扰器和调制器将视频流、音频流转换为数字电视信号，以有线数字电视网络为载体，通过专用机顶盒在电视上发布各类信息。综合考虑当前数字电视存在的内容资源不够丰富、产业化程度不高、传统的基于互联网浏览方式终端费用比较昂贵的特点，系统利用低成本多功能机顶盒作为农村信息化的主终端（机顶盒内置喇叭和调频模块），整个系统分为市烟草公司、县烟草公司、乡/镇/村烟站、农户四层体系，整体包含前端系统和三套业务系统，即音视频会议系统、数据广播系统、内容监播系统。

1.4 三维信息管理系统

1.4.1 数据准备 卫星影像数据包括：云南全省10 m精度卫星图片、保山全市5 m精度卫星图片、腾冲县0.6 m精度卫星图片。

矢量数据包括：云南省市级行政区域图、保山市县级行政区域图、保山市乡镇级行政区域图、保山市主要道路水系图、保山市县、乡、村行政驻点图、保山市基本烟田分布图、保山市工商基地单元分布图

三维模型包括：新农村、育苗大棚、防雹点与综合气象观测站、惠民小屋、新能源加工厂、烘烤工厂、蓄水池、普惠亭、红云小学、固东烟叶站等设施。

数字高程：保山市25 m精度的DEM图。

1.4.2 地形数据包的生成 将准备好的影像数据和DEM数据的坐标核对准确，生成影像金字塔，最后打包输出为地形数据包（MPT），地形数据包能将影像和地形数据捆绑在一起，可以在地形浏览器（TerraExplorer）中显示其地形状况，打包后的MPT文件不损失数据精度，压缩了原数据，实现了海量数据的读取、快速浏览和查询。另外，地形浏览器采用数据缓存与内存管理机制，支持海量数据的展示和高速漫游，支持大场景数字城市精细建模，真正实现了无障碍快速漫游，为虚拟现实技术提供了一个很好的展示平台。

1.4.3 矢量数据加载 地形浏览器支持加载多源数据，包括二维平面数据、二维符号、各种矢量数据、一般存储数据、三维高程数据、三维符号、影像数据、数据库数据等，在导入数据时可以选择导入字段和注记字段，注记字段根据地形悬浮显示。另外，地形浏览器具有动态投影，坐标系统默认为第一个加载文件的坐标系统，能够把后加入文件的数据投影变换到当前坐标系统。

1.4.4 三维模型加载 Skyline支持的三维模型格式有*.X、*.XPC、*.XPL文件，所用三维模型均在3Ds max平台下完成，并导出为*.X文件，加载模型时可以根据模型的实际坐标和角度进行调整。另外，三维模型的*.X格式文件必须把贴图文件放在相同文件夹下，否则模型不能正确显示，会出现纹理缺失。

1.4.5 管理系统的集成 采用图表与地图的形式展示基础数据库的信息和分析结果；将烤房和育苗大棚的监控数据存入数据库，提供实时查询与历史数据分析；利用视频服务器端口将实时视频信息传入系统，并提供集中与分布式的展示窗口；以子系统的形式将多媒体信息发布平台融入管理系统并通过视频服务器进行信号转换，最终以数字电视的形式进行信息发布；采用 JAVA编程语言实现Skyline三维信息发布平台的二次开发，并集成基础数据库，信息监控平台和多媒体信息发布平台，开发集信息收集、数据管理与分析、信息发布与政策决断的保山市现代烟草农业三维信息管理系统，实现对烟区生态条件、经济状况和烟叶质量的准确把握，对烟叶生产全过程的动态监控与管理，实时了解烟叶生产状况，及时发布气象预报、防灾减灾预报、病虫害防治预报以及烟叶生产新技术，提供烟基建设、电子合同与烟叶收购等信息展示和各种培训平台。

2 核心模块设计与实现

2.1 系统功能设计

本系统功能设计基于客户需求，如图1所示。

图1 系统功能Fig.1 Systemic function

2.2 部分核心代码

三维模型下载：客户端访问地球时，根据当前访问位置，向服务器返回对应的三维模型属性，服务器接到指令后向客户端发送三维模型。

数据库连接：根据数据查询需求，从服务器数据库读取相应数据。

3 应用效果

3.1 基础数据库

通过收集和整理目前所采集的数据，建立以烟叶质量为核心的包含保山市基本烟田、基地单元、土壤养分、地形地貌、气象条件、烟叶质量、社会经济状况、烟叶生产技术等基础数据库，共 25个数据表，232个数据字段。

3.2 信息监控平台

通过数据监控平台对烟叶育苗大棚与烟叶烘烤工厂进行动态监控，及时传回监控画面（图2）与实时数据（图3），实现对育苗大棚的通风状况、温湿度、烟苗长势、棚外实况、气象数据，烘烤工厂各烤房的干湿球温度、烟叶烘烤状况、烤房外的实况，烟叶站点的烟叶收购实况等信息的实时掌握，发现异常情况便于及时处理，减少各方面造成的损失。

图2 视频监控系统Fig.2 Video monitor system

3.3 多媒体信息发布

利用视频服务器和有线数字电视信号，展开数字电视、音频会议、电视短信、信息推送、视频轮播、视频会议、村村响等业务（图4），结合 PDA手持终端的开发应用，实现一线生产数据的实时采集和传输。通过电视广播（图5）向烟农提供烟农自助学习平台，让烟农及时了解各种惠农政策和烟叶种植新技术，及时发布气象预报和病虫害预测预报信息，不定期发布烟叶收购价格、合同签订情况、烟叶交售情况。通过GPRS传输技术将育苗、移栽、施肥、大田管理、采收等关键生产环节的各项任务发送给技术人员，将调制棚内的温湿度异常情况及时发送短信给对应责任人。

图3 实时数据监控系统Fig.3 Real-time data monitoring system

图4 信息发布系统Fig.4 Information publish system

3.4 三维信息管理系统

系统主要以三维信息平台为基础，展示保山烟区地理位置和地形地貌（图6）等烟叶生产的基础条件、基本烟田与工商合作原料基地单元的分布状况、现代烟草农业建设的烟叶生产基础设施（图7），集成信息监控平台与多媒体信息发布平台，同时具有浏览、查询、检索、修改、补充所采集的数据和结果分析处理的功能，另具有部分辅助决策功能。其它查询模块（图8）主要包括：1.基本烟田查询与统计模块；2.基地单元查询与管理模块：3.烟叶基地设施查询与管理模块；4.气候资源信息查询模块：包括光照资源、热量资源、降水资源等；5.土壤信息查询模块：主要包括各基地种植土壤类型、土壤理化性状、土壤基础养分等相关数据，包括空间数据和属性数据；6.烟叶质量信息查询模块：该模块主要为各基地烟叶样品质量分析数据；7.施肥管理建议模块；8.信息监测模块；9.视频监控模块；10.数字电视展示模块。

图5 数字电视系统Fig.5 Digital television system

图6 三维地形地貌Fig.6 Dimensional terrain

图7 烟叶生产基础设施Fig.7 Tobacco leaf production infrastructure

图8 系统主界面Fig.8 Interface of the system

4 进一步改进建议

保山市现代烟草农业三维信息管理系统统集成了数据库开发、信息监测与控制、多媒体信息发布平台开发、三维地理信息系统构建与开发等相关技术，系统以保山市为背景，展示其地理位置、行政区域、基本烟田分布、工商合作原料基地单元、地形地貌与气象条件、烟叶生产状况、烟叶质量等发展现代烟草农业的基础信息；以腾冲县固东镇鸦乌山基地单元为重点展示对象，展示其烟田基础设施、烟叶站、烤房、育苗大棚、惠民设施等现代烟草农业建设的成果；通过信息检测平台实现对烤房、育苗大棚、烟叶收购站（点）、气象站等的实时监控（包括视频与数据），并对其进行远程管理，通过多媒体信息发布平台及时发布气象预报以及病虫害情况，不定期发布烟叶生产新技术与惠民情况，及时通报收购价格与传达上级指示，通过该平台来进一步促进和巩固现代烟草农业的发展成果。

由于影像数据和高程数据的涉密性质和资金问题，本系统整体使用低精度影像数据和高程数据，局部使用高精度数据，在视觉上存在一定的差异；由于时间仓促，三维模型只显示了重点地区的标志性建筑，下一步应该加强三维模型的展示；本系统中使用的空间分布图均为事先做好的地图，有关动态实时的空间插值功能还有待进一步研究。

[1]黄元炯，刘建波，石威.现代烟草农业科技进步的成效、问题与对策思考[J].中国烟草学报，2008，14（5）：53-58.

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