基于WebGIS的数字农业园区信息系统研究

严志雁，吴 辉，丁 建，赵晓东，陈桂鹏*，朱 敏

(1.江西省农业科学院 农业经济与信息研究所，江西 南昌 330200；2.江西省农业信息化工程技术研究中心，江西 南昌 330200；3.江西省自然资源测绘与监测院，江西 南昌 330000；4.井冈山农业科技园管理委员会，江西 吉安 343016；5.景德镇市农业经营管理站，江西 景德镇 333000)

现代农业园区就是以实现农民富裕为主要目标，以高科技为依托，市场信息为导向，农业资源的高效持续利用为根本，集高效种养、加工配销、示范推广等于一体的现代农业[1]，是传统农业向现代农业转型的重要农业生产组织形式。随着3S(全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感RS)技术的发展，应用3S技术建立面向农业园区管理和农业信息服务系统，是实现农业园区业务信息管理与农田数字化管理的重要手段之一。

WebGIS是基于Web技术的GIS，即基于网络提供地理信息服务[2]。国内外基于WebGIS技术开展了农村设施、土地资源、生态系统、病虫害的监测及管理系统应用研究。Costantino等建立了集区域地图、正射影像、景观规划等数据的WebGIS平台[3]；Binh等建立了一种对盐水入侵现象数据的存储、管理、分析和可视化的WebGIS方法[4]；张学利等采用云计算技术搭建了农业综合信息服务应用系统，实现了农业用地资源、土地利用现状、水资源分布、气象信息等农业资源的管理与共享查询[5]；Pan等基于WebGIS、快速响应编码、射频识别等技术，建立了农田土壤重金属污染风险评价决策支持系统[6]；黄冲等开发了多种作物重大病虫害的数字化监测预警系统，包含基于WebGIS的农作物重大病虫害监测预警、情报信息发布等功能[7]。

尽管WebGIS在农业应用上已有研究，数字农业园区发展存在以下几个方面的问题：(1)缺少土壤、气象、地图等园区的基础数据，缺乏支撑数据管理、分析及可视化的工具。(2)侧重政务管理及信息宣传[8]，缺少面向入驻园区企业的农技信息服务模型。园区对切合生产实际、系统化的数字化管理和服务系统有着强烈的市场需求。

本文针对农业园区管理和服务信息化需求，提出了基于WebGIS的数字农业园区建设方案，设计了园区资源与业务管理、农业环境监测数据的查询分析、报警、挖掘和水稻施肥推荐等功能，以期为数字农业在农业园区管理和服务上的深入应用提供信息系统工具。

1 系统设计

1.1 需求分析

数字农业园区的建设目标是实现农业园区生产的数字化管理、分析和信息服务[9]。农业园区管理机构负责建立和管理园区资源数据集，通过人工测量、物联网监测等多种手段相结合的方式，采集了地理空间、农田环境等数据；园区入驻企业等实体向园区管理机构租用园区土地、购买水电等资源，系统需要实现园区土地租用、物业管理及水电管理等业务管理；面向园区入驻企业，园区管理机构还需开展预报警、施肥推荐及栽培技术推荐等信息服务。数字农业园区信息系统的使用人是农业园区资源供需主体，通过农业园区资源供需主体的角度分析系统的功能定位(图1)，分析农业园区管理和服务信息化实现方式，得到园区管理服务信息系统功能需求(图2)。

图1 用户用例

图2 园区管理服务系统功能需求体系结构

1.2 数据来源

采集的数据资料包括以下4个方面：(1)空间数据。通过航拍制作正射影像，在QGIS Desktop 3.14.16软件中进行数据编辑、制作土地利用图，保存为shapefile文件，包括道路、水系数据、农田数据。农田数据将园区的土地类型进行了详细划分，包括连栋大棚、茶园、林地、稻田、旱地等多个图层，属性数据通过对农业园区实地采集获得。以PostgreSQL 9.6+PostGIS 2.5.3为空间及其属性数据库管理平台。

(2)土壤数据。园区地块土壤肥力数据由实地采样后化学分析测得，然后导入空间数据库。

(3)设施设备数据。物联网设备包括大田物联网传感器、小型气象站等，设施包括连栋大棚内的控温、灌溉、监控、通风、水肥一体化设施；采集的农田环境数据包括气温、降水、风速、土壤温度、土壤含水率等，直接通过网络存入服务器数据库中。

(4)农业园区资源、业务管理数据。现场人工采集农田租赁、种植作物数据等园区资源数据，以独立表格存储，并将园区资源及其业务管理与空间数据关联。

1.3 系统框架结构

针对数字农业园区的需求，系统在总体功能上主要分为：资源维护、业务管理、统计信息、农技信息服务和系统管理等5个部分(图3)。资源维护功能包含园区内的土地资源信息、物联网设备、水电煤表等信息，业务管理功能包括土地租用、物业管理、水电煤管理等业务，农技信息服务功能包含墒情报警和水稻施肥推荐，统计信息包括地块信息统计、用水用电信息统计、租金统计等。土地利用现状信息、物联网监测点位数据、区域监测专题图等地图的显示均由WebGIS技术实现。区域监测专题图则是根据由点到面的区域模拟结果，动态生成、在线显示区域监测结果信息，并通过风险模型计算相应的监测风险，实现报警功能。

图3 系统总体功能模块设计

1.4 平台开发语言及工具技术

系统Web前端开发使用Html、JavaScript等语言，采用Openlayers 4.6作为地图前端开发，实现地理数据展示、图形绘制、属性处理等功能，以Geoserver 2.14和Tomcat 7.0作为地图和Web服务器，服务器后台应用采用Java语言进行编译，业务数据库系统采用MySQL 5.6，空间数据库采用PostgreSQL 9.6和PostGIS 2.5。

2 系统农技信息服务中分析模块的构建

2.1 基于克里金插值的土壤墒情报警

为实现对整个园区土壤墒情报警的精准服务，本文在试验园区中部署了作者团队自行研发的农业环境传感器[10]，用于监测包括土壤含水率等数据的农田环境信息，为使土壤墒情点状监测数据转变为面状数据，需要对离散监测点数据进行空间插值。

本文采用克里金插值法对土壤墒情进行插值，克里金插值法是一种部分空间插值法，是基于区域化变量的可用数据和变差函数的结构特征，来估计区域化变量值的最佳线性无偏方法[11]。设研究区域为A，研究区域物理属性Z(x)∈A，x为空间坐标，Z(xi)为采样点xi(i=1,2,…,n)处的物理属性，坐标点x0处属性Z(x0)估计值计算见式(1)[12]。

(1)

λi(i=1,2,…,n)为待求权系数。Z(x)满足在无偏条件下使估计方差达到最小假设，即满足下面2个假设：(1)Z(x)的数学期望存在且等于常数；(2)Z(x)协方差Cov(x0,xj)存在且只与2点之间的相对位置有关，即协方差存在且平稳。依据无偏性要求，及在无偏条件下使方差最小，可得系数λi(i=1,2,…,n)求解方程组式(2)。

(2)

其中，μ为拉格朗日乘子。

土壤含水率是土壤水分平衡中重要的供给项，作物都有生物学土壤含水率的上下限，超过土壤含水率范围，作物生长将会受到极大的限制，依据作物最适宜土壤含水率，分为4个等级，采用模糊隶属度法将墒情风险进行分级[13]，得到作物墒情风险值，风险最大为1，最小为0，计算见式(3)。

(3)

2.2 基于地块信息的水稻氮肥施用推荐

试验园区主要农作物水稻的产量在很大程度上受土壤肥力的影响。各个经营主体的施肥方法仍然是凭经验，往往施肥过度，既增加成本又污染环境。因此，依据园区地块数据和氮肥推荐模型给园区经营主体提供施肥方案十分必要[14-17]。

氮肥用量计算方式见式(4)。

Ni=Si×[W×(Y-X)/E]

(4)

其中：Ni是地块i所需施氮肥的数量(kg)，Si地块i的面积；W为1 kg稻谷产量需从土壤的吸氮量(kg)，早稻W=0.02，晚稻W=0.022；Y为目标产量(kg/hm2)，X为基础产量(kg/hm2)，即不施肥情况下水稻的产量，本文X取4665 kg/hm2[18]；E是土壤氮吸收率，与土壤质地有关，一般沙土为30%、壤土为35%、黏土为40%。

3 系统实现

3.1 系统基础功能实现

3.1.1 资源管理功能 资源管理功能模块为提供园区资源的数据管理功能。管理数据内容包括以下4个方面。

(1)土地利用现状数据。提供数据接口，用于系统关联园区地块数据，土地利用现状数据通过土地利用图导入得到，地图数据变更在系统外部采用专业GIS软件实现。支持对地块土壤肥力数据的编辑，土地利用现状管理界面见图4。系统以列表形式管理地块的土壤肥力数据，包括pH值、有机质、全氮、全磷、全钾等指标。

(2)土地承租户数据。提供对园区内土地使用企业的管理，支持对企业及其联系人员的编辑。系统以列表形式管理入驻园区所有企业信息，包括企业名称、法人、田间管理员、联系方式等。

(3)田租、物业费、水电费标准数据，提供对园区资源服务收费标准的管理，为园区物业管理模块及收费催缴系统提供数据支撑。

(4)关联小型气象站、物联网传感器节点等设备。系统提供对园区小型气象站、物联网监测节点设备的管理配置和数据对接。物联网监测点设备的新建或更新，采用OpenLayers提供的图形新建或删除功能实现，具体方法：通过OpenLayers的ol/interaction/Draw函数画出Point类型的features，利用WFS服务将新建或变更的features，并提交到GeoServer进行保存。

物联网监测点设备通过GPRS将监测信息(空气温度和湿度、光照、土壤温度、土壤含水率、电导率、pH值等)上传至服务器数据库，在设备管理模块中将物联网监测点设备ID和图上新建点的ID关联，并将监测点信息在图上显示。

3.1.2 业务管理功能 业务管理功能模块以列表形式提供对园区土地租用、房屋租用、物业、水电等业务管理，列表中操作列所包含的功能：新建、查看、编辑、删除、短信提醒。以土地租用为例，建立了土地租用管理的概念模型(图5)。

(1)土地租用管理。用于管理土地租用业务，业务信息包括地块编码、承租人、用途、租金、起租时间、到期时间，可对土地进行新建租约和续租，可对即将到期租约进行短信提醒续租，土地租用管理界面如图6所示。

图6 土地租用管理界面

(2)水电燃气管理。用于管理园内水电燃气费用管理业务，业务信息包括序号、表号、使用人、单价、数量、上期表数、本期表数、抄表日期、缴费状态等。

(3)物业管理。用于管理物业费用收取业务，业务信息包括房屋编号、承租人、费用类型、费用、账单日期、缴费日期。

(4)通知管理。用于管理园区内广播信息的编辑与发送，业务信息包括序号、姓名、电话号码、简要说明、是否发送成功。如通知发送失败，系统可进行重新发送。部分通知业务流程如图7所示。

图7 推荐施肥及墒情风险通知流程

(5)园区安防。用于管理园区所有视频摄像头及其数据对接，通过点击选中摄像头列表中某个摄像头，即可显示该摄像头的画面。

3.2 农技信息服务应用

3.2.1 土壤情况查询 系统实现了地块土壤养分数据的查询，包括氮、磷、钾、有机质、pH值等综合养分信息，土壤养分情况如下图8所示，可生成土壤养分数据的养分变更趋势折线图，便于进行不同年份的对比分析，应用操作实现了通过鼠标点选、条件查询方式激发地块属性信息条件查询。系统通过专题图给出了地块土壤养分数据(图9)。

图8 点选查询土壤养分数据

图9 有机质分布

3.2.2 墒情报警 本文采用基于物联网的土壤墒情传感器监测园区土壤数据，可采集到地下5～40 cm深的土壤墒情[19]，监测点数量10个。为估测整个园区的墒情，需将物联网监测点实时墒情数据与空间数据的融合，运用式(1)～式(3)的插值算法计算整个园区墒情的相应数据，做出作物旱情等级预警，形成整个园区的墒情专题图(图10)，然后通过短信系统将报警信息发送至田间管理员。

图10 墒情风险分布

3.2.3 水稻田施肥推荐 结合园区水稻田块数据，运用式(4)的推荐算法，计算整个园区内水稻田块施肥数据，得到水稻田氮肥施肥推荐专题图(图11)，最后将每个田块的施肥数据通过短信系统发送至田块管理员。

图11 水稻田施氮量推荐

4 结论

实现农业数字化管理、信息化服务是现代农业的基本要求，本文结合农业园区管理需求，以实现精准农业为目的，以园区资源和业务管理可视化应用系统为主要研究对象，提出并实现了基于WebGIS的农业数字园区系统。主要内容有：对农业园区内物联网监测点数据进行了空间插值，建立了园区墒情报警模型；完成了基于地块信息的水稻氮肥施用推荐；系统实现了农业园区资源、业务的数字化管理，采用WebGIS技术实现了园区土地利用现状、土壤性状、墒情及施肥推荐的可视化。该系统在江西省农业科学院高安试验基地园区进行了试验，提高了农业园区管理的信息化水平，面向园区企业提供预警及农技信息服务。

本系统仍需将农业环境信息与作物栽培学结合做更深入的研究分析，才能实现更精准的预警信息服务，还需逐步增加作物种类、施肥、施药等农技信息服务内容，进一步提高农业园区业务管理、生产指导和决策支持的信息化水平。