基于Android的县域测土配方信息系统的设计与实现

蔡德楠， 司志恒， 颜烈帆， 吴骏鹏， 徐剑波

(1.华南农业大学资源环境学院，广东广州 510642； 2.华南农业大学数学与信息学院，广东广州 510642)

由于片面追求粮食高产而滥施肥，导致农业生态环境日益恶化，农业生产资源缺乏，农产品品质下降，传统农业生产管理方式己不再适应当今社会发展的要求[1-3]。测土配方施肥是科学施肥的重要实现途径之一[3-5]。农业信息化需要依靠地理信息系统(GIS)技术，以提供农业服务与决策支持[6-10]。随着现代信息技术的不断发展，移动互联网配合智能移动终端为解决施肥过程中“最后一公里”问题提供了新方案，为农业信息化提供了新模式。目前，测土配方施肥推广技术先后经历了桌面版、触摸屏版、网络版、移动端等演变过程[11-17]，且日趋成熟。如董博等为市州级土肥部门开发了一套区域化触摸屏推荐施肥系统[16]。许鑫等在测土配方施肥技术基础上，基于ArcGIS Engine在.NET平台上构建了基于WebGIS的小麦精准施肥决策系统[11]。陈维榕等以智能手机为平台，提出智能手机的测土配方施肥查询系统设计[13-14]。

在农业领域，移动端技术应用广泛，能够有效推进农业信息化[18-22]。如车艳双等开发了依靠掌上电脑(PDA)和全球定位系统(GPS)的移动智能农田信息采集系统[23]。武尔维等从农产品安全角度，为使农产品追溯信息的收集、管理、查询等更加便捷、快速和高效，开发了基于Android智能终端的农产品追溯系统[24]。以上研究为测土配方施肥技术的推行提供了技术支撑和辅助决策。随着移动互联网与智能手机应用的迅速发展，移动端相对于桌面版、触摸屏系统，具有用户成本低、使用便捷、方便普及等特性，有利于测土配方技术的推广，结合农村信息化服务，“互联网+”农业为载体得以迅速发展。通过信息化手段将“测土-配方-施肥”有机结合起来，从而根本上解决研究与应用不对称、测土配方技术推广难等问题。本研究以广东省为例，研究开发一套将农田地块地理数据、广东省主要作物施肥模型、施肥肥料配方、施肥指导建议等一系列环节集成的系统，从而将测土配方施肥从专家研究到指导农户应用，再到针对地块的提出配方施肥建议这一完整流程的关键点串接联通。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

本系统服务对象主要为广东省农技推广人员以及从事种植的农户、政府及农企，故服务主体的多样性要求系统简单易用，用户体验良好。本系统总体结构架构可分为安卓移动智能终端与服务端2个部分，移动端实现用户交互，利用JSON(JavaScript Object Notation)数据格式进行网络传输，服务端实现业务处理。移动端的主要功能是完成地图的基本操作、信息查询、镇(村)导航和定位、施肥配方决策推荐、施肥知识浏览、问题专家解答、新闻资讯阅读、个性化服务等；服务端的主要功能是接收移动端数据，实现移动端地图显示、施肥决策、信息管理、数据管理等一系列逻辑交互操作，包括地图发布服务、专家知识和政策资讯发布管理，以及问题答疑审核管理等。

本系统采用C/S(Client/Server)3层体系架构，包括客户层、服务层、数据层。客户层包括服务于终端用户的安卓移动端和后台管理系统。安卓移动端支持Android 4.0.4以上系统；管理终端使用Chrome浏览器访问，采用开源Amaze UI框架。

服务层部署在Tomcat应用容器上，包括Web服务器和GIS服务器，Web服务器主要用来集中处理客户端请求，并转发分流GIS服务请求至GIS服务器。Web服务器主要负责密码管理服务、用户验证服务、施肥决策服务、信息发布服务等，GIS服务器主要负责地图数据服务。

数据层提供数据访问接口及数据存储，搭建SQL Server 2008作为系统数据库以及空间数据库，静态文件存储至相应访问路径，实现数据持久化。系统整体架构见图1。

1.2 系统功能设计

本系统功能包括图层数据管理、用户管理、知识库模块、政策资讯模块、专家答疑、测土配方施肥、GPS定位模块、网络通信模块、数据统计分析模块等9个部分(图2)。

1.3 系统技术路线

系统数据及配肥专家推荐模型由广东省农业厅及研究专家提供，利用ArcGIS软件对广东省各县行政区划图、土壤图、土地利用图等地图数据和采样点的土壤养分数据进行处理，获得土壤养分图、行政区划图、居民点等矢量图。然后再通过ArcGIS Server 10将地图发布专题地图切片服务。

最后在Android Studio平台上，开发Android应用程序，完成系统的各项功能。技术路线如图3所示。

1.4 施肥配方模型的构建

测土配方专家系统的核心是施肥模型的构建。模型库是由一些评价和预测模型组成的，它主要是按已确立的各种特性因子，结合肥料学、土壤学、植物营养学等知识和专家经验建立的模型。施肥模型主要是实现对指定采样点(或区域)选定作物种类(包括设定目标产量)条件下，通过对施肥量和施肥配比及时期的运筹，得出最优的施肥配比和施肥方案。目前，本系统已有水稻、香蕉、甘蔗、叶菜类、龙眼、荔枝、豇豆、冬种马铃薯、苦瓜、甜玉米、花生、柚子、柑橘、橙、茄果及瓜果等各类作物研究专家提供的配肥模型，并以此为基础，搭建云端配方服务接口。以水稻为例，水稻的施肥推荐模型须要根据不同区域采用不同的回归模型，同时考虑各个地区百公斤籽粒养分吸收量的差别，以及不同地区肥料利用率的差别。首先根据土壤养分计算出相对产量，再与目标产量计算得出肥料需提供产量，并引入100 kg籽粒养分吸收量和肥料利用率等参数，最终求出该地区该目标产量下的水稻养分推荐施肥量[25]。广东省各地区水稻养分推荐施肥量模型如表1所示。

表1 水稻养分推荐施肥量模型

注：相关信息由广东省耕肥总站提供。

2 Android客户端功能设计与实现

本系统的主要功能实现主要体现在安卓客户端APP上，后端服务器主要负责提供基于RESTful原则设计的接口，与客户端进行数据交互。

2.1 图层数据管理模块的实现

本系统中的图层管理模块的实现，即GIS功能模块的实现，是基于ArcGIS Runtime SDK For Android控件进行二次开发的，地图显示主要是将mxd地图文档发布成WMS地图切片服务，手机端通过服务接口获取地图服务数据，Mapview对象加载动态注记图层和切片底图图层，最后进行设置地图显示范围。地图启用手势放大缩小，可接触屏幕平移地图。绑定地图移动缩放的监听事件，调用Identify GP服务，地图默认获取中心点土壤地块养分信息，如有效磷、速效钾等。点击几何量算按钮，调用Polygon对象的calculateArea2D或者Polyline对象的calculateLength2D方法测量地块面积或长度。由于每年测土配方工作数据更新，每个县的数据通过后台更新服务的方式替换旧数据，实现不变动客户端版本，平稳过渡。地图显示功能时序图如图4所示。

2.2 测土配方施肥模块的实现

2.2.1 测土配方施肥 通过村镇导航形式，从服务器获取已开通服务的行政区表，从“市—县—村”逐级查询，与服务器请求获得所选村的地图服务，进入地图，缩放至所选村的地理中心；在地图上进行操作，如地图中心点在绿色的地块上，与后台交互获取土壤养分数据，弹出Callout窗体，点击该窗体，进入测土配方参数设置。除显示该地块必要土壤养分元素外，用户可设置不同的作物以及目标产量。设置完毕，点击确定，请求至服务器，服务器通过计算相应的县域配方模型获得施肥建议卡，并将施肥建议卡以网页的形式显示到用户界面。该施肥建议卡可以微信、QQ、微博等形式实现分享。生成配肥方案时序图如图5所示。

2.2.2 现场决策施肥 现场决策流程与测土配方施肥基本一致， 只是该流程第一阶段不需要访问地图获得土壤养分数据。开启手机端GPS定位，获得当前经纬度坐标，调用服务接口，经坐标系转换及Query查询，设置范围与容差，获得该坐标下土壤养分数据。之后，再选择作物，得到施肥建议卡。

2.2.3 配方模型更新 作物模型与目标产量的设置，经服务器获得更新，调用SharedPreferencesUtil工具类以离线的方式存储至手机端。以定期更新的形式获得最新数据表。配方施肥模型的计算方案，由后台进行更新。

2.3 GPS定位模块的实现

GPS定位通过手机中的GPS模块获取位置，精度高，信息全，可获取经纬度、海拔、方向角度等信息。基站辅助定位通过运营商的电信基站(2G、3G、4G等)进行，功耗低，并且基站数据丰富，通过算法能提供较理想的定位精度。利用高德地图定位软件开发工具包(SDK)，通过GPS定位、基站定位、Wi-Fi定位等方式混合，提高定位精度(图6)。

2.4 网络通信模块的实现

移动端通过GSM、4G、Wi-Fi网络等方式与服务器通信，涉及到地图等大量数据传输，故采取根据网络情况，Wi-Fi 状态下使用离线部分地图数据，在非Wi-Fi状态下使用已缓存的地图数据，并压缩传输过程数据包大小，减少网络流量，减少用户等待时间(图7)。

2.5 数据统计分析模块的实现

2.5.1 用户行为分析 移动端设计各类行为埋点，如施肥建议卡生成次数、阅读单篇文章次数、点击单个Activity次数以及访问时间、用户评论互动指标等，根据这些行为埋点，分析用户行为，获得相关的反馈，优化APP核心功能。

2.5.2 数据反馈分析 数据反馈分析与用户行为分析不同之处在于所获得的数据是由用户主动提供的。用户点击设置，点击用户反馈，进入用户反馈界面，反馈该APP的使用情况或者错误。由专人浏览反馈内容，及时处理。根据用户使用施肥方案的情况，反馈肥料模型的效果，进一步验证施肥方案的有效性。

3 系统应用推广情况

本系统的相关软件为笔者所在团队自主研发产品，已申请软件著作权(授权号：2015SR039234)。系统于2015年9月建成并投入使用，并部署在广东省农业厅信息中心服务器上进行实际应用，对外提供服务。目前，本系统正在为广东省87个县提供服务，目前已在各大APP市场发布，APP分别在第六届广东现代农业博览会和种博会进行展示，提供二维码扫描，获得了用户的好评与有效反馈，且APP下载量达到500人次以上。系统试运行期间，总体运行情况良好，在技术和功能上达到设计要求，系统操作方便、界面简洁友好、实用性强。测土配方施肥功能界面见图8。下载地址：http：//www.pgyer.com/DrFertilization。

4 结语

精确农业中的关键技术环节是施肥的科学决策及获得科学处方[26-27]。本研究充分利用广东省测土配方施肥技术成果以及移动GIS技术，发挥地域特色，农户通过移动手机端查询自家土壤养分状况和提供作物施肥指导方案，根据推荐方案选肥、配肥、施肥。农民可随时获得相关的政策方针以及专业知识，向专家咨询与交流专业施肥问题，实现信息交流对等化。由于其移动端的便携性与易用性，用户能够更快地适应本系统，可以帮助生产者、管理者进行因地制宜的决策，提高科学管理水平，改变基层配方施肥决策的盲目性和主观性，减少决策失误，对于促进测土配方施肥的发展具有重要意义，进一步推动“互联网+”农业新模式。

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