林地土壤肥力评价及配方施肥系统设计与实现

潘桂颖，石媛媛，余春和，唐 健，王丰胜

(1.广西壮族自治区林业科学院，广西 南宁 530002； 2.广西壮族自治区测绘地理信息档案资料馆，广西 南宁 530023； 3.广西国有雅长林场，广西 乐业 533209)

近10年来，广西人工林种植面积持续快速增长，2017年，广西全区森林面积达1480万hm2，森林覆盖率达62.31%，居全国第一[1]。广西如今已成为全国发展林浆纸一体化、林板一体化产业自然条件最优越的省份。然而，大面积单一纯林经营、多代连栽也出现了树种结构单一、土壤退化等问题。为此，需要充分应用林业科学研究成果和先进经营理念，结合互联网、地理信息系统等先进技术，大力推广以测土配方施肥、调控营养平衡为主的精准施肥技术，维持林地土壤肥力，促进人工林林地可持续经营。

WebGIS是利用互联网技术来扩展和完善地理信息系统的一项技术[3]。从互联网的任意一个节点，用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析[4]。通过研究和开发基于WebGIS的广西人工林施肥系统，实现基于空间位置的广西人工林土壤状况在线查询和精准配方施肥，为各林场和林业经营者提供人工林土壤施肥管理的有效技术手段，促进林业可持续发展。

1 系统设计

图1 系统架构

1.1 总体构架

图2 系统功能

使用广西壮族自治区林业科学院林地测土配方施肥数据以及推荐施肥模型，向林场和林业经营者提供区域化的林地土壤信息查询、施肥方案推送等方面的服务。系统要求使用方便、界面美观。基于以上要求，系统采用B/S架构，使用HTML、JavaScript、C#语言、Microsoft Silverlight技术进行开发应用层和表现层，使用微软 Internet Information Services(IIS)网络服务器作为业务逻辑层的网络服务模块。在服务层，系统直接采用天地图服务和发布自定义服务。数据层以MS SQL Server 搭配 ArcSDE进行数据组织和管理。在网络浏览器和Web应用层使用REST风格的Web Service接口。整个系统采用分布式架构，本项目布置在2台华为弹性云服务器上。系统总体架构见图1。

1.2 功能设计

经过调研分析，对于系统功能的需求主要分为对基础地理信息的查询和操作功能、配方施肥决策功能和用户管理功能3个方面。基础GIS功能主要包括地图缩放及漫游、查询、图层显示及控制、测量功能；配方施肥决策功能主要包括养分含量查询功能、施肥配方决策功能、土壤肥力评价功能等；用户管理功能主要包括用户注册、认证、权限管理等功能。系统功能结构见图2。

1.3 数据库设计

数据的分类存储对提高系统开发、维护和系统管理的效率具有很大的作用。根据数据的分类进行存储进而产生数据库的组织结构，系统数据库主要由2部分构成。

1)土壤养分空间数据。土壤养分空间数据是支撑系统运行的主要数据。土壤养分空间数据的来源是林业测土配方施肥项目中实地对林地土壤采样化验得到的表格数据。表格内容包括采样编号、采样地点、pH值和有机质、氮、钾等15种土壤养分含量，见表1。

表1 土壤养分数据

2)辅助资料数据。本系统使用的辅助资料数据包括林业经营类的数据如林班、树种、树龄、行间距和树种各年龄段需要的养分特性等，这些数据是进行土壤养分查询和施肥决策的重要依据。辅助资料数据还包括一些行政区划、林班数据等林业设施类数据，主要用于统计分析。

1.4 ArcGIS Server中使用天地图

系统在ArcGIS for Silverlight下使用天地图服务。天地图服务使用缓存数据[5]，所以ArcGIS Server中需要创建自定义图层类，这个类要继承Tiled Map Service Layer类；自定义图层中需要定义以下4个属性和方法：①切图的范围Full Extent；②空间参考系Spatial Reference；③地图切片信息Tile Info，包括切片的大小、级数，以及每级的空间分辨率；④还需要重写Get Tile Url方法。当地图控件的范围改变时，需要获取到当前范围的信息，并将范围内的所有切片全部按顺序显示出来。

2 系统实现

2.1 空间数据浏览

空间数据浏览主要是对地图数据进行缩放、平移和全图浏览几个功能组成。在浏览器中对地图的浏览是WebGIS基本的功能。ArcGIS API for Silverlight提供了方便简洁的浏览控制工具，实现了缩放、平移、全图显示等基本的GIS操作方法。

2.2 土壤专题数据制作与发布

系统共使用580个采样点数据，主要分布在广西人工林种植集中区，为了得到覆盖全广西的主要林地范围的连续数据，采用了高斯格吕克空间插值方法，对包括pH值在内的15种养分含量分布生成土壤养分栅格图，形成一个包含15个图层的栅格数据集。采样点分布和土壤养分含量(有机质)插值结果如图3。这个栅格数据集通过ArcGIS Server发布成影像服务后，就可以实现在客户端查询土壤养分的功能。

图3 采样点分布和土壤养分含量(有机质)插值

2.3 土壤养分查询与评价

养分查询功能主要是通过发布出来的养分分布图层进行点查询、面查询和林班查询。点查询就是用户通过鼠标在地图上选择查询点，系统立即返回该地的各种养分元素含量。面查询是用户在地图依次点击多个点，形成一个闭合多边形，系统立即返回多边形中各种养分元素的含量，该含量值是多边形内养分含量的平均值。林班查询是面查询的一个扩展，在列框中选择林场、分场、林班的名称，系统会自动放大到林班的位置，高亮显示林班边界并返回林班中各种养分元素的含量。

在养分查询功能的基础上，通过与后台数据分级匹配，得到感兴趣区域的土壤肥力等级、大量元素养分均衡状况和微量元素水平等。其中肥力从好到次用5个等级分别以↑、、→、、↓直观表示。在Silverlight开发环境下开发各种图表界面，系统为展现土壤养分均衡状况开发了雷达图界面，以氮、磷、钾、有机质、pH值5个关键指标衡量土壤养分的高低与平衡；微量元素水平采用折线图表示，见图4。

图4 土壤肥力评价

2.4 施肥决策发布

在施肥推荐功能模块下，用户查询输入感兴趣区域、树种、树龄、种植密度等信息后，系统会根据区域土壤养分状况和配方施肥模型给出推荐施肥方案。得到施肥配方后用户可以选择保存到本地、打印，推送到手机等操作。

图5 施肥方案推荐

3 小结

基于WebGIS的人工林土壤肥力评价及配方施肥系统依靠GIS先进的图形化管理功能，以及天地图和ArcGIS Server等WebGIS技术的网络地理信息发布功能，实现了基于空间位置的人工林土壤状况在线查询和精准配方施肥，为林场和林业经营者的人工林施肥管理、决策支持提供直观的地理信息服务与数据保障，有力促进林业可持续发展。