童倩倩, 岳延濱, 李莉婕, 孫長青, 彭志良, 趙澤英,陳維榕,王 虎, 舒 田
(貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所, 貴州 貴陽 550006)
基于GIS觸摸屏施肥推薦查詢系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
童倩倩, 岳延濱, 李莉婕, 孫長青, 彭志良, 趙澤英*,陳維榕,王 虎, 舒 田
(貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所, 貴州 貴陽 550006)
為更好地推廣平衡配套施肥技術(shù),指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥,運(yùn)用GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建觸摸屏推薦施肥模型及其參數(shù)系統(tǒng)。系統(tǒng)由概況、推薦施肥、信息查詢和后臺(tái)管理等模塊組成,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)到耕地單元的農(nóng)作物施肥推薦。該系統(tǒng)在貴州興仁縣、岑鞏縣和從江縣等地的應(yīng)用結(jié)果表明,其實(shí)收單產(chǎn)與系統(tǒng)推薦施肥區(qū)的目標(biāo)產(chǎn)量平均吻合度達(dá)96.99%,為農(nóng)作物的高產(chǎn)高效提供了技術(shù)支撐。
GIS; 觸摸屏; 施肥; 推薦查詢系統(tǒng)
自2005年以來,貴州省開始貫徹落實(shí)“積極推廣平衡配套施肥”的技術(shù)策略,推廣測土配方施肥技術(shù)。但是貴州地形地貌復(fù)雜,土壤類型繁多,土壤養(yǎng)分含量差異大,農(nóng)民的種植技術(shù)參差不齊,加上推廣形式主要為發(fā)放配方施肥卡、開展技術(shù)咨詢和培訓(xùn)等,使得測土配方施肥技術(shù)的推廣存在信息單一、時(shí)效性差、成本高等缺點(diǎn),給大面積的科學(xué)施肥指導(dǎo)帶來極大的不便,制約了測土配方施肥技術(shù)成果的效益發(fā)揮。
基于農(nóng)業(yè)專家知識(shí)和模仿農(nóng)業(yè)專家進(jìn)行推理決策的推薦施肥系統(tǒng),是綜合運(yùn)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技成果,根據(jù)作物生長規(guī)律,需肥情況、土壤養(yǎng)分與肥料效益等,針對具體作物而提出的氮、磷、鉀及其他微肥的施肥比例和施肥技術(shù)[1-4]。作物推薦施肥系統(tǒng)則能有效地根據(jù)當(dāng)?shù)赝练是闆r,指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥且成本較低,信息全面,易于操作。目前,有不少學(xué)者通過設(shè)計(jì),開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對農(nóng)作物種植提供決策咨詢服務(wù)。潘劍君等[5]以江蘇省大豐市為對象研制基于土壤信息系統(tǒng)的水稻施氮量決策。周煉清等[6]基于WebGIS開發(fā)了農(nóng)業(yè)園區(qū)水稻施肥推薦系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了WebGIS的地圖式水稻施肥推薦。高輝等[7]以姜堰市為例,基于Visual Basic 6.0與MapObjects 2.2開發(fā)出縣域水稻精確施肥地理信息系統(tǒng)。 趙澤英等[8]借助GIS技術(shù)與施肥模型理論,研究開發(fā)了針對喀斯特山區(qū)的測土配方施肥決策系統(tǒng)。但這些研究多是基于網(wǎng)絡(luò)或桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持,而適用于農(nóng)戶查詢、操作簡便、通俗易懂的觸摸屏施肥系統(tǒng)報(bào)道較少。為此,筆者利用貴州省第二次土壤普查數(shù)據(jù)、測土配方施肥數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)構(gòu)建觸摸屏推薦施肥系統(tǒng),以期為平衡施肥和農(nóng)作物高產(chǎn)高效提供數(shù)據(jù)支撐。
1.1 系統(tǒng)目標(biāo)
在分析貴州省第二次土壤普查、測土配方施肥數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)貴州主要作物,包括水稻、玉米、油菜和馬鈴薯等生長的生理特征、栽培技術(shù)及管理方法,采用前人已研究的作物推薦施肥模型成果[8-10],運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行集成開發(fā)觸摸屏施肥系統(tǒng)。用戶只需要通過在地圖上點(diǎn)擊任一田間位點(diǎn)(或任一操作單元),就可瀏覽該位點(diǎn)所屬地塊的地理位置、土種、質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH等基本信息,輸入理想的目標(biāo)產(chǎn)量或基礎(chǔ)產(chǎn)量等相應(yīng)信息,系統(tǒng)生成各種施肥方案(信息表),該方案設(shè)置簡單、精煉,方便基層人員查看和操作。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)的聚散和耦合程度,將系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)或功能模塊,該系統(tǒng)的功能模塊包括概況、推薦施肥、信息查詢和后臺(tái)管理等模塊(圖1)。系統(tǒng)主界面包括6個(gè)按鈕,分別是概況、地圖推薦施肥、樣點(diǎn)推薦施肥、測土配方施肥知識(shí)、作物栽培管理知識(shí)和農(nóng)業(yè)技術(shù)課件影像(圖2)。
圖 1 推薦施肥信息系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Fig.1 Functional structure design of the fertilization recommendation information system
圖2 推薦施肥信息系統(tǒng)的界面可視化
Fig.2 Interface visualization of the fertilization recommendation information system
1.3 技術(shù)路線
通過收集整理測土配方土壤采樣和測試數(shù)據(jù)、各種農(nóng)作物種植技術(shù)知識(shí),形成完備的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,結(jié)合使用ArcGIS Desktop創(chuàng)建的離線地圖,通過構(gòu)建完善的主要作物推薦施肥模型,在已搭建好的開發(fā)平臺(tái)上,最終建立推薦施肥信息系統(tǒng)(圖3)。系統(tǒng)通過對地圖、數(shù)據(jù)和推薦施肥模型的管理,形成推薦施肥建議和專題圖等結(jié)果,主要包括數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、模型庫、施肥決策、人機(jī)界面、功能模塊。
圖3 推薦施肥信息系統(tǒng)的技術(shù)路線流程
Fig.3 Technical line process of the fertilization recommendation information system
1.4 開發(fā)平臺(tái)
為了使系統(tǒng)能充分考慮測土配方及施肥配方的計(jì)算需要,保證數(shù)據(jù)的共享性和功能的相互操作性,系統(tǒng)采用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫平臺(tái)、地理信息系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái),可避免因系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、功能接口開發(fā)、以及系統(tǒng)升級擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生不必要的大量維護(hù)工作,保證系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)工具,運(yùn)用C#在.NET平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),使得施肥系統(tǒng)具有比較高的移植性和通用性。同時(shí),系統(tǒng)中離線地圖功能采用 Esri公司提供的嵌入式ArcGIS組件Arcgis Engine 9.3,在.NET環(huán)境中使用地圖接口獲取任意GIS功能的組合來構(gòu)建。實(shí)現(xiàn)地圖控制、空間屬性瀏覽、施肥量計(jì)算、制圖及各種屬性數(shù)據(jù)查詢等。
1.5 空間數(shù)據(jù)庫
設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫時(shí)充分考慮實(shí)際應(yīng)用的需要,全面詳細(xì)地反映推薦施肥應(yīng)用中需要的各種地理空間信息??臻g數(shù)據(jù)庫分矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。其中,矢量數(shù)據(jù)主要包括點(diǎn)圖層的氣候信息,線圖層的水系、道路和地形,面圖層的村級行政區(qū)劃、鎮(zhèn)級行政區(qū)劃、土地利用現(xiàn)狀、土壤類型、土壤養(yǎng)分和推薦施肥管理單元。矢量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)均為Shapefile類型。柵格數(shù)據(jù)主要為遙感影像數(shù)據(jù),分辨率為5 m,數(shù)據(jù)格式為tif格式。
1.6 屬性數(shù)據(jù)庫
應(yīng)用UML數(shù)據(jù)庫建模映射技術(shù)分析,采用Microsoft Office Access建立屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)表格有推薦施肥及相關(guān)參數(shù)表、土種數(shù)據(jù)庫、肥料種類數(shù)據(jù)庫、作物施肥技術(shù)、商品肥料數(shù)據(jù)庫、肥料施用技術(shù)、土壤養(yǎng)分、作物屬性、養(yǎng)分校正系數(shù)和肥料利用系數(shù)等。屬性數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的相關(guān)參數(shù)包括使用模型、推薦作物、施肥種類和施肥量等。
2.1 推薦施肥
系統(tǒng)的主要功能是精確到地塊的推薦施肥,包括地圖推薦施肥和樣點(diǎn)推薦施肥2種查詢方式。地圖推薦施肥可以通過地圖導(dǎo)航功能(包括放大、縮小、全圖和漫游等)對地塊進(jìn)行查找選擇,系統(tǒng)能自動(dòng)查詢選擇地塊的地理位置、土壤類型和養(yǎng)分含量等基礎(chǔ)信息,用戶只需簡單的填寫作物類型、目標(biāo)產(chǎn)量,便可查詢到相關(guān)的推薦施肥方案(圖4)。
圖4 地圖推薦施肥的可視化界面
樣點(diǎn)推薦施肥與地圖推薦施肥不同的是可通過村名、農(nóng)戶、地塊名稱的選擇確定需要查看的地塊,為不熟悉地圖方位的用戶提供便利。用戶可通過選擇縣市名稱、鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱、村名稱、農(nóng)戶名稱、地塊名稱及統(tǒng)一編號(hào)等指定具體的地塊,系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入該田塊面積、土種名稱、土壤采樣時(shí)間及養(yǎng)分測試值等,然后點(diǎn)擊計(jì)算施肥量按鈕,即可得施肥量的推薦(圖5)。
圖5 樣點(diǎn)推薦施肥的可視化界面
Fig.5 Visual interface for sampling point recommendation fertilization
2.2 信息查詢
系統(tǒng)信息查詢功能實(shí)現(xiàn)了土種資源數(shù)據(jù)、測土配方施肥相關(guān)知識(shí)、主要常見農(nóng)作物栽培管理知識(shí)查詢以及農(nóng)業(yè)技術(shù)影像課件播放(圖6-8)。土種資源數(shù)據(jù)主要是耕地土壤的權(quán)屬單位、耕層土壤理化性狀、地形地貌、海拔、有效積溫和年降雨量等;測土配方施肥知識(shí)包括缺素癥狀、測土配方施肥知識(shí)和肥料知識(shí)3部分內(nèi)容,主要介紹常見作物缺素癥狀以及常見肥料的品種特性、施用方法及注意事項(xiàng)等;作物栽培管理知識(shí)包括水稻、玉米、油菜、馬鈴薯、烤煙、蔬菜、柑橘等常見作物的優(yōu)良品種、栽培技術(shù)、管理技術(shù)以及病蟲害防治技術(shù)等;農(nóng)業(yè)技術(shù)影像課件包括作物的栽培、病蟲防治等與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的視頻。
圖6 測土配方施肥知識(shí)的可視化界面
Fig.6 Visual interface for knowledge of testing soil for formulated fertilization
圖7 作物栽培管理知識(shí)的可視化界面
Fig.7 Visual interface for knowledge of crop cultivation management
圖8 農(nóng)業(yè)技術(shù)影像課件的可視化界面
Fig.8 Visual interface for agricultural technological video courseware
2.3 后臺(tái)管理
系統(tǒng)后臺(tái)管理主要用于維護(hù)和更新技術(shù)資料數(shù)據(jù)庫,管理員可以在后臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、更改或刪除操作。用戶可以根據(jù)施肥試驗(yàn)結(jié)果對施肥參數(shù),包括作物每100 kg產(chǎn)量的氮吸收量、常年目標(biāo)產(chǎn)量、肥料當(dāng)季利用率、肥料中有效養(yǎng)分含量、基礎(chǔ)含量區(qū)間、農(nóng)作物、農(nóng)作物空白產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量對應(yīng)函數(shù)、農(nóng)作物肥料分配運(yùn)籌、農(nóng)作物前3年平均目標(biāo)產(chǎn)量、土壤肥力對應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)量、土壤有效養(yǎng)分含量水平、土壤養(yǎng)分豐缺調(diào)整系數(shù)、土壤有效養(yǎng)分校正系統(tǒng)、效應(yīng)函數(shù)法和養(yǎng)分豐缺指標(biāo)校正結(jié)果等進(jìn)行修改調(diào)整。
目前,已在興仁、岑鞏和從江等51個(gè)縣的農(nóng)業(yè)局服務(wù)大廳或肥料企業(yè)安裝全縣(市、區(qū))的觸摸屏施肥推薦查詢系統(tǒng)72套。在冊亨、施秉、平壩、盤、息烽、思南、金沙、羅甸和習(xí)水等59個(gè)縣(市、區(qū))的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政務(wù)服務(wù)大廳、肥料銷售點(diǎn)、園區(qū)展示中心等地安裝鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、園區(qū)區(qū)域范圍觸摸屏施肥推薦查詢系統(tǒng)共計(jì)360套。共計(jì)推廣應(yīng)用觸摸屏施肥推薦查詢系統(tǒng)432套,累計(jì)推廣耕地面積達(dá)到18.13萬hm2,推廣應(yīng)用地點(diǎn)分布于貴州省各個(gè)區(qū)域,包含了不同耕地土壤類型,不同耕地地力等級。通過對示范點(diǎn)抽樣進(jìn)行田間測產(chǎn),結(jié)果表明,在中等肥力的水稻同田對比試驗(yàn)區(qū),水稻品種為遵優(yōu)3號(hào),系統(tǒng)推薦施肥目標(biāo)產(chǎn)量為600 kg/667m2,實(shí)收單產(chǎn)為599.4 kg/667m2,與系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)量吻合度為99.9%;在中等肥力玉米同田對比試驗(yàn)區(qū),品種為金玉818,系統(tǒng)推薦施肥目標(biāo)產(chǎn)量為590 kg/667m2,玉米單產(chǎn)為583.0 kg/667m2,與系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)量吻合度為98.8%;在中等肥力的馬鈴薯示范田,系統(tǒng)推薦施肥區(qū)目標(biāo)產(chǎn)量2 000 kg/667m2,實(shí)收單產(chǎn)為2 126.2 kg/667m2,吻合度為94.1%;在中上等肥力的油菜示范田,系統(tǒng)推薦施肥區(qū)目標(biāo)產(chǎn)量為180 kg/667m2,實(shí)收單產(chǎn)171.3 kg/667m2,吻合度為95.17%。系統(tǒng)的應(yīng)用為作物高產(chǎn)高效提供了有效的技術(shù)支撐。
觸摸屏作為農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣信息查詢的有效使用工具,具有反應(yīng)速度快、堅(jiān)固耐用、節(jié)省空間、操作簡便、通俗易懂等優(yōu)點(diǎn),特別適合基層農(nóng)技人員和農(nóng)戶操作使用?;贕IS以觸摸屏為載體開發(fā)的施肥系統(tǒng)把圖形管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來,從而克服圖形系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫各自的局限性,使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)并增強(qiáng)了應(yīng)用性,為解決科學(xué)施肥技術(shù)傳播提供了一個(gè)有效工具,農(nóng)戶可以更加容易地獲取推薦施肥方案。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對地塊的精準(zhǔn)推薦施肥和信息查詢功能,還能宣傳、推廣測土配方施肥技術(shù)與知識(shí),將農(nóng)業(yè)信息技術(shù)引入到施肥中,能為農(nóng)民提供種植施肥管理的決策與咨詢,提高基層農(nóng)技人員的專業(yè)技術(shù)水平,為生產(chǎn)管理部門提供宏觀決策,提高其管理水平。
[1] 董 博,江 晶,張東偉,等.甘肅省測土配方施肥推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技,2014(10):19-20.
[2] 李 亮,陳 勇,范先鵬,等.江漢平原主要農(nóng)作物施肥推薦專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,51(17):3852-3854.
[3] 朱梅梅,林思伽,朱春曉.觸摸屏式施肥專家系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2014(1):66-67.
[4] 袁春新,郭建華,魏亞鳳,等.農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)及其在水稻栽培中的應(yīng)用[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2003,16(4):130-133.
[5] 潘劍君,房世波,孫維俠.利用土壤信息系統(tǒng)進(jìn)行水稻施氮量決策初探——以江蘇省大豐市為例[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,23(3):53-56.
[6] 周煉清,史 舟,王 珂,等.基于WebGIS的農(nóng)業(yè)園區(qū)水稻施肥推薦系統(tǒng)的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2005,31(2):175-179.
[7] 高 輝,邢 琳,仲曉春,等.縣域水稻精確施肥地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)——以姜堰市為例[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(26):187-192.
[8] 趙澤英,彭志良,高 雪,等.喀斯特山區(qū)測土配方施肥決策系統(tǒng)開發(fā)研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(7):229-23.
[9] 趙澤英,彭志良.貴州玉米生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)中推薦施肥模型與參數(shù)系統(tǒng)初步研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,32(3):24-27.
[10] 趙澤英,彭志良,李莉婕.茄果類蔬菜專家系統(tǒng)中推薦施肥模型與參數(shù)的確定[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(4):189-191.
(責(zé)任編輯: 孫小嵐)
Development and Application of the Touch-screen Fertilization Recommendation Enquiry System Based on GIS
Tong Qianqian, YUE Yanbin, LI Lijie, SUN Changqing, PENG Zhiliang, ZHAO Zeying*, CHEN Weirong, WANG Hu, SHU Tian
(GuizhouInstituteofAgriculturalScienceandTechnologyInformation,Guiyang,Guizhou550006,China)
The touch-screen fertilization recommendation model and parameter system were established based on GIS and database technology to preferably popularize the balancing systematic fertilizing technique and guide scientific fertilization for farmers. The system consists of general situation, recommended fertilization, information enquiry and back-stage management, which can realize crops fertilization recommendation with the advantage of accurate farmland unit. The application results from Xingren, Cengong and Congjiang County show that the average fitness between actual per unit area yield and the target yield in the fertilization area recommended by the system reaches 96.99%. In conclusion, the touch-screen fertilization recommendation enquiry system can provide the technological support for high yield and high efficiency of crops.
GIS; touch-screen; fertilization; recommendation enquiry system
2015-12-25; 2016-04-29修回
貴州省科技計(jì)劃 “貴州數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)研究創(chuàng)新能力建設(shè)”[黔科合院所創(chuàng)能(2011)4001] ;貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院專項(xiàng)“測土配方施肥專家系統(tǒng)簡化開發(fā)與應(yīng)用” [黔農(nóng)科院專項(xiàng)(2010)040]
童倩倩(1986-),女,助理研究員,從事農(nóng)業(yè)信息與“3S”技術(shù)研究。E-mail: 172899499@qq.com。
*通訊作者:趙澤英(1975-),男,研究員,從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E-mail: 605538133@qq.com
1001-3601(2016)05-0226-0152-04
S126
A
農(nóng)業(yè)信息·農(nóng)業(yè)工程·資源環(huán)境
Agricultural Information and Technology·Agricultural Engineering·Resource and Environment