基于三维GIS的农业资源台账系统设计与实现——以贵州省松桃县为例

邵 瀚，郭永禧，王小标，朱孟兰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000)

1 引言

农业资源台账化、资产化管理是世界经济社会发展的趋势，《全国农业现代化发展规划(2016～2020年)》明确提出，要推进信息化于农业深度融合，建立集农业数据监测、分析、发布和服务与一体的国家数据云平台，加强农业遥感基础设施建设，建立重要农业资源台账制度[1，2]。

农业资源具有时空特征，空间分布等特点，传统的二维GIS系统的空间信息是由二维平面投影显示，导致三维维度上的信息损失，难以全方位呈现农业资源的真实性、交互性和动态性。三维GIS相比二维GIS，虽然空间维数只是增加了一个维度，但它包含更多层次的信息，更真实性的表达形式，更大规模的数据量和复杂的空间关系[3]。

本文主要结合农业资源台账数据存在地理范围分布广、动态变化等特点，利用三维TerraSuite平台，构建基于三维GIS的农业资源台账系统[4]，将三维GIS与数字农业资源建设相结合，利用正射影像和数字高程模型、农业资源数据、农业生产数据、属性数据库等构建更加符合现实情况的三维农业资源台账系统，充分展示农业资源的真实性、交互性和动态性，通过三维GIS技术实现农业资源台账数据的空间数据管理、数据分析和服务共享等功能。

2 研究区概况

2.1 松桃县农业资源简介

松桃苗族自治县地处武陵山脉主峰梵净山东麓，地处黔、湘、渝两省一市结合处，是贵州的农业资源大县，属副亚热带湿润气候区，气候温和，雨量充沛，土壤肥沃，土地类型多样。全年无霜期284 d，适宜种植粮、棉、油、麻、桑、茶、蔬菜、药材等粮食和经济作物，全县耕地面积40.8万余亩。

作为贵州省农业资源生态环境遥感调查及信息系统建设试点县，多年来有着地理信息系统、卫星遥感及全球定位系统应用方面经验的积累，依托全国地理国情普查项目、农村土地确权登记项目中，分别采集了分辨率为0.5 m和0.2 m的正射影像数据。同时利用3S技术能够较快地开展农业资源台账系统建设的工作，通过建立农业资源台账制度，搭建农业资源台账系统，构建农业资源监控体系，监测农业资源动态变化，实现农业资源合理利用等方面探索农业资源管理科学化的方法和途径，进一步夯实农业可持续发展基础[5]。

2.2 松桃县农业资源存在的问题

松桃县各类农业产品种植配置趋于合理，多种产业、多种经营得到迅速发展，与县域经济发展和农民增收水平提升相适应，符合新时代下农业产业结构的发展趋势，基本满足了城乡居民生活和社会发展需要。但和现代农业发展要求相比，仍然存在以下问题。

2.2.1 农产品质量不高，市场竞争力不强

在结构调整中，区域比较优势尚未充分发挥，区域性农作物结构不同程度存在大而全、小而全的问题，精品意识不强，栽培技术和品种更新滞后，市场竞争力不强，未形成自身的农产品品牌价值。如何利用农业信息台账系统进行农业区位选择，强化区域性农作物结构，优化农作物种植品种，对农业生产全过程进行管控，实现科学性及自动化生产成了一个关键的问题。

2.2.2 龙头企业发展滞后，产销衔接不够紧密

目前仅有的龙头企业规模小、数量少、范围窄，没有把市场和农民很好地联结起来，未形成较稳定的经济利益共同体，较少应用到大数据分析、互联网+的农业发展理念，如果利用农业资源台账系统与市场农资产品供需信息衔接，可为广大农民带来持续经济效益。

2.2.3 农业基础薄弱，农民科技素质较低

农业生产基本条件差、技术装备比较落后的现状还没有得到根本改变，抗御自然灾害能力还相对脆弱。如何利用农业资源台账系统及时获取农业生产外接环境信息，并对农业生产过程进行监控预警，将会切实影响农业生产产量及农产品品质。

2.2.4 开发资金短缺，调控能力不强

县乡财政困难，向上争取资金数量有限，银行信贷渠道不畅，农业结构调整资金无法足额投入，结构调整方式单一、手段不灵，仍依赖于政府计划的单向调整。如何利用农业资源台账系统对农业产能进行科学评估，制定农业资源科学决策分析，提高农业市场流通效率和资金利用效率也同样是值得研究的关键问题。

3 农业资源台账系统设计

3.1 关键技术

3.1.1 ArcGIS Enterprise

ArcGIS Enterprise 是新一代ArcGIS Server产品，是一个在用户自有环境下运行的WebGIS平台，由ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGIS DataStore和Web Adapter四个组件构成，其中ArcGIS Server发布并托管各种GIS服务，客户端将服务请求发送给服务端，GIS Server作出相应响应并返回结果到客户端。Portal for ArcGIS是ArcGIS Enterprise产品的门户中枢，作为平台访问的入口，可以基于用户角色进行权限管理和访问控制，使不同角色的用户安全使用各种GIS资源。ArcGIS Data Store用于存储portal for ArcGIS托管的各类GIS数据和图层，是一个单独的数据库应用程序。Web Adapter能将ArcGIS Server和Portal for ArcGIS所需要的端口暴露给外部用户，从而实现ArcGIS平台访问的请求转发，实现外部互联网访问各类GIS服务。本项目基于新一代的ArcGIS Enterprise平台，实现各类农业资源专题数据的储存、统计、分析、制图、展示等功能的建设。

3.1.2 Skyline TerraSuite

Skyline TerraSuite由TerraBuilder,TerraExplorer,TerraGate等产品构成。TerraBuilder利用卫星影像、航飞影像、数字高程模型，快速构建真三维实景场景模型。TerrraExplorer用于浏览TerraBuilder创建的三维场景，另外还提供对矢量要素和三维模型的加载、编辑和标注等功能，可以呈现出一个多源数据结合的三维场景界面。同时，TerraExplorer提供一整套API，可以通过二次开发构建专属化的定制三维场景浏览应用程序。TerraGate的主要作用是将TerraBuilder创建的三维地形和TerraExplorer配置的矢量要素或三维模型部署到服务器，发布为地形服务和要素服务，用户可以通过加载这些服务快速构建自己所需的三维地理信息系统。在本项目中，Skyline TerraSuite用于三维地形的制作、三维场景的配置和各类服务的发布，同时利用TerraExplorePro提供的二次开发的API，快速构建松桃县农业资源台账系统三维场景功能。

3.2 总体架构

松桃县农业资源台账系统的整体架构可以采用物联网层、数据层、业务逻辑层和表示层的四层体系结构。业务逻辑层隔离了表示层对数据库系统的访问，保护了数据库系统的稳定和数据的安全，在业务逻辑层中，当业务规则变化后，表示层不做任何改动，就能立即适应，易于维护。平台的建设需要前期软硬件环境的搭建和数据建设的支撑。基于三维GIS的松桃县农业资源台账系统初步架构图如下图1所示。

图1 松桃县农业资源台账系统总体架构

松桃县地理空间信息共享平台将采用二、三维一体化的形式进行搭建，在二维平台上面具备良好的数据操作、空间分析、制图出图的能力，在三维平台上具备了良好的大场景三维漫游和三维模型的展示能力。二、三维平台将操作同一套数据源，在二维场景下的编辑能够及时反馈在三维平台上，实现二、三维的联动功能。

3.3 功能设计

松桃县农业台账资源系统主要服务对象是农业主管部门、农业生产人员、农业经营人员以及农业科研院所，农业主管部门通过该系统获取农业资源的整体宏观信息，制定科学性高、实施性强的管理决策。农业生产人员需要获取农业资源分布情况和农产品种植信息，制定合理的农业资源使用计划。农业经营人员通过农业资源面积及分布信息，预估农业资源产量和运输路线，评估农业资源经营成本。农业科研人员通过该系统，消除信息孤岛，避免重复的农业资源台账数据搜集工作，通过该系统获取现势性强、可信度高的农业资源台账数据，保障科研成果的准确性和科学性(图2)。

4 系统功能实现

4.1 二、三维场景展示

基于平台，实现基础地理数据和专题数据的高效地存储与管理，使二维数据与三维数据在数据模型和数据结构上保持一体化，在此基础上，将数据直接在三维场景中可视化与展示，图3为以廖皋街道为例制作的漫游导航图。

图2 松桃县农业资源台账系统功能设计

图3 松桃县廖皋街道二、三维漫游

4.2 农业台账数据查询

数据查询提供在二三维场景中任意点或对象的数据信息。农业台账数据查询主要包括以下几个方面。

(1)元数据查询和检索：对元数据的查询就是按照特定用户指定的条件，在数据库中查询符合条件的相关数据。对元数据的检索则是按照一定的分类关系，进行分级查找。

(2)气象数据查询：针对特定地点，给定坐标，对其进行有关光、热、水等作物生长发育不可缺少的因子查询以及统计信息查询。

(3)空间关系查询：农业要素间空间实体间存在的多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系，利用GIS空间关系查询工具可以快速、准确、便捷且直观地对要素间空间关系进行查询。

(4)特定地区相关农业资源要素查询：针对用户给定区域，利用空间位置及统计信息，准确直观的查询该区域内农业资源相关信息。

图4 农业台账数据查询示意

4.3 农业台账数据统计

结合地区性特征及具体需求，使用符合松桃地区基本县情、满足新形势下统计信息需求的新型农业统计体制，针对不同类型的农业作物、不同地理条件的种植地区以及不同类型的种植方式等方面进行科学的统计，为后续查询、分析、决策以及宏观调控提供科学且客观的依据。

具体统计内容主要包括以下几个方面。

(1)耕地资源及其分布统计。主要包括耕地土壤发育情况统计、土壤矿物质含量统计、土壤厚度统计、土壤肥力统计、土壤有机质含量统计以及各类土壤分布情况统计。

(2)农业气候条件统计。不同的农业生产对象(作物、牲畜等)和农业生产过程都对气候有其特殊要求，针对光、热、水等作物生长发育不可缺少的因子统计，也包括旱、涝、霜冻、大风等不利气候条件统计。

(3)水文水资源统计。主要包括水质情况统计、灌面统计、地下水水量统计、地下水水质统计等。

(4)农作物种植类型及分布统计：主要对常用大田农作物品种进行搜集整理，记录不同作物的品种名称(包括别名)、品种育种来源、生物学特性、栽培技术和适宜性进行统计。

(5)农作物生长情况及产量统计。针对作物的病害、虫害和杂草进行分类整理统计，结合作物生长中出现的病虫害情况可进行病虫害预测预报和实施科学防治。

(6)农业废弃资源统计：针对农业生产过程中产生的废弃物进行统计，作为指导废弃资源利用的重要依据。

4.4 农业台账数据分析及利用

根据松桃县土地、气候以及种植作物特征，对农业台账数据分析及利用具体工作包括以下几个部分。

(1)松桃县土地利用现状研究。根据松桃县土地利用现状数据资料，分析整理松桃县土地利用结构，耕地利用现状，耕地类型及分布特点。

(2)土地适宜性评价的指标体系构建。首先在收集的资料中选取合适的参评因子作为评价指标。评价指标的选取上要遵循主导性原则、变异性原则、稳定性原则、相对独立性原则、可操作性原则及定性与定量相结合的原则。依据耕地适宜性评价指标体系构建的原则、方法、步骤确定了耕地适宜性评价的指标体系。再运用层次分析法(AHP)确定不同土地类型中各个指标的综合权重。

(3)土地适宜性评价。对研究区耕地进行适宜性评价时，由于获取的数据不在同一量纲，无法进行比较和运算，用Z-score方法对数据进行标准化，采用多因素综合评价法计算总分值，运用K-均值聚类方法对研究区的数据进行聚类分析，最后得出松桃县土地适宜性评价结果。

(4)农业布局优化。围绕耕地保有量，根据耕地适宜性评价结果及农业用地现状，提出适当的布局优化建议。

(5)农业台账数据共享。农业资源台账共享是农业资源台账数据信息化的重要组成部分。松桃县作为建设试点之一，构建综合性农业资源台账共享有助于加快松桃县农业结构调整，变革农村生产力，实现传统农业向现代化农业的转型升级。

5 结语

基于三维GIS的农业资源台账系统相比于传统二维GIS的农业台账系统，将农业资源的应用层次提升了很大的台阶，除了拥有传统农业资源台账空间数据管理浏览功能以外，基于三维平台的农资台账系统能够实现农业资源二三维一体化展示、预估农作物产量和监测农作物生长趋势、对耕地适应性进行评价，并根据评价结果及农业用地现状，提出农业布局优化建议，共享农业资源三维服务，科学指导农业生产，使农业资源台账数据得到更好的综合利用，为全国及贵州省开展建立重要农业资源台账制度提供借鉴经验和参考价值。