基于云GIS 的食用菌质量安全空间管理信息系统设计

尹林江 ，周忠发，黄登红，彭睿文，张 淑，张文辉

（1.贵州师范大学 喀斯特研究院/地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001）

0 引 言

近年来，随着我国经济的不断发展，人们的生活品质在不断提高，对各类农产品和食品的安全问题也越来越重视。但食品安全事故不断发生，以农业的面源污染和土壤的重金属污染为代表的农产品产地环境安全问题尤为突出，以镉大米和毒生姜为代表的农产品质量安全问题日益凸显，不断出现食品安全事件也为人们敲响了警钟。

食用菌味美且营养丰富，被广大消费者所青睐。随着我国农业供给侧结构调整，在国家政策的大力扶持下，现代农村产业结构得到了有效的调整。食用菌产业发展迅速，年产量和总产值不断提升，出口量占世界食用菌贸易总量的50%。但我国食用菌安全问题仍然没有得到良好的解决，由于食用菌制种和栽培的环境特殊，其质量安全主要受农药施用情况、基质、覆土和水中重金属含量以及食用菌自身代谢等的影响，导致食用食用菌存在一定的安全隐患。因此，开展食用菌质量安全评价，实时了解食用菌中主要污染物及有害因子的污染水平及发展趋势，确定危害因子的具体来源和分布范围，掌握食用菌质量安全现状，确保食用菌质量安全风险受控和可持续健康发展则尤为重要。

贵州省作为我国的贫困大省，扶贫攻坚一直是工作的重中之重。而食用菌作为一个技术门槛低、市场前景好、营养价值丰富的产业，被贵州省列为农村产业结构调整、脱贫攻坚的“五大”发展产业之一，得到长足发展。根据贵州食用菌产业发展需要，针对当前食用菌中重金属含量问题突出等实际情况，本文以ArcEngine二次开发为基础，以WebGIS 和遥感为技术支撑，以C#和JaveScript 为开发语言，建立食用菌质量安全风险评估空间数据库和食用菌质量安全空间管理信息系统，以期为食用菌产业规划提供质量安全评估技术支持，为推进食用菌产业健康、快速和裂变发展，努力促进食用菌产业质量更高、效益更好、竞争力更强，服务于脱贫攻坚中产业扶贫重要决策部署提供有力科技支撑。

1 设计思路

食用菌含有丰富的蛋白质、氨基酸、维生素、矿质元素以及高分子多糖、核酸降解物、三萜类化合物等生物活性物质，不仅营养丰富，还具有极高的药用、保健价值。食用菌作为健康食材已成为一种消费趋势。2017 年贵州省出台了《贵州省发展食用菌产业助推脱贫攻坚三年行动方案（2017—2019 年）》，以深入贯彻绿色发展理念，深化农业供给侧结构性改革为主线，以“强龙头、扩规模、广覆盖、促增收”为目标，大力发展特色珍稀食用菌和优势大宗食用菌，积极发展野生食用菌，突出产品品质和质量安全。当前食用菌中重金属含量问题突出，严重影响了贵州省的可持续发展。而地理信息系统技术（GIS 技术）具有强大的数据采集、存储管理、空间分析和输出等多种功能，在资源与环境应用中发挥着重要作用。

因此，本文以GIS 相关技术为支撑，构建食用菌质量安全空间管理信息系统。通过该系统可开展食用菌发展规划区质量安全普查；同时开展食用菌重金属溯源与阻控关键技术研究，及贵州特色与大宗食用菌的特征品质挖掘研究，加快食用菌质量安全评价及大数据平台建设，确保广大人民群众“舌尖上的安全”；开展大数据关联分析，拓展社会化监测信息采集和融合应用，支撑食用菌质量安全现状精细化分析和实时可视化表达，增强食用菌质量趋势分析和质量安全管理能力，为食用菌质量安全监测、管理和执法提供数据支持。

2 总体设计

为了实现快速便捷访问、数据处理和快速应用部署的云GIS 平台，系统结构设计以稳定可靠、安全和可扩展等为原则，采用SOA 多层架构设计，以Oracle 数据库建立数据系统，融合动态链接库（DLL）、组件对象模型（COM）及.NET 反射机制于一体，实现系统基础设施层、数据层、服务层和应用层等4 个层次的构建，如图1所示。

图1 系统总体设计图

基础设施层是系统运行的基本保障，是食用菌质量安全空间管理信息系统构建、运行和服务的基本条件，主要包括基础硬件和软件两部分。其中基础硬件的网络设备主要包括大容量磁盘阵列存储设备、基础网络设备、主机、服务器以及其他相关基础设备。基础软件设备主要包括Windows Server 操作系统、VMware vSphere 虚拟平台软件、ArcGIS、ArcGIS Server 和Oracle数据库等。

数据资源层是管理系统的物质基础，是各种数据储存和管理的场所，其数据来源有行政区划、交通、水系、地形地貌、覆盖全省的空间底图矢量数据以及食用菌生产和生长相关的地理信息要素，另外还包括食用菌采集和检测的相关数据，如食用菌重金属检测数据、食用菌农残检测数据、食用菌鲜品检测数据，对应栽培基质重金属检测数据、土壤检测重金属含量数据、生产用水检测重金属检测数据等，以及业务数据和系统运行数据。

服务层是系统的核心，执行和处理应用层的数据请求，支撑着系统的数据接口服务、用户数据的浏览和管理服务、GIS 服务和Web 应用服务。其中GIS 服务部分主要用于处理客户端对食用菌相关数据的查询、管理、可视化分析、统计分析、空间分析以及用户的权限管理等，除此之外还包括食用菌质量安全数据集成发布的空间数据服务和功能扩展服务等。而Web 应用服务则可以用于食用菌数据的查询、专题展示、统计分析和权限管理等。由于传统的Web 应用服务器难以实现地理空间数据的处理，因此本系统选择ArcGIS Server 对遥感计算模型和地理计算模型封装打包，进行服务资源的发布。实现有地图、要素、地理编码以及网络分析等信息服务的发布和管理。

应用层主要针对个性化的地理信息定制服务应用、食用菌质量安全管控、采样管理和电子政务等。通过可视化的应用界面，为管理人员进行数据管理和相关监测等服务。除此之外，系统通过OGC 标准和REST 服务，为用户提供电子政务的应用接口，方便其进行食用菌相关政策和信息的查询。

数据库作为系统的数据支撑，其体系设计的优劣在一定程度上影响着系统对数据的调用、存储和分析。结合前人对数据库的相关研究，对不同内容、不同格式、不同规范的食用菌相关数据、影像数据、地形地貌、历史数据、专题数据等空间地理数据进行采集与处理，按照规范进行对象化处理后，采用工具软件批量检查和人工检查相结合的方法对成果数据进行百分之百入库检查，将各种数据入库。根据本系统数据的特点，选用ArcSDE 来管理空间数据，数据库实体存放于关系型数据库Oracle 10g 中，由Oracle 管理底层数据库。在此基础上，通过空间数据引擎ArcSDE 访问数据库，并提供相应的客户端应用。ArcSDE 采用GeoDatabase 数据模型，利用RDBMS 存储空间数据及其属性数据，提供快速的数据查询和显示功能。ArcSDE 与RDBMS 协同工作，提供了空间数据的存储、查询和管理的解决方案。其中，RDBMS 负责在关系表中存储数据，ArcSDE 则负责为前端的GIS 应用解释数据表中的这些数据，前端的GIS 应用负责根据业务需要表现这些由ArcSDE 解释的数据。

食用菌质量安全评估空间数据库的建立主要是为食用菌质量安全评估提供空间地理信息数据。技术实施包括基于GeoDatabase 数据模型的空间数据格式设计、数据库体系接口设计、数学基础设计、数据库备份和恢复设计、数据入库策略、数据库集成管理功能设计等。其数据库体系包括6 个部分：基础地理信息数据库、食用菌专题信息数据库、食用菌品质信息数据库、社会环境信息数据库、资源环境信息数据库、用户信息数据库，具体内容如表1 所示。

表1 数据库建立

3 系统实现

由于C/S 与B/S 技术各有优缺点。C/S 架构由服务器和客户机两部分组成。服务器负责数据的管理，客户机负责完成与用户的交互任务。C/S 架构具有交互性强、存取模式安全、响应速度快和利于处理大量数据的优点，但缺少通用性，系统维护、升级需要重新设计和开发，增加了维护和管理的难度，进一步的数据拓展困难较多。而B/S 架构最大的优点是总体拥有成本低、维护方便、分布性强、开发简单，可以不用安装任何专门的软件就能实现在任何地方进行操作，客户端零维护，系统的扩展非常容易。因此食用菌质量安全空间管理信息系统面向服务架构，通过WebService 接口进行数据交流与信息共享，采用B/S 与C/S 混合开发模式实现系统的内外部集成，同时根据平台提供的服务和接口定制专业的GIS 应用软件。

3.1 C/S 架构表现层

食用菌质量安全空间管理信息系统C/S 端采用ArcEngine 与Microsoft Visual Studio 开 发 模 式，以MapControl 与PageLayoutControl 控件调用空间数据，通过IMapServerRESTLayer 接口访问REST 获取服务和数据的数据通道形式，降低食用菌相关数据集群服务器的运算量和减小网络通信压力。C/S 开发表现层如图2所示。

图2 C/S 开发表现层

C/S 架构主要功能如下：

1）查询统计：通用GIS 功能设计。提供形象直观、易操作的使用功能，包括地图的放大、缩小、漫游、显示全图、测量、清除、三维展示等功能；多级查询功能设计，按行政区（省、市/州、县）多尺度进行食用菌普查数据查询，查询结果可以图表等多种方式展示；统计汇总功能设计，按统计类型、统计的类别等条件进行食用菌普查信息数据分类汇总统计，统计结果可以图表等多种方式展示。

2）专题分析：依托地理大数据相关挖掘技术，构建食用菌质量安全风险评估模型，通过数据混合交叉分析、多维度的探索式分析，科学评估农药残留风险、重金属残留风险等食用菌质量安全风险，为管理部门开展食用菌规划提供决策支持。

C/S 架构的质量安全风险评估的方法主要为MCA法，其他评估指标对应公式如表2 所示，通过GIS二次开发进行实现。

表2 质量安全风险评估方法

质量安全风险评估方法应用于食用农产品，中风险因子对人体暴露评估的原理与过程主要为：

①构建一个随机过程或分布进行敏感性分析，使农药、重金属对人体暴露概率值是该分布或随机过程的参数或数学期望；

②对模型进行观察或抽样检验，经过无数次迭代产生随机数，以此最终获取所求结果的统计特征；

③求出解的近似值（可用均值、95th 分位点、99th分位点来表征），并根据需要合理表达；

④对概率分布参数进行敏感性分析，以便于概率分布的修正。

以上述方法为基础，运用C#等相关开发语言对质量安全风险评估方法进行实现和封装，以此实现食用菌的质量安全风险评价。

3）制图输出与管理：具备食用菌资源及质量安全风险评估的各类专题图件制图与输出，提供按照行政区、图幅、任意范围的任意比例尺输出功能。

4）标准服务接口：聚合食用菌普查专题数据和基础地理信息数据，采用OGC 标准，为相关许可的信息化平台提供基础底图接口服务。

5）系统维护管理：对不同使用用户设置不同的操作权限的管理，对不同级别的部门添加用户和角色，每个角色可拥有不同的操作权限。

C/S 端平台主要功能图如图3 所示。

图3 C/S 端平台主要功能图

3.2 B/S 架构表现层

WebGIS 是传统GIS 在网络上的延伸和发展，具有跨平台、易于集成和扩展性好等优点。由此B/S 端以WebGIS 技术为基础，采用FlexViewer 框架和Adobe Flash Builder 的开发方式，以JaveScript 为开发语言，并基于XML 的MXML 来丰富用户界面，使得界面美观，用户操作简便舒适。基于ArcGIS Server REST 服务，依托浏览器FLASH 插件运行，实现地图的放大、缩小、鹰眼、漫游以及专题数据的调用等功能，有效缩短开发周期。除了对地图与数据的基本操作外，在B/S 端还实现了用于计算服务及系统数据简单处理的工具，其中包括环境因子反演工具、自然要素提取工具、栅格投影变换工具、空间插值分析工具、拓扑分析工具、矢量栅格转换工具、简化与平滑工具、影像波段合成工具、雷达影像处理工具以及网络分析工具，以此实现对数据的高效管理、分析和应用。B/S 开发表现层如图4 所示。

图4 B/S 开发表现层

4 结 论

本文在已有研究基础上，利用虚拟资源管理和分布式存储计算技术，并结合GIS 技术和Web GIS 相关技术构建食用菌质量安全空间管理信息系统。依托地理大数据相关挖掘技术，通过数据混合交叉分析、多维度的探索式分析，能够科学评估农药残留风险、重金属残留风险等食用菌质量安全风险，可为管理部门开展食用菌规划提供决策支持。设计方案适合开发周期短、低硬件配置的私有云环境，能够有效降低建设食用菌质量安全空间管理信息系统数据监管平台的开发和维护成本以及数据的安全。建立该平台，旨在为推进食用菌产业健康、快速和裂变发展，服务于脱贫攻坚中产业扶贫重要决策部署提供有力科技支撑，努力促进食用菌产业质量更高、效益更好、竞争力更强。