基于微信的县域配方施肥系统研究与应用

朱福斌，丁世伟，李子杰，张友华，马友华

（1.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036；2.安徽农业大学 资源环境信息与计算机学院，安徽 合肥 230036）

作物配方施肥技术,是近些年来我国农业关注的主要问题之一。长期以来，我国作物施肥普遍利用率不高，不仅对生产成本造成很大压力，而且对环境的破坏较大，并对人体健康造成潜在危害[1-3]。开发及推广应用配方施肥系统，可以及时有效地为农户提供可靠的施肥建议。目前,国内外对施肥信息系统也有了很多研究，Buresh,RJ等为菲律宾稻米开发了一个基于网络的决策支持工具[4]。Papadopoulos,A等运用模糊决策支持系统在特定场地中对氮肥施用量进行设计和应用[5]。Goffart,Jean-Pierre等验证了决策支持系统中几种马铃薯氮素推荐量，提高了氮利用效率的可能性[6]。1985 年，中科院人工智能所研制了“砂姜黑土小麦施肥专家系统”[7]。王囡囡等研制了针对三江平原区TRPF配方施肥软件，并综合分析验证了大豆施肥的效果[8]。张明安、庞永青等分别在WebGIS 基础上，建立了县域配方施肥系统和农田测土配方施肥管理信息系统[9，10]。祖娟等以采用嵌入式GIS、移动GPS定位技术，实现了PDA终端的配方施肥系统构建[11]。张丽等以原有的GIS 系统为基础，实现了PDA 终端的小麦配方施肥系统构建[12]。国内配方施肥系统在微信上的应用尚不多见，而微信作为最为常用的信息传递媒介之一，用户基数大，信息传递效率高，操作便捷，是理想的施肥推荐平台。以微信公众号为媒介，构建安徽省县域作物配方施肥系统，实现作物精确施肥，可以为农户提供施肥决策意见，提高耕地可持续发展能力。

1 系统开发目标

1.1 系统设计原则

1.方便实用性。系统以广大农民和基层农技人员为主要服务对象，以满足广大农民和基层农技人员的实际需求为主要目标，以县级行政区域为基础，查询各行政级别下的配方施肥情况。

2.标准化和通用性。系统应当考虑作物配方施肥中国标和行标发布的统一标准，在确保系统性能优越的情况下，同时兼顾安徽省县域的特性。

3.可扩展性。系统预留相应接口，在后期因配方施肥功能需求变化而需要添加或更改时，能够针对性地提供不同的模块服务。

4.可维护性。系统应考虑空间数据库及属性数据库的更新维护，确保数据库模块之间相互独立。在修复和扩展新功能时，修改和影响的范围局限在更小的区域。

1.2 开发平台及工具

系统分为两个部分，作物配方施肥管理平台和微信公众号平台。作物配方施肥系统管理平台运用B/S 结构设计，极大地优化了用户体验。管理平台实现采用了稳定的J2EE 技术规范，采用SSM 框架，即Spring+SpringMVC+MyBatis 框架，数据存储使用稳定高效的Sql Server 数据库。后台配备防火墙软件，使系统在安全能力、稳定程度和成熟程度进一步提高。系统程序运行迅速流畅，各区域模块分工合理，拥有较强的逻辑性、灵活性、可靠性和持续性。

微信公众号平台采用了AngularJS-ionic, 以Web应用为基础，主要包括HTML5、CSS3、JavaScript技术对智能设备APP开发的框架为基础，具有很好的跨平台性能。系统配合SuperMap软件，通过对矢量文件配图处理，对用户展现美观、清晰的耕地情况。

1.3 系统开发设计流程图

图1 基于微信的县域配方施肥系统开发设计流程图

1.4 数据库构建

属性数据库包括各乡（镇）、村配方比例表、养分化验数据表、乡镇肥料经销商信息表、缺素图谱数据库、作物受害图谱数据库。

空间数据库采用WGS84 坐标shp 文件，内容主要包括采样点点位图，耕地地力评价结果图，县、乡（镇）、村级行政区划图，养分分布图（有机质、pH、全氮、速效钾、有效磷和中微量元素），土壤类型分布图，耕地地力等级分布图。其中，养分分布图以耕地地力评价结果图单元为基础数据，采用空间插值的方法，对全县范围赋值，构建县域空间数据库。空间数据库配图则使用SuperMap软件，对矢量文件叠加处理，生成配图文件，并上传至SuperMap 服务器后台保存。

2 作物配方施肥空间插值与模型建立

系统运用了空间插值法拟合县域养分空间分布，通过综合肥料效应函数法、养分平衡法和目标产量法建立了安徽省县域作物施肥模型。

2.1 空间插值

空间插值是指运用一定的方法和规律，通过一定数目的已知样点的点信息推测整个研究区域的面信息。本文根据采样点数据空间插值，预测获取全县域养分分布，再根据不同作物养分关系，推荐相应施肥配比。空间插值方法有多种多样，根据采样点的土壤养分区域分布情况，应当使用不同的空间插值方法来处理采样点。不同的空间插值方法结果精度和分布区域不一，本文主要采用空间插值方法中应用最为广泛的反距离权重插值法（IDW）和克里金插值法（Kriging）来预测县域养分空间分布。

2.1.1 反距离权重插值法

反距离权重插值法(IDW)是基于地理学第一定律的原理，即万事万物都是有联系的，两个物体距离越近，其性质越接近；两个物体距离越远，其性质差异性越明显。反距离权重插值法(IDW)作为运用最为广泛和普遍的空间插值方法，通过已知点和预测点之间的距离作为权重并加权平均计算,离已知点越近的预测点权重越大。反距离权重插值法(IDW)要求插值对象分布均匀适中，并且插值面有局部因变量。其公式为：

式中，Z(s0)为S1处的预测值，N 为预测点周围样点需要使用的数目；λ1为使用的样点的权重值，Z(s1)是在S1处获得的已知值。

2.1.2 克里金插值法

克里金插值法（Kriging）起源悠久，南非矿产工程师Danie G. Krige在上个世纪五十年代初开创性地采用此方法找寻金矿，并由法国统计学家Georges Matheron 为此方法奠定了基础，并命名为Kriging。克里金插值法作为地统计学重要内容之一，在空间自相关地基础上，利用半变异函数对区域内样点进行预测分析，克里金法要求原始数据或经过函数变换后的数据正态分布。其公式为：

式中，s表示不同空间位置的坐标点位，可默认为经纬度坐标；Z(s)是s 处的变化量；μ(s)表示确定趋势；ε(s)表示自相关误差，对此公式转换变形，可以得到多种克里金插值方法。

对于趋势值μ(s)，若任意情况下，μ(s)=μ，即趋势值为一个常数，则表示该模型为普通克里金。同时，μ(s)也可以表示成一个二阶多项式趋势面方程，即：

式中x、y表示空间坐标，μ(s)表示趋势值。

2.2 作物施肥模型建立

在精准施肥指标体系研究基础上，以养分丰缺指标法为基础，根据田块土壤养分条件，综合肥料效应函数法、养分平衡法和目标产量法，设计出一种适合安徽省县域特点的作物配方施肥模型。公式如下：

其中F(ds)为养分施用量与养分测量值之间的对应关系，其公式如下所示：

式中：fa表示需要施肥量（kg/亩）；SM表示标准亩产（kg/亩）；TY表示目标产量（kg/亩）；DS0-DS5表示土壤测定值；TYmax，TYmin表示分别为最高产量和最低产量（kg/亩）；FA1-FA4表示建议施肥量（kg/亩）。

该模型综合了养分丰缺指标法、目标产量法和肥料效应函数法的优势，可以根据区域特点自行设定产量，同时针对地块条件精准地推算各类化肥施用量，既具有时效性、又具有稳定性，针对性地解决了农户难以获得定制配方施肥的问题。

3 系统实现的主要功能

3.1 农田土壤查询

用户选择任意耕地地块，可查询耕地地块相关土壤信息。主要包括①全氮、有效磷、速效钾、有机质、pH 值及中微量元素含量；②土种、土成土母质、耕层质地、耕层厚度、剖面构型；③区域位置及地力等级。帮助用户了解耕地土壤基本信息，通对对耕地土壤情况的大致了解，判断适合种植的作物种类。

定位查询：通过微信LBS(Location Based Services)地理服务，获取当前位置信息，定位查询所在田块上述土壤各项特征信息。

3.2 作物施肥信息查询

根据用户所选耕地地块，可显示不同配方信息。根据不同的作物、目标产量及肥料种类，自动生成基肥、追肥方案。此项功能是本系统的主要功能，涵盖内容丰富。其中作物品种包含水稻、小麦、玉米、油菜、大豆等主要作物，并可自定义目标产量，针对性地计算出配方肥及单质肥施肥方案。方案包括基肥方案及追肥方案，涵盖了氮磷钾及中微量元素施肥方案。

定位查询：查询手机当前位置农田的上述作物施肥各种信息。

3.3 图谱查询

主要包含作物缺素图谱、病虫害图谱、药肥气害图谱。以图片形式展现，使用户可以更加直观的了解到作物生长异常时的性状表现，能够协助用户及时了解作物是否正常生长，减少作物受害范围，防范作物减产减收。

3.4 农技专家及经销商查询

主要提供了当地农技专家专业方向及联系方式，便于用户与农技专家直接联系。提供了县、乡（镇）经销商位置及联系方式，方便用户肥料购买，并可依据配方施肥方案按需生产，实现定制化肥料生产，在保证作物产量的同时节省成本。

3.5 文档资料查询

主要包含全县范围内常见病虫害防治文档、作物施肥技术文档、作物栽培技术文档、苗情简报、农业法律法规。为用户提供了作物种植中常见问题的解决方案，配合农技专家，综合促进作物丰收、产量提升。同时可以查询定期的作物疫情报告，便于了解近期各地的作物疫情情况，为作物灾情做好提前防范。

4 结束语

目前该系统已在安徽省明光市、蒙城县、潜山市、凤台县、巢湖市和灵璧县应用，运行效果良好。和App 应用相比，本系统不仅具有APP 应用的各项功能，而且无需下载、安装，实现数据后台自动更新。同时，微信作为一个用户人数众多的社交软件，它的互动性是其优势所在，是其他软件不能比拟的。在微信公众平台中，可以通过用户信息自动回复，也可由后台更新服务，实现信息的迅速获取。并提供了基于LBS(Location Based Services)的地理位置的服务，微信端实现县域农户对所在任意田块定位查询土壤信息、作物施肥配方、周边经销商等查询，系统功能模块齐全，系统整体灵活便捷，使用户能够方便操作，传播有效性更高，可随时随地提供信息和服务，更容易在农户或基层农技人员中推广，减少农户施肥决策中的主观性和盲目性，实现作物增产，农民增收。