当前位置：基于WebGIS和知识模型的决策支持系统
刘小军，朱艳 ，曹卫星，田永超，姚霞
(南京农业大学江苏省信息农业高技术研究重点实验室／农业部作物生长调控重点开放实验室，江苏南京210095)
摘要：在提炼和优化作物管理知识模型的基础上，以WebGIS为空间信息平台，运用软构件技术及B／S分布式网络结构，构建了网络化精确农作决策支持系统。系统实现了基本地图操作、信息查询、差异分析、决策支持、结果展示以及系统维护功能，其中决策支持功能可基于田区土壤肥力和苗情长势差异进行数字化管理方案生成和因苗动态调控。在水稻试验示范区的系统应用结果表明，根据系统推荐的方案进行水稻田间管理，可使该区整体产量水平提高12．16％ ，肥料施用量减少23．55％ ，产量变异度下降79．49％。研究结果为实现网络化、数字化、广适性的精确农作决策支持提供了基本平台。
关键词：WebGIS；精确农作；知识模型；决策支持系统
中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1000—2030(2007)04—0011—05
WebGIS and knowledge model-based decision support system for precision farming
LIU Xiao-jun，ZHU Yan ，
(Hi—Tech Key Laboratory of Information A culture of Jiangsu Province／Key Laboratory
of Crop Growth Regulation，Ministry of Agriculture，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)
Abstract：On the basis of extracting and optimizing the knowledge model for crop management，with WebGIS as spatial inform ationplatform ，a Web—based decision support system for precision farm ing was developed，by using the technology of softw~ component
and Browser／Server network mode． The system realized the functions as norm al map handling， inform ation query ， difference analysis，result display， system maintenance and decision suppo rt． The digital management prescription was generated on the basis ofthe differences in soil fertility among the fields and further adjusted according to the growth status monitored at specific growth stages．Case studied on the system with the rice field experiments in Nanjing indicated that under the management plan recommended by the system， the average rice yield in the experiment area was increased by 12．16％ ， the amount of nitrogen fertilization decreased by 23．55％ ， and grain yield variation decreased by 79．49％ ， as comparing to the regular management plan． The present work has provided a basic platform for realizing Web—based，digital and dynamic decision support in precision farm ing．
Key words：WebGIS；precision farm ing；knowledge model；decision support system
精确农作的核心原理是基于农田差异的变量投入和最大收益 ，通过现代信息技术来改造传统农业产业，基于按需投入，实现农业资源的高效利用和农业生产力的均衡提高。20世纪90年代以来，国内外在精确农作技术方面已有较多的研究报道，但其决策支持功能大多是基于具有较强地域性和经验性的农业专家系统，这就限制了不同条件下系统决策的广适性和准确性，也忽略了产中苗情监测数据的决策支持作用。近年来提出的作物管理知识模型对农业生产管理方案与环境之间的关系进行了定量化表达，为农业生产的管理决策提供了具有时空动态规律的模型化工具。同时，WebGIS的发展及其在空间信息管理上的广泛应用为精确农作系统的网络化运行提供了技术支持u H 。目前，有关基于WebGIS和知识模型的精确农作决策支持系统在国内外尚未见报道。
本研究以具有时空适应性的作物管理知识模型为管理决策的智能支撑，采用WebGIS技术，基于B／S结构的分布式网络平台，集成建立基于WebGIS和知识模型的精确农作决策支持系统，为网络化、数字化、广适性精确农作系统的研制开发提供基础框架。1 系统组织结构与内容本系统总体设计思想是采用ASP(active server page)语言和模型组件技术相结合的策略，根据WebGIS的系统特点 ，由基于B／S结构的用户浏览层、业务服务层、知识模型层和数据库服务层4层结构组成。
1．1 用户浏览层
用户浏览层即客户端，为一个标准的Web浏览器(如IE浏览器)，用于向业务服务层提交请求，接收和解析由服务器端返回的HTML文件。浏览层和业务服务层之间通过Internet相互连接。
1．2 业务服务层
业务服务层为系统结构的核心，包括Web服务器和地图服务器。Web服务器采用微软IIS 6．0作为服务管理器，实现网络应用服务；地图服务器采用北京超图公司开发的SuperMap IS 2003作为GIS应用服务器，用以实现网络GIS服务功能。
1．3 知识模型层
本系统所采用的知识模型是在本课题组已有研究工作 的基础上，由部分适用于精确农作的作物管理知识模型模块和基于苗情监测的诊断调控模型整合而成。基于COM标准的知识模型组件按不同的作物类型封装后进入模型组件库，系统则针对不同的决策作物对象，从库中挑选出所需模型组件，为用户提供基肥处方、密度处方和追氮量处方等。
1．4 数据库服务层
该层能实现空间和属性数据的存储、读取与管理。其中空间数据即地理信息数据，包括矢量化的面数据表、点数据表和文本数据表3类。属性数据包括4类数据(表)，第1类为临时存放具体决策管理田块状况的数据表，包括农田基本信息(地块编号、地块面积、地面高程、所属农户、历史产量)、土壤数据(pH值，播前土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量等)、作物生长状况监测数据(作物关键生育期的叶片叶色SPAD值和叶面积指数LAI值)及关联字段SmID；第2类为临时存放决策
结果的数据表，包括密度(基本苗和播种量)，总氮、磷、钾肥和微肥施用量，追氮量等处方结果及SmID；第3类为运行系统模型所需的数据，包括作物生长季节的逐日最高、最低气温等气象数据和作物品种参数等；第4类为与农业生产相关的农资、病虫草害防治等咨询信息及常规栽培管理数据。属性数据中的前2类数据都通过SmID与空间数据中的地图空间要素相匹配。
2 系统主要功能及技术原理
系统实现了基本地图操作、信息查询、差异分析、决策支持、结果展示和系统维护等6大功能。
2．1 基本地图操作
主要包括地图的放大、缩小、漫游、面积量算、地图编辑与地图下载等基本的地图操作功能。
2．2 信息查询
包括点位查询、逻辑条件查询和专题信息查询3种查询方式。点位查询即利用交互方式通过点选或拉框选择指定位置，查询相应地理位置的田块信息，包括农田基本信息、土壤养分状况、苗情监测和决策信息等。逻辑条件查询即根据用户给定的一个或多个条件，查询符合条件的属性信息，并在地图上标注出符合条件的区域位置。专题信息查询可按不同的专题进行分类查询，为用户提供作物营养失调诊断、病虫害诊断及化肥和品种等农资信息的咨询服务，重点是查询不同作物氮、磷、钾及微量元素缺乏时的症状描述和图像，不同作物病虫草害危害症状和防治措施，不同肥料理化性质与施用要点以及品种信息等。
2．3 差异分析
基于WebGIS的分析处理功能，系统能进行空间和时问的差异分析。空间差异分析是对田区状态因子在空间位置上进行差异比较和分类，即以农户田块为空间管理的基本单元，可以生成基于管理单元的作物产量、作物生长状况、土壤养分等的空间差异分布图。时间差异分析是指对同一地块同一因子随时问变化的差异(如多年的产量图)进行分析，且能对各个图层进行时间上的叠加分析。
2．4 决策支持
以土壤数据、气象数据及作物品种参数为基础信息，以作物管理知识模型为管理决策的智能支持，基于WebGIS的空间差异分析功能，为用户生成产前及产中的作物管理处方。其中产前处方包括基肥处方(氮、磷、钾及微肥)和密度处方(基本苗和播种量)，产中处方为基于作物生长状况监测指标(SPAD，IAI值等)的追氮量处方。
2．5 结果展示
利用WebGIS的网络GIS功能，以系统生成的结果数据为基础，结合管理区域的电子地图，以栅格图像的形式向用户提供图形展示服务，实现作物管理决策处方结果的专题图显示(包括单值专题图、范围分段专题图和标签专题图)，以及统计报表显示等功能。
2．6 系统维护
系统根据不同的用户授予不同的访问权限，用户可以在权限范围内进行数据的增删及修改等操作，并可以在一定周期内进行数据的备份，形成历史数据的存储。
3 系统开发与应用
3．1 系统开发工具与运行环境
系统在AMD Athlon(tm)XP 2500+、IG内存计算机，中文Windows 2000 Server操作平台上开发。选用北京超图公司开发的SuperMap IS 2003作为地图服务器，运用Visual Basic 6．0语言进行WebGIS专业功能的引擎二次开发；运用C#．NET语言按COM标准实现作物管理知识模型组件(dl1)；选用微软SQL Server 2000设计数据库结构；采用ASP语言作为系统集成开发语言，实现知识模型、WebGIS和数据库的有效集成。系统运行环境由服务器端、因特网和客户端构成。服务器端操作系统为Windows Server 2003，采用IIS 6．0作为Web服务器。远程客户端通过因特网与服务器端相连接，客户机要求操作系统为Windows98以上，浏览器版本为IE 5．0以上。
3．2 系统应用实例
以江苏省南京市江宁区农业科技示范区为试验点，对本系统进行了测试应用。试验区面积为67．42hm ，共90个田块，种植制度为稻麦(油)两熟，试验作物为水稻。于2003年水稻生长季之前及期间，采用Trimble公司Pro—XR型GPS进行农田大面积定位资料获取。播前在每个田区内按五点取样法取20 em耕层土壤样品，测定土壤养分含量如有机质等主要肥力指标。产中在水稻拔节孕穗期由GPS导航，在相同位点采用日本MINOLTA产SPAD一502型叶绿素计测定主茎顶部展开叶上部I／3处的SPAD值，每点测定5片叶取平均值；用美国Decagon产AccuPAR植物冠层分析仪测定群体叶面积指数，每点重复3次，最后再定位测产。
系统以SuperMap Editor软件和由GPS导航形成的田区电子地图建立了空间数据，以案例区水稻生长季节的气象数据、土壤肥力数据、生长监测数据及水稻品种参数等数据建立了属性数据(库)。通过运行本系统，产生了该示范区各田块的水稻栽培管理方案，包括基本苗、播种量、基肥量及追氮量。由于播前基础土壤养分含量在田块之间具有显著的空间差异，系统生成的播前管理决策方案在田块间也表现出较大的变异，其中基施纯氮量103．50—189．
4 结论与讨论
本研究在充分利用作物管理知识模型的辅助决策功能的基础上，结合WebGIS技术、网络数据库及组件化技术，设计开发了基于WebGIS和知识模型的精确农作决策支持系统。系统实现了基本地图操作、信息查询、差异分析、决策支持及系统维护等功能，为实施基于农田差异的作物变量管理提供了有力工具。系统所采用的数字化管理决策知识模型考虑了地域及田块间的差异性，可针对不同田块自动生成相应的决策方案，并在作物关键生育期，根据生长监测和诊断，及时调整追氮处方，从而获得最大收益和均衡增产。WebGIS具有用户平台无关性、低成本和易用性等特点，大大降低了系统的技术难度和使用成本，所面向的用户既可以是政府管理部门，也可以是农技人员和普通农户。在试验示范区的应用结果也表明，系统运行可靠，普适性强，操作简单，在降低田区间产量差异的同时，提高了肥料利用率及产出效益。应当指出，本系统所涉及的田间作物苗情监测和诊断工作目前因设备和手段的限制，还难以快速大范围的应用，今后需要研究综合运用地面监测技术和空间遥感技术的方法和平台。此外，系统中应用的地图服务器SuperMap IS 2003在多用户并发访问时，存在出图速度较慢等问题，今后拟采用SuperMap IS．NET 5．0及ASP．NET开发语言对系统进行升级，从而为最终建立数字化和综合性的精确农作系统提供技术平台，促进精确农业和数字农业的发展。
