基于WebGIS的河南作物适宜性分析系统的设计与实现*

韦朝振，郑　伟

(1.安徽友元勘测设计有限公司，安徽 合肥　230000； 2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作　454003)



基于WebGIS的河南作物适宜性分析系统的设计与实现*

韦朝振1，郑伟2

(1.安徽友元勘测设计有限公司，安徽 合肥230000； 2.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作454003)

摘要：地理信息系统(GIS)技术在获取、处理和集合各基本空间单元的要素数据上发挥了重大作用，尤其是GIS空间叠加分析功能通过图形处理与空间数据运算有机地结合，解决了自然分区和行政分区界限中的若干要素的切分问题。随着GIS在种植适宜性分析中应用技术的日益完善、计算机网络技术的迅速发展，网络地理信息系统(WebGIS)应运而生并成为发展的热点与前沿，将现有的农业地理信息系统向网络化方向发展已成为必然。详细阐述了基于WebGIS的河南作物适宜性分析系统的技术方法，并对系统需求分析、结构设计、数据库设计与数据组织、种植适宜性分析、系统实现等一一进行介绍。

关键词：农作物；河南省；适宜性分析；WebGIS

0引言

近年来，信息化技术的发展给数字化农业技术带来了前所未有的发展机遇，尤其是GIS技术的出现、计算机网络技术的发展以及图形处理与空间数据分析的紧密结合，给基于WebGIS技术的农业信息化带来了前所未有的发展机遇。所谓基于WebGIS的农业信息化就是充分利用现有资源，通过对空间数据的采集、组织与管理，实现农业信息的网络化资源共享，以集数字、文字、图形、图像、多媒体等于一体的形式，通过分析、模拟和显示，创建相关地理模型，充分利用GIS的空间分析功能，展示多种空间和动态的地理信息及其联系、发展变化规律等，为农业生产、经营、评价、决策提供定性到定量的信息平台和技术支持[1-5]。

在农业生产从传统的粗放模式向集约模式转变的大背景下，合理开发、利用农用地已成为提高农作物产量与发展县域经济的途径之一。河南省作为一个传统的农业大省，对其农作物的种植与分布即农作物的适宜性分析有着重要的意义[6-8]。基于WebGIS的河南农作物适宜性分析系统，借助于SuperMapIS.NET平台，结合Ajax和ASP.NET技术，可以实现各种基础信息与专题信息的空间和属性查询、感兴趣区域的农作物适宜性分析评价等，可为农业资源的管理、规划和决策提供准确、直观、可靠的量化依据。

1需求分析

种植适宜性分析是对特定的地域种植某种作物或某种作物在特定地域种植的适宜性程度做出定性、定量和定位的评价。根据评价结果，不仅能充分利用资源，开发土地潜力，实现作物优质高产，而且能够避免盲目追随市场，在现有自然资源以及农作物生长规律的基础上优化农作物的总体布局，促进农业增效以及乡镇经济稳定发展。种植适宜分析涉及土地的自然、经济、区位等诸多因素，传统的定性评价过程、图件绘制及面积量算和统计分析等费时费力，且准确性差，这为具有强大空间分析能力、空间与属性数据一体化处理的GIS留下了很大的应用空间。本研究参照FAO《土地评价纲要》体系[9]，结合研究区的具体情况，建立由适宜纲、适宜类和适宜等组成的评价体系，对适宜等级状况进行评价。

基于WebGIS的河南农作物适宜性分析系统要求能够提供一个可视化的GIS图形界面，能够较为全面的显示河南省地图，能够对相关地理信息、土壤信息、作物信息等相关信息进行查询；可以对常见的粮食作物、经济作物及蔬菜等进行分析，计算出土地适宜种植的作物或作物适宜种植的土地，并得出两者之间的适宜程度，并可以给出种植分析和意见。同时要求系统页面具有较强的自适应控制，能够通过普通浏览器访问，页面响应间隔时间段[10]。

系统从功能上分为地图浏览模块、信息查询模块、适宜性分析模块、数据维护模块和使用帮助模块等。具体如下：

1)地图浏览模块：提供基本的地图操作，包括地图缩放、漫游、距离与面积查询、点选查询等，引入Google Maps卫星影像地图，可以方便地查看分析地区的地貌水文特征。

2)信息查询模块：可以进行政区、交通、河流、作物等相关信息的模糊和分类查询，对特定图层进行特定条件的查询。其中，交通查询包括铁路查询、高速公路查询、主要公路查询、一般公路查询，河流查询包括一级河流查询、二级河流查询、三级河流查询。

3)适宜性分析模块：包括适宜地区查询和适宜作物查询两方面内容，适宜地区查询在给定欲分析作物的前提下，可以分析出该作物适宜种植的地区，并按适宜级别以图形方式分色显示；适宜作物查询在给定欲分析地区的前提下，可以分析出该地区适宜种植的作物，结果按照适宜程度以图形方式分色显示。

4)数据维护模块：实现作物及土壤信息数据的后台显示、查询、修改(包括新增、删除与编辑等)等操作。

5)使用帮助模块：帮助用户快速了解系统总体结构、掌握系统操作方法。

2系统设计

2.1系统结构设计

本系统以数据为中心，采用B/S模式实现对空间和属性数据的管理与维护，主要包括数据服务层、功能应用层和用户界面层3个层次，见图1。以农业资源数据为支撑，由地理信息系统、适宜分析模型共同构成。

1)数据服务层按照规范化的信息分类标准和统一的地理空间关系的数据构建，主要包括空间数据库、属性数据库、文档数据库，用于对农作物和土地信息的录入、维护和管理。

图1　GIS应用程序的3层构架图Fig.1　Three-layer architecture of GIS application program

2)功能应用层以数据层为支撑，面向用户实现农作物和土地信息的表达、查询、统计、分析和决策支持等具体应用，包括Web服务器和GIS应用服务器，接受用户请求，并建立数据服务层和用户界面层之间的联系。

3)用户界面层是基于图形用户界面的交互式处理系统，远程用户、局域网用户和系统管理员等各种级别的用户都可以通过浏览器直接进行访问和操作。

2.2系统开发环境设计

考虑到SuperMapIS.NET具有地图服务配置简单，易于使用；优化的多级缓存机制；组件化设计，易于管理，具有良好的扩充性、开放性和可扩展性等优点。本系统采用SuperMapIS.NET进行网络地图发布，以Microsoft Visual Studio.NET 2005为开发平台，基于ASP.NET 2.0技术，采用B/S模式，借助于 Microsoft IIS 6.0，采用标准的HTML/JavaScript，以 Microsoft SQL Sever2000 为网络数据库系统平台进行系统开发。

2.3数据库设计

根据实际调查和需求分析，本系统数据由政区数据、地物数据、土壤数据、作物数据、适宜分析模型数据组成。其中政区数据是地图显示浏览的基础，也是图形与属性互查的入口，是全局查询的一个基础和纽带；地物数据丰富了地理查询内容；土壤数据和作物数据是两者进行适宜分析的依据，它的设计优劣直接关系到分析结果的精准；适宜分析模型数据涵盖了各个分析标准值，它是调节控制适宜分析的纽带。

3作物适宜性分析

作物适宜性分析基于现有自然资源以及农作物生长规律的基础上优化农作物的总体布局，达到区域经济结构和生态环境的可持续发展，包括建立作物分析指标库、确定分析单元和综合分析3大步。

3.1建立作物分析指标库

在明确了进行分析的农作物对象后，用户可根据自己的经验和研究区实际情况选取一定的分析指标和分析标准确定该作物的生态指标库或直接引用系统原有的生态指标库。具体流程如下：

1)确定分析对象。农作物品种包括粮食作物、经济作物、蔬菜、花卉、果树、茶树等，用户可根据自己的需求选择其中感兴趣的一种作物。

2)剔除非研究区域。根据该地区的用地规划等，将非研究区域或地物类型剔除。

3)建立分析指标体系。在确定进行适宜性分析的农作物品种后，用户根据该作物对气候、土壤、水文等的要求，选定影响该作物生长的因素建立分析指标体系。

4)确定分析标准。在建立该农作物的分析指标体系后，针对所有分析指标确定该农作物品种的适宜范围。如将适宜性级别分为非常适宜、适宜、临界适宜以及不适宜四级，在此基础上确定各分析指标对应各适宜级别的值的范围。对于非专业用户系统可从生态指标库中提取其相应的专家知识供用户参考，如果满意可确定通过；否则可对其进行调整直至建立合适的分析标准为止。

3.2确定分析单元

分析单元是进行农作物适宜性分析的最基本区域，即最小单元。对适宜性分析单元的划分应该体现土壤资源的自然条件和环境条件的相似性与差异性。在同一分析单元中土地的基本属性是一致的；不同的分析单元都应有自己独特的自然属性，既有差异性又有可比性。分析单元的划分应客观地反映出土地在一定时间和空间上的差异。本研究采用乡镇为最小分析单元，原因是便于行政上的种植规划。

3.3综合分析

在建立作物的生态指标库并确定分析单元后，采用经验指数和法，即根据用户选择的影响农作物生长起主导作用的气候、土壤、地形指标，按影响强度进行经验和统计分级，然后用各因子之和的相应数来表示对应的适宜性级别。分析模型表达式为：

(1)

式中：S为每个分析单元的农作物种植适宜性综合分析指数；Wi为第i个分析因子的相对权重；Si为第i个分析因子的土地适宜度；n为分析因子个数。

根据上述土地适宜性分析模型，利用GIS的叠加分析功能，计算某地区适宜种植的作物或者某类作物适宜种植的区域的综合指标值，从而得到对应的适宜性分析评价图。

4系统实现

4.1系统主界面实现

根据系统设计的内容，经过系统编码设计、系统调试与运行等过程，开发设计的系统主界面，如图2所示。此外，为了更加全面的显示某一地区的空间信息，系统还同时引入了Google Maps的影像数据，可以以卫星影像为底图进行相关操作。

图2　系统主界面Fig.2　The system main interface

4.2系统主要部件和通用功能实现

4.2.1查询框

为了便于用户操作，这里查询框设计尽可能简洁大方，赋值方式有文本框和下拉列表框两种方式，可以在各个项目之间任意切换。对于文本框，如果数据库中已有对应的内容，用户输入关键词后系统自动检索对应的内容，用户只需选择即可。

4.2.2气泡窗口

为了便于属性查图操作，系统设计了气泡窗口。当系统找到查询的结果后，自动定位到对应的地图位置，此时气泡起注释作用；如果与此位置还有其他相关信息，比如该地区适宜种植的作物或者区域介绍等，可以在气泡窗口中设置链接或按钮，此时气泡起二次查询的作用。

4.2.3拉开式Word效果显示文档

此功能主要用于显示种植适宜性分析报告、地区简介和作物简介等。这样设计的目的在于充分利用Word文档方便阅读、便于编辑和易于打印的功能，使操作更加快捷简单。

4.2.4弹出信息窗口

为了增强用户与系统的交互效果，基于JavaScript模拟了一些桌面软件中的弹窗效果，弹出的信息窗口既可以显示查询结果，也可以作为输入窗口。

4.2.5属性查询功能

属性查询功能通过客户端和地图的交互，由空间信息作为筛选条件获取相关信息。具体实现方法是先获取客户端的查询条件，然后查找服务器端数据库，找到相关信息后读取其地理坐标并在地图上显示其位置。属性查询主要用于地理、水文、交通和作物等相关信息的查询操作。

4.2.6图查属性功能

图查属性是在地图上选择某个地物对象(点选)，或者在某个选取的范围内(框选、圆选、多边形选)查找相关地物的属性信息。这里主要通过点选方式，配合气泡窗口进行相关信息查询。

4.3适宜性分析实现

适宜性分析根据经验指数和法，实现作物适宜种植区域查询和区域适宜种植作物查询两个功能，查询结果按照适宜级别分色显示，其中红色为高度适宜种植区，绿色为中度适宜种植区，黑色为适宜种植区，蓝色为不适宜种植区。实现界面如图3和图4所示。

图3　作物适宜区域查询Fig.3　Query in suitable region of plant

图4　区域适宜种植作物查询Fig.4　Query in suitable plant of region

5结论

通过分析，笔者得出如下结论：

1)将WebGIS技术应用于作物适宜性分析，充分发挥了GIS在空间管理与分析方面的优势，相对于传统的以人工调查为主的分析方法，基于WebGIS的作物适宜性分析将政区、河流、作物、交通等相关信息的获取、存储、管理、计算、分析、输出等有机地结合起来，能够简单、直观、方便和快捷地实现作物适宜性分析评价，其评价结果对农业生产、经营、评价、决策具有一定的借鉴意义。

2)研究以农户、政府、种植商为用户，以指导农业生产、经营为目的，利用GIS解决农业问题。评价结果以图形和气泡窗口直观的表现出来，使分析方法具有可操作性，为农业种植结构调整战略的实施作了一次有意义的尝试，使农业生产和农作物引进建立在适宜性分析的基础之上，对农业生产将起到积极的指导作用。

3)研究中引入Google Maps卫星影像地图，可以方便地查看分析研究区域的地貌及水文特征；页面设计充分考虑使用对象，

交互性强，窗口采用自适应控制，可以适应不同大小的浏览器；运用Ajax技术，可以无刷新的与后台交互，大部分的运算在SQL Server中完成，大大提高了系统运行的效率。

[参考文献]

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[10]姚敏.WebGIS开发技术分析与系统实现探索[J].电脑开发与应用，2014，3(27)：19-21.

Design and Implement of Henan Crop Suitability Analysis System Based on WebGIS

WEI Chao-zhen1，ZHENG Wei2

(1.AnhuiYouyuanSurveyandDesignCo.,Ltd,HefeiAnhui230000,China; 2.InstituteofResources&Environment,HenanPolytechnicUniversity,JiaozuoHenan454003,China)

Abstract：GIS technology plays an important role in attaching，processing and gathering the elements’ data of the spatial units.Especially，through combined the graphics processing and the spatial data operation organically，the spatial overlapping analysis resolved the division from natural elements to administrative evaluate units.With Geographic Information System(GIS)suitability analysis applied to cultivation of increasingly sophisticated techniques and the rapid development of computer network technology，Network Geographic Information System(WebGIS)have emerged and become a development hot spots and cutting-edge，the existing agricultural Geographic Information System develop in the direction to the network has become a necessity.The paper described the techniques and methods about the Henan crop suitability analysis system based on WebGIS，and introduced the system requirements analysis，structural design，database design and data organization，planting suitability analysis，system implementation，etc.

Key words：crop；Henan province；suitability analysis；WebGIS

作者简介：韦朝振(1979～)，男，安徽灵璧人，助理工程师，现主要从事勘测设计和地理信息系统应用方面的工作。

中图分类号：P 208； P 209

文献标识码：A

文章编号：1007-9394(2016)01-0012-04

收稿日期：2016-01-14

地矿测绘2016，32(1)：12～15

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources