3S技术的农产品溯源模拟系统的设计与实现

2014-03-15周江明

地下水 2014年3期

余笑，周江明

(1.西北大学城市与环境学院，陕西西安710127;2.南京大学计算机科学与技术系，江苏南京210064)

在食品安全问题层出不穷的现今，食品自生产到消费中任何一个环节或要素出现问题，都有可能导致食品安全事件的发。参照食品安全管理体系，将食品链全过程的信息链接起来进行监控，被认为是实现食品从农田到餐桌全程质量安全管理的一种可行方案。而食品安全可追溯系统是食品安全可追溯体系的具体实现，对实现食品安全管理具有重要意义［1］。经过全面研究认为，我国农产品质量安全体系主要存在着现有科技水平与农产品安全需求不适应、质量安全标准体系不完善、质量管理体系不合理、质量监测体系不成熟、认证体系与国际体系不接轨和法律法规体系不健全等问题［2］。因此，我国也新兴了一些农产品溯源系统，但是问题是现有农产品溯源系统因开发目标和原则不同，溯源信息内容不规范、信息流程不一致、系统软件不兼容，造成了溯源信息不能资源共享和交换的问题［3］。针对这些问题，利用3S(GPS、RS、GIS)技术对溯源系统加以完善。在本研究中，主要利用GIS技术进行农作物的适宜性评价分析产生结果数据。

1 材料与方法

1.1 3 S技术在系统中的应用

1.1.1 实验样区

高陵县隶属于陕西省西安市，地处关中平原腹地，位于E109.08，N34.53。地层属华北地区层，汾渭分区，渭河小区，水资源、地热资源丰富，都市现代农业发展迅速，以无公害果蔬为农产品支柱(见图1)。

图1 研究区示意图

1.1.2 农作物生产无公害适应性评价

1)实验数据。本研究利用在高陵县调研的土壤采样点中土壤环境5种检测因子:镉、汞、砷、铅、铬，灌溉水环境11种检测因子:总汞、总镉、总砷、总铅、铬(六价)、氰化物、pH值、化学需氧量、氟化物、石油类污染物、粪大肠菌群的数据，以及高陵县1∶1 000 000的行政区划图、土壤图进行研究，本研究仅以小麦为例(见表1)。

表1 小麦产地环境条件限值检索表

2)评价方法。本研究利用在高陵县调研的土壤采样点中检测出的各污染元素的值，土壤及灌溉水污染定量评价模型由两个判别公式组成，即单因子污染指数法判别公式:

其中Pi为污染物i的污染指数，Ci为污染物i的实测浓度，Si为污染物i的限量标准值;另一个为多因子综合污染指数法判别公式:

其中:P为污染物综合污染指数，(Ci/Si)max为污染物污染指数最大值，(Ci/Si)avr为污染物污染指数平均值。

当P(Pi)≤1时，污染未超标;当P(Pi)＞1时，污染超标，且P(Pi)值越大则污染程度越大。

利用严格控制指标评价(Ⅰ)、一般控制指标评价(Ⅱ)和多因子综合污染指数法评价(Ⅲ)，评价流程如图2所示。在GIS软件中计算每个采样点的数值，并空间插值生成面，进行面的赋值、空间叠置以及重分类，得到小麦适宜性种植评价数据，将以上所有数据都显示在研制的溯源系统中，提供相关安全和评价信息。

图2 定量评价流程

1.1.3 基于遥感的农作物估产

遥感估产是根据生物学原理，在收集、分析各种作物不同光谱特征的基础上，通过卫星传感器记录地表信息、辨别作物类型、监测作物长势，并在作物收获前预测作物的产量。

农作物遥感估产程序:1.遥感信息获取与处理。系统选用TM数据作为基础数据2.遥感估产区划。根基所估产区域的遥感影像提取作物种植区面积。3.地面采样点布设及观测。，监测作物实际生长状况和产量，作为遥感信息的补充和验证。4.建立背景数据库。主要从历史资料和实际样点采集的数据中，取得当年的实际种植面积和产量。5.长势及灾害监测.监测的主要方法是对不同生长期的植被指数监测，根据植被指数的变化以及与资料的对比，就可以及时获得各种作物在不同生长期的长势，由长势情况就能预测出作物的趋势产量。6.建立遥感估产模型.建立遥感估产模型是农作物估产的核心问题，模型以多种植被指数与多年实际产量之间的相关性进行估算。7.估算总产并对其精度进行评估。

系统中将预处理好的预估产区影像与分类好的数据输入系统。用多年数据与实际产量建立起来的估产方程进行估产;将估算产量与实际产量对比，然后对模型进行修正、完善模型。

1.1.4 基于遥感的农作物病虫害监测

在可满足森林病虫害监测要求的航天遥感TM和SPOT资料，主要应用了电磁波谱中可见光至短波红外段。在这两种影像中的近红外波段中在大约0.48和0.68μm处有两个强烈的叶绿素吸收带，0.52 ～0.6μm区间的光谱反射称绿光小反射区，而进入0.75～1.3μm的近红外区后，则反射率急剧上升，形成极鲜明的反射峰。当植被叶内含水量和叶绿素含量减少时(病虫害侵袭)，反射率则有明显下降，这种近红外反射率的降低，是病虫害发生的前兆，是利用卫星遥感技术监测早期森林病虫害的根本依据。

遥感病虫害监测主要是通过植被指数(VI)的变化来表征的，可用如下式子表征病虫害的灾情:

其中:VI0为灾害前的植被指数，当没有灾害前的影像数据时，可以利用灾中的影像数据，用相邻的未受灾的同类林分VI来代替;VI为灾中的植被指数。植被指数可以是比值植被指、一化差值植被数，以及垂直植被指数等。通过G值大小进行分级，从而实现对病虫害程度的表更进一步的表达。

1.2 模拟系统的分块

一是界面部分，就是浏览器中输入网址后呈现给用户的界面部分;二是服务器部分(在测试中运用电脑充当服务器，即在上面运行软件)，这个过程用户无法看到，它主要完成的任务就是对用户通过浏览器发出的请求进行处理，然后将结果响应给用户，这个过程通过界面来呈现;最后是数据库的相关方面，它把用户的信息，农产品的信息全部记录下来，以提供查询操作，管理员能够拥有一定的权限，去操作数据库的内容，也就是维护管理信息。

1.3 模拟系统制作过程

农产品溯源系统依托于网站，用户需要通过在浏览器中打开特定的网络地址才能够使用该系统。网站由展示农产品溯源信息的网页、处理用户请求等业务逻辑的服务器和存储用户与农产品信息数据的存储文件三个部分组成，网页采用经典的“Hyper TextMarkup Language”(html)、“Cascading Style Sheet“(css)和“Javascript”(js)三种技术实现，而服务器则是使用Java servlet和Java Server Pages(jsp)技术实现，最后存储文件以文本格式保存所有网站的数据。

当服务器启动之后，用户在登录界面输入用户名和密码之后就能够访问农产品追溯详细信息了，之后能够对这个产品做出相应的评价，点击右上角的注销键退出该系统。

1.4 技术流程

本研究将整个溯源模拟系统大致分为如下图所示三部分，界面部分的开发工具是Adobe Dreamweaver CS5［4］，能够用于简单明了构建基于标准的网站，发语言选用的是html［5］和CSS语言;服务器部分用java语言以及祥云技术来进行开发:Servlet和jsp，在系统模拟中选择的开发工具是eclipse ee，用的服务器是tomcat。数据库用的是Mysql语言。各部分之间进行相互的请求及响应，则构成了整个系统的运作机制。

2 成果

登陆系统过后，在对话框中输入要查询产品的朔源码，系统经过在已有的数据库中进行字段匹配，如果字段匹配上则在产品展示界面显示该产品的所有信息，图3产品展示信息。产品简介界面主要是用来显示用户查询农产品的追溯码、图片及其他详细信息，这些信息管理员在后台数据库中可以批量更改，这大大减少了管理人

为了公路的安全，根据与会专家讨论，取A与B范围的并集。

2.3.2 砂金矿体范围

根据《条例》第二十条:“禁止在公路桥梁跨越的河道上下游的下列范围内采砂:(一)特大型公路桥梁跨越的河道上游500 m，下游3 000m;(二)大型公路桥梁跨越的河道上游500 m，下游2 000 m;(三)中小型公路桥梁跨越的河道上游500 m，下游1 000 m。”

跨越寺湾和西簧两个砂金矿的四个桥梁均为大型公路桥梁，故保护带宽度在基本垂直大桥方向上游取500m，下游取2 000m。

2.4 资源储量估算参数的确定

资源量估算图均由MAPGIS软件制成，块段投影面积是在计算机上点击属性信息获得面积，再乘以相应比例尺求得。资源量估算采用的图件比例尺为1∶1 000。其他参数据依据原报告。

2.5 资源储量估算结果

采用水平投影地质块段法或地质块段法对拟压覆区范围的储量进行估算，得出的结果如下:压覆钒矿矿石量81.29×104 t;压覆寺湾(332)+(333)总矿砂量3 851 169 m3，总金属量664.4 kg;压覆西簧(332)+(333)总混合砂量2 593 610m3，总金属量472.98 kg。

经验证明，该技术方法所需要的各种参数是可以获取的，在实际工作中是可行的［2］。