基于移动GIS的现代农业产业园区管理系统研制

2018-05-05牛颖超周忠发王小宇李丹丹

上海农业学报 2018年2期

牛颖超,周忠发*,王小宇,李丹丹

（1贵州师范大学喀斯特研究院，贵阳 550001；2贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵阳 550001）

现代农业产业园区是指在一定区域内以市场为向导，以现代科学技术为支撑，通过土地、科技、资本高度集中与高度管理的方式，对传统农业结构进行调整和改造，智能化经营的新型农业［1-2］。现代农业产业园区始于20世纪90年代初，对农业资源的合理利用和农业技术的改进是一个跨越性的创举。随着我国农业的快速发展，现代农业产业园区也随之大量涌现。现代农业产业园区是以“高科技、高品质、高效益”为宗旨进行建设的，如今已是最主要的农业发展形式，其也存在一些问题，如农业园区界定不明确、土地利用规划不合理、管理经营混乱难以规模化等，因此农业园区的管理至关重要［3-5］。目前，现代农业产业园区的软件管理形式主要是以桌面端为主，已不能满足用户的需求。随着智能手机的普及，人们更倾向于运用移动端的现代农业产业园区的管理模式［6-7］。

移动GIS是建立在移动计算环境中，在有限处理能力的移动设备上运行的提供移动中的、分布的和随遇的地理信息服务的GIS系统［8-9］。为满足移动GIS应用行业的需求，Esri公司推出ArcGIS Runtime SDK for Android、超图推出SuperMap iMobile for Android等二次开发包，具有地图浏览、空间分析、数据编辑、导航定位等功能，目前已被广泛应用于智慧交通、智慧旅游、野外数据采集等领域。如吴扬安［10］开发了基于ArcGIS for Android的城市管网巡检系统，申友汀等［11］研发了基于ArcGIS for Android的福州市实时路况系统，张海瑞等［12］研究了基于ArcGIS for Android的野外实习数据采集与导航系统等。本研究采用移动GIS技术与Android Studio平台相结合，开发基于移动GIS的现代农业产业园区管理系统，以期为用户提供方便、快捷、智能化的管理平台，并保证农业园区信息的实时性。

1 系统开发框架的构建与功能设计

1.1 系统开发框架的构建

1.1.1 系统开发运行环境

现代农业产业园区管理系统的构建-开发环境是由JDK（Java Development Kit）、Android SDK（Software Development Kit）、ArcGISRuntime SDK for Android以及Android Studio构建。JDK是Java语言的软件开发工具包，是整个Java开发的核心；Android SDK是由谷歌推出的Android软件开发工具包，Android的完全开放性为开发者提供了更大的自由平台［13-15］；ArcGISRuntime SDK for Android是Esri公司为开发者提供的移动应用开发环境，便于开发者用Java打造炫酷的地图应用并部署在Android智能手机、平板电脑等终端上［16］；Android Studio是由谷歌2013年在I/O大会上推出的新的Android开发环境，是一个基于IntelliJ IDEA的 Android集成开发工具［17-18］。

1.1.2 系统框架设计

移动端GIS现代农业产业园区管理系统的整个框架由数据层、服务层、应用层、表现层4个层次组成，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图Fig.1 Overall framework diagram of the system

数据层是用于现代农业产业园区各类数据的存储。一是园区的空间数据，包含基础地理信息、土壤重金属污染数据、土壤酸碱度等地图文档数据；二是属性数据，即气象站数据、企业业务数据、不同用户信息数据等。此外还有一些不便于数据库存储管理的jpg、txt、html、doc数据，将其放在服务器上以方便调用。

服务层是以ArcGISServer和Tomcat作为服务器，为系统的数据显示、编辑、分析和共享提供支持。ArcGISServer是一个GIS服务器，用于构建集中管理、支持多用户的GIS应用平台，以服务的形式实现园区空间数据的对外发布，为系统的客户端提供GIS地图数据等支持。Tomcat服务器是一种轻量级应用服务器，通常将数据以xm l或者JSON格式进行封装，然后把封装好的数据返回给客户端，客户端以网络的形式进行访问，由此减轻新建连接对数据库服务器的压力。

应用层是整个系统响应客户端请求的核心层，并根据用户请求类型做出相应的响应，为园区提供GIS地图显示、GIS查询分析、影像发布、气象站数据管理、企业业务数据管理、用户数权限管理等功能，方便客户端与后台进行数据交互，完成数据查询。

表现层为用户呈现出流畅、丰富、美观的可视化界面，方便不同用户快捷地嵌入与分类，为园区的数据查询、数据分析、决策支持、气象数据、导航定位、企业管理以及宣传等功能提供展示平台。

1.2 系统功能设计

1.2.1 园区基础信息查询模块

园区基础信息查询模块包含园区的基础地理信息、数字高程模型、土地利用分类、土壤酸碱度分布、遥感影像功能。通过园区的基础地理信息可了解园区分布状况、交通、水系等；由数字高程模型可知园区的地形空间分布特征；土地利用分类是区分土地利用空间地域组成单元的过程，由此了解园区的土地利用情况，因地制宜利用园区的土地资源；根据土壤酸碱度分布合理种植与土壤酸碱度相适应的作物和植物；查看园区遥感影像图直观了解地物分布状况。

1.2.2 园区土壤重金属污染空间分析模块

土壤中重金属含量超过自然条件下含量就会对土壤造成污染，如果在作物中长期积累，通过食物链进入人体，就会对人体健康造成严重损害。因此，对土壤重金属污染的评价具有十分重要的意义。根据园区的分布特征布设采样点，运用综合指数评价方法获取Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金属的评价结果，利用反距离权重法进行空间插值，可视化显示园区土壤环境质量的空间分布情况。

1.2.3 园区气象站数据查询功能模块

园区气象站数据查询功能模块是调用中国气象局的接口，获取园区气象数据，包括园区的风速、日照时数、蒸散量、雨量、温度、湿度等。管理者可以根据气象数据种植适宜农作物，对农作物进行灌溉施肥以及预防病虫害等。

1.2.4 导航定位功能模块

北斗导航定位功能模块是通过ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口调用手机内置北斗导航定位系统或GPS定位系统，实现精准定位，获取用户当前所在位置，用户也可以任意放大、缩小、还原地图，导航功能让用户在陌生的地方不迷路，划出路线确保用户准确无误到达目的地。

1.2.5 园区企业宣传模块

园区企业宣传模块是为园区企业量身打造的，公司可以将企业的简介、宣传及产品在该模块呈现，消费者可以更好地了解园区，走近园区。

2 系统应用案例

2.1 园区概况

贵州省贵阳市花溪区久安现代高效茶叶示范园区位于贵阳老城区的西南面，花溪区的西北部，阿哈湖畔上游。园区海拔在1 090—1 450 m，相对高差为100—360 m，适宜茶叶种植，因此园内茶树资源丰富，具有保护价值的古茶树54 000丛以上，占地266 hm2以上。古茶树群树龄均在600年以上，其中树龄2 000年以上的有19丛，1 000年以上的有14 050丛。古茶树资源珍稀，利用和研究价值大。选择该园区为例构建移动GIS的现代农业产业园区管理系统对园区茶叶种植及保护具有十分重要的意义，可避免贵州地形崎岖，管理者无法到达现场的弊端。

图2 系统功能模块设计图Fig.2 Design diagram of system function module

2.2 园区系统应用

2.2.1 系统客户端展示界面

友好的系统展示界面构建是软件吸引用户、提高用户体验的重要因素之一，所以系统的架构会根据用户的需求进行改造搭建。久安现代高效茶叶示范园区用户需要通过验证进入主界面（图3），主要由园区风景欣赏、系统功能、走近园区三部分组成。点击园区风景欣赏轮换图片，用户可以了解园区实时动态；整个系统的核心部分是系统功能，包括数据查询、数据分析、决策支持、气象数据、导航定位、企业管理六大模块；走进园区可以方便用户介绍产品以及消费者选购产品。

2.2.2 系统服务端实现

现代农业产业园区管理系统的开发需要服务端数据库的支持与服务的访问，本研究系统服务端的实现采用ArcGISServer和Tomcat服务器。ArcGISServer是提供GIS服务的服务器产品，实现地理信息数据的发布。以MapService形式发布基础地理信息、土地利用分类、土壤酸碱度分布、土壤重金属污染空间分析以及导航定位地理地图；以ImageService形式发布数字高程模型、遥感影像，通过在Android Studio的布局文件中添加MapView进行访问。Tomcat服务器是一种轻量级应用服务器，将封装好的xml或者JSON格式的气象站数据、企业业务数据、用户信息数据以HTTP协议的形式返回给客户端并响应客户端的各种请求。

2.2.3 系统功能实现

（1）数据查询

通过数据查询模块，用户可以获取园区的基础信息、数字高程模型、土地利用状况、土壤酸碱度信息以及园区的遥感影像，均是由ArcGISRuntime SDK for Android通过ArcGIS Server地图发布服务获取数据。该模块功能展示如图4所示。

（2）数据分析

数据分析模块是依据贵州省背景值评价标准，通过反距离权重插值法，制作土壤重金属（Hg、As、Cd、Pb、Cr）污染指数评级图，用户可以了解园区的土壤重金属污染情况。此模块由ArcGISRuntime SDK for Android通过ArcGISServer地图发布服务获取数据，最终以如图5的界面呈现。

图3 系统主界面Fig.3 System main interface

图4 数据查询模块Fig.4 Data query module

图5 数据分析模块Fig.5 Data analysismodule

（3）导航定位

导航定位模块通过ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口调用手机内置北斗导航定位系统或GPS定位系统实现用户定位以及区域查询功能，并给予用户友好的体验界面，方便使用，如图6所示。

（4）气象站数据查询

气象站数据包含两个模块：气象数据模块和决策支持模块（图7），主要包含的数据有园区降雨量、温度、湿度、风速、日照时数、蒸散量等。用户可以根据气象数据对园区的农作物进行管理，如灌溉、施肥、预防病虫害以及洪涝灾害等。

图6 导航定位模块Fig.6 Navigation and positioning module

图7 气象站数据查询模块Fig.7 W eather station data querymodule

（5）企业管理

企业管理模块为园区公司的内容简介，通过此模块消费者可以对园区公司概况进行了解，点击企业园区风景图便可进入企业的官方网站，由此了解公司的产品并购买（图8）。

图8 企业管理模块Fig.8 Businessmanagementmodule

3 结论

本研究基于Android智能手机，以Android Studio为研发平台，结合 ArcGIS Runtime SDK for Android研制了移动GIS的现代农业产业园区管理系统。该系统具有园区信息查询、土壤重金属污染空间分析、气象站数据查询、导航定位、企业宣传等功能，具备安装方便、运行快捷、操作简单、展示直观、信息多样化等特点，用户能够随时了解园区的情况及动态，并提高园区建设、生产和智能化管理的水平。该系统以贵州省贵阳市花溪区久安现代高效茶叶示范园区为例进行试用，效果良好。因此，基于移动GIS的现代农业产业园区管理系统具有独特的作用和优势，在今后的农业产业园区建设和管理方面可推广应用。

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