周國(guó)民+樊景超+吳定峰+夏雪+丘耘

摘 ? ?要：針對(duì)果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換和共享規(guī)范缺乏的問(wèn)題，采用可變數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)的設(shè)計(jì)方法，在分析果園環(huán)境數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式。該格式的語(yǔ)法規(guī)范采用Schema來(lái)定義，包括43個(gè)元素，其根元素是，并由、、、、、、這7個(gè)元素組成。通過(guò)對(duì)某果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的實(shí)際表示，以及在Internet環(huán)境中的共享應(yīng)用，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)表示格式設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：果園;環(huán)境數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)表示;XML

中圖分類號(hào)：TP274+2 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.018

Data Acquisition and Data Format of Orchard Environment based on XML

ZHOU Guo-min，F(xiàn)AN Jing-chao，WU Ding-feng，XIA Xue，QIU Yun

（Agricultural Information Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract：According to the lack of exchanging and sharing data format in the orchard environment，based on analyzing the characteristics of the orchard environment data， an orchard environment data format which was expressed by Schema XML was presented by method of variable data acquisition indicator. It consisted of 43 elements. The root element was <OrchardEnvironmentData>， and consisted of 7 elements： <Version>， <BeginDate>， <EndDate>， <Orchard>， <FruitVariety>， <RecordingDefinition>， <RecordSet>. Its feasibility was verified by the actual application of data representation which acquired by the Orchard Data Acquisition System， and by the data share application in Internet.

key words：orchard;environment data;data format;XML

突破傳統(tǒng)果業(yè)的限制，發(fā)展現(xiàn)代果業(yè)是我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)代果業(yè)的重要特征是果園生產(chǎn)和管理的數(shù)字化、信息化、機(jī)械化，數(shù)字果園的概念也應(yīng)運(yùn)而生[1]。果園環(huán)境涉及的數(shù)字化對(duì)象包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、光有效輻射、紫外線強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、露點(diǎn)、土壤水分含量、土壤溫度、土壤NPK含量、土壤微量元素含量、土壤重金屬含量等。近年來(lái)，果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制與應(yīng)用已得到重視，相關(guān)研究也比較多。在圍繞某一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)的研究方面，Changying Li[2]報(bào)道了一種氣體傳感器陣列監(jiān)測(cè)藍(lán)莓果實(shí)病害的方法，樊志平等[3]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，李光林等[4]研制了一種基于太陽(yáng)能的柑桔園自動(dòng)灌溉與土壤含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 張會(huì)霞等[5]利用“3S”技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種柑橘園GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在對(duì)整個(gè)果園環(huán)境多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和綜合管理的研究方面，葉娜等[6]報(bào)道了一種蘋果園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，王新忠等[7]研究了基于無(wú)線傳感的丘陵葡萄園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，楊愛(ài)潔等[8]提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園數(shù)字信息采集與管理系統(tǒng)，王文山等[9]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種果園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外，還有一些學(xué)者的研究則側(cè)重在果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集所涉及的信息通訊技術(shù)，如Raul Morais等[10]報(bào)道了用于葡萄精準(zhǔn)管理的多點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置，岳學(xué)軍等[11]采用GPRS和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，潘鶴立等[12]采用ZigBee和3G/4G技術(shù)研究分布式果園遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，徐興等[13]報(bào)道了山地橘園無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及如何提高監(jiān)測(cè)的有效性。綜上，這些研究工作基本上都是在利用多種信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)果園環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和監(jiān)測(cè)，不同的是使用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)手段有所差異，但他們都對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)多采用私有的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存貯和管理，對(duì)如何把所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行交換和共享則幾乎沒(méi)有涉及。

近年來(lái)如何從技術(shù)角度來(lái)消除“信息孤島”，解決信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題受到很多研究者的關(guān)注，常志國(guó)等[14]提出了一種交通信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)元XML Schema表示模型來(lái)解決交通信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享，潘峰等[15]構(gòu)建了國(guó)家衛(wèi)生數(shù)據(jù)字典XML Schem來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生數(shù)據(jù)的交換與共享，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有學(xué)者開(kāi)展數(shù)據(jù)交換和共享方面的研究，如戴建國(guó)等[16]針對(duì)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)管理報(bào)道了基于 REST 架構(gòu)和XML的農(nóng)情數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究，陳宏等[17]提出了蔬菜種植元數(shù)據(jù)模型信息描述方法。但針對(duì)果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示以及數(shù)據(jù)共享技術(shù)方面的研究幾乎沒(méi)有涉及。

本研究在分析果園環(huán)境數(shù)據(jù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，研究基于XML技術(shù)的果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示技術(shù)，重點(diǎn)解決果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的表示格式，為不同系統(tǒng)之間果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換和共享應(yīng)用提供支撐。

1 材料和方法

1.1 果園環(huán)境數(shù)據(jù)分析

果園環(huán)境是果園中果樹(shù)群體以外的空間，以及直接或間接影響該果樹(shù)群體生存與活動(dòng)的外部條件的總和。果園環(huán)境包括非生物因素和生物因素兩方面，非生物因素是指溫度、光、水分、空氣、土壤、地形、污染等環(huán)境因素;生物因素是指果樹(shù)以外的動(dòng)物、植物、微生物等環(huán)境因素。果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)就是利用技術(shù)手段獲取的各種環(huán)境因子的狀態(tài)數(shù)據(jù)或者特征數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)形態(tài)上來(lái)看，有數(shù)值、字符、圖像、視頻、聲音、矢量等。

果園氣候環(huán)境因子方面，大氣、溫度、光照、水分等氣候因子與果樹(shù)生產(chǎn)有密切的關(guān)系，目前利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可直接采集的數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、光有效輻射、紫外線強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、露點(diǎn)等。

果園土壤環(huán)境因子方面，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段可以采集的數(shù)據(jù)有土壤含水率、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤電導(dǎo)率、土壤溫濕度、土壤重金屬含量、地下水位、土壤鹽分等。其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量是評(píng)價(jià)果園土壤肥力的重要指標(biāo)，也是影響果樹(shù)生長(zhǎng)的重要因素。土壤水分是果樹(shù)吸收水分的主要來(lái)源，土壤濕度過(guò)低時(shí)，果樹(shù)吸水困難，甚至凋萎，但如果土壤濕度過(guò)高，又會(huì)發(fā)生漬害，土壤水分含量影響著果樹(shù)的產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤中重金屬含量影響著果品安全，也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

果園地形環(huán)境因子方面，一般利用遙感技術(shù)和GIS技術(shù)獲取和管理果園的地形起伏、海拔、山脈、坡度、坡向、高度等地貌特征數(shù)據(jù)。

果園生物環(huán)境因子方面，果園病蟲(chóng)害和雜草方面的數(shù)據(jù)更受關(guān)注。近來(lái)利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段自動(dòng)測(cè)報(bào)果園病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)得到研究和應(yīng)用部門重視。伍梅霞等[18]報(bào)道了自動(dòng)蟲(chóng)情測(cè)報(bào)燈在果園有害生物測(cè)報(bào)上的初步應(yīng)用情況。邢東興等[19]利用光譜數(shù)據(jù)定量化測(cè)評(píng)紅蜘蛛蟲(chóng)害對(duì)紅富士蘋果樹(shù)的危害程度。

1.2 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式設(shè)計(jì)方法

果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)不但為果園生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供支撐，同時(shí)也是果品質(zhì)量追溯、果品電子商務(wù)等果園經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源之一，果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)需要在不同管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換和共享?，F(xiàn)有的果園數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)一般采用私有的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯和管理，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式，基于這樣的標(biāo)準(zhǔn)格式，才能在不同系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)交換和共享。

XML（Extensible markup language）是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）開(kāi)發(fā)的用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理的技術(shù)[20]，它以一種開(kāi)放的、自我描述的方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)Schema使XML文檔結(jié)構(gòu)化，并能創(chuàng)建不依賴于平臺(tái)、語(yǔ)言或者格式的共享數(shù)據(jù)。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一些學(xué)者也開(kāi)始采用XML技術(shù)來(lái)研究農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)表示。日本學(xué)者吉田智一[21]提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程管理中的數(shù)據(jù)表示格式FIX-pms，歐洲學(xué)者M(jìn)artini[22]提出了用于農(nóng)業(yè)信息交換的agriXchange格式規(guī)范，Kunisch M[22-23]提出了針對(duì)農(nóng)場(chǎng)的信息表示格式規(guī)范agroXML。本研究也采用XML技術(shù)來(lái)描述果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)。

果園環(huán)境因子眾多，不同果園因管理目的不同，所選擇的采集指標(biāo)也不同，不同采集指標(biāo)的采樣頻率也不盡相同。為了提高果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的通用性，本研究采用可變采集指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)據(jù)表示方法。該方法把果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)文件分為兩個(gè)部分。第一部分用來(lái)定義所選擇的采集指標(biāo)項(xiàng)情況，包括指標(biāo)名稱、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的GPS坐標(biāo)、數(shù)據(jù)采用方法說(shuō)明。第二部分用來(lái)順序存放所采集的數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)中采集指標(biāo)項(xiàng)的次序與第一部分定義的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)相對(duì)應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)格式的Schema

果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)采用XML文件來(lái)存貯，按照可變采集指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)據(jù)表示方法，其XML文件的語(yǔ)法規(guī)則采用Schema文件來(lái)定義。在Schema文件中，按照基本數(shù)據(jù)類型、基礎(chǔ)子元素類型、子元素類型、根等4個(gè)層次，一共定義了43個(gè)元素。Schema文件中各元素之間邏輯關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的根元素是<OrchardEnvironmentData>，它由<Version>、<BeginDate>、<EndDate>、<Orchard>、<FruitVariety>、<RecordingDefinition>、 <RecordSet>這7個(gè)元素組成。版本元素<Version>描述了果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式所采用的XML Schemas版本號(hào)。時(shí)間元素< BeginDate > EndDate >描述果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。<Orchard>元素描述果園名稱和果園ID號(hào)， < FruitVariety>元素描述水果品種名稱、學(xué)名和ID號(hào)。通過(guò)這兩個(gè)元素的ID號(hào)可以把果園的環(huán)境數(shù)據(jù)與其他生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。<RecordingDefinition>元素描述數(shù)據(jù)存貯的結(jié)構(gòu)，是對(duì)具體數(shù)據(jù)記錄存放形式的解釋，由若干個(gè)數(shù)字型、矢量型、圖像型、視頻數(shù)據(jù)型、聲音型、備注型的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)的結(jié)構(gòu)定義組成，支持可變指標(biāo)項(xiàng)的定義，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)的數(shù)量。<RecordSet>元素是實(shí)際采集數(shù)據(jù)的記錄實(shí)體，由順序存放的<Record>元素組成，<Record>元素中的數(shù)據(jù)項(xiàng)和<RecordingDefinition>元素中定義的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)是一一對(duì)應(yīng)的，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項(xiàng)中的<index>元素值來(lái)關(guān)聯(lián)。

2.2 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式實(shí)例

以位于陜西洛川某果園的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，其數(shù)據(jù)采集點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)以及采集數(shù)據(jù)的快照如圖2。各種傳感器采集的果園環(huán)境數(shù)據(jù)由專門系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理，并存貯在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。

根據(jù)Schema文件中所規(guī)定的語(yǔ)法形式，就可以把SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中存貯的果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示成XML格式的數(shù)據(jù)。圖3是所形成的果園采集環(huán)境數(shù)據(jù)XML文件的片段。如圖3所示，在<RecordingDefinition>元素部分，定義了所采集的指標(biāo)項(xiàng)分別是大氣溫度、大氣濕度、降雨量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的土壤溫濕度和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的土壤溫濕度以及光合輻射，這些數(shù)據(jù)都是DataItem型，如果涉及到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)，則在<Coord>元素中定義。在< RecordSet >元素部分，則通過(guò)<Record>元素來(lái)順序存放所采集的數(shù)據(jù)。

2.3 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的應(yīng)用

對(duì)于現(xiàn)有的果園數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用本文所述的果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式，不需要改變其數(shù)據(jù)存貯形式和相應(yīng)的管理程序，只需在此基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，把果園的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式的XML文件，然后通過(guò)webservices技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)共享接口，需要使用這個(gè)果園的環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，只需要調(diào)用這個(gè)數(shù)據(jù)共享接口，就能獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。其應(yīng)用方案的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4，其特點(diǎn)在于不改造原有的果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，僅需通過(guò)新增加一個(gè)數(shù)據(jù)共享接口就能實(shí)現(xiàn)果園環(huán)境數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用。

果園環(huán)境數(shù)據(jù)共享服務(wù)包括3個(gè)接口。GetDataStruct接口返回?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義信息，實(shí)際上就是<RecordingDefinition>元素中的內(nèi)容。GetDataBeginEndDate接口返回已有數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束日期，以圖2所示的實(shí)例為例，其返回開(kāi)始日期是2015-01-01T08：00：00，結(jié)束日期是2015-01-01T15：00：00。GetData接口返回指定起止日期的果園環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)際輸出形如圖3的XML文件。

3 結(jié) ?論

本研究設(shè)計(jì)了一種果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式，并通過(guò)對(duì)某果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的實(shí)際表示，以及在Internet環(huán)境中的共享應(yīng)用，來(lái)驗(yàn)證果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，該格式的設(shè)計(jì)是可行的，并且具有潛在的良好性能：（1）數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)明易用;（2）系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，用戶可以很方便地建立起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的果園環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享系統(tǒng);（3）透明，用戶關(guān)心的事情少，并不需要知道原有果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要了解能提供的服務(wù)。

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