李衛(wèi)寧 阮紅群 Norriza Hussin 黃鳳仙

（1.桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001；2.南寧市土地開墾整理中心，廣西 南寧 530001；3.SEGi University，Selangor，Malaysia，47810）

農(nóng)業(yè)是世界上最古老的產(chǎn)業(yè)之一，約在一萬年前，農(nóng)業(yè)已在中國產(chǎn)生了［1］。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)和信息技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、來源廣泛等特點，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)使用和管理的不足［2］。地理信息系統(tǒng)（GIS）產(chǎn)生于20 世紀(jì)60 年代的加拿大，該系統(tǒng)初期是用于地質(zhì)數(shù)據(jù)的圖形顯示［3］。GIS 技術(shù)自20世紀(jì)70年代后期到至今，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已有40 多年的歷史［4］，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)病蟲害防治［5］、農(nóng)產(chǎn)品估產(chǎn)［6］、農(nóng)業(yè)區(qū)劃［7］、農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測與治理［8］等?？臻g數(shù)據(jù)庫是存儲在計算機(jī)物理存儲介質(zhì)里一系列描述與實體空間特征相關(guān)的數(shù)據(jù)（空間數(shù)據(jù)）集合，描述現(xiàn)實世界中空間實體的空間特征（點、線、面實體的空間維度分布）和屬性特征［9］。從功能角度出發(fā)，空間數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢在于其不僅具備傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲和管理數(shù)據(jù)的功能，而且支持復(fù)雜對象的數(shù)據(jù)模型，滿足了多源數(shù)據(jù)（GIS、GPS、RS）的存儲、管理和可視化的需求，其在地圖制圖、區(qū)域規(guī)劃、空間可視化、資源調(diào)查、農(nóng)林等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用［10］。將空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理是對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)空間化管理和可視化表達(dá)的一種嘗試。

1 研究區(qū)域概況及引入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的必要性

以廣西壯族自治區(qū)容縣大容山內(nèi)為對象進(jìn)行研究，大容山屬亞熱帶氣候區(qū)，地表破碎程度較高，地塊以小塊分布的農(nóng)田為主，降雨量豐富且年均積溫較高，適宜從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動［11］。從數(shù)據(jù)管理的角度出發(fā)，建立農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫具有一定的必要性：一是空間數(shù)據(jù)庫具有良好的空間位置特征表達(dá)能力和空間自相關(guān)性描述能力。研究區(qū)的地塊因自然因素存在著以下特征：各地塊面積值差異化明顯且存在較多面積較小的地塊（據(jù)統(tǒng)計面積最大的地塊約為0.2hm2，最小的地塊僅為0.02hm2），同一農(nóng)戶所擁有的不同地塊分布較分散。傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫無法實現(xiàn)地塊的空間位置表達(dá)，對于空間數(shù)據(jù)的存儲局限性較大，而借助空間數(shù)據(jù)庫則能實現(xiàn)地塊空間位置和空間關(guān)系的存儲，例如通過繪制地塊的分布地圖可實現(xiàn)地塊的精確定位及地塊之間相對位置關(guān)系的建立。二是農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量龐大、來源廣泛、類型繁多的特點，據(jù)統(tǒng)計大容山基地每天記錄的數(shù)據(jù)約為1000 條，來源于生產(chǎn)、市場、客戶等方面，數(shù)據(jù)繁雜。傳統(tǒng)的文件管理模式存在效率低下、數(shù)據(jù)安全性低等問題，而引入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的存儲和有序管理可有效解決該問題。三是通過建立空間數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)地塊的位置信息和生產(chǎn)信息的相互連接，例如可以快速了解某個地塊所種植的作物種類和產(chǎn)量信息，方便用戶掌握生產(chǎn)情況，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理效率和信息化表達(dá)水平。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 設(shè)計原則

此空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類，包括基地地圖、記錄數(shù)據(jù)、統(tǒng)計圖表等?？臻g數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型繁多、來源廣泛、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，為更好的滿足用戶對于數(shù)據(jù)存儲使用的需求，其設(shè)計應(yīng)遵循下列準(zhǔn)則：

2.1 科學(xué)性

數(shù)據(jù)庫建庫應(yīng)在科學(xué)決策思維的指導(dǎo)下，遵循科學(xué)建庫的原則，按照數(shù)據(jù)庫建庫的流程和方法建立。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，數(shù)據(jù)采集方式應(yīng)科學(xué)有效［12］。

2.2 規(guī)范性

為滿足數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)庫建立流程應(yīng)遵循規(guī)范，數(shù)據(jù)格式應(yīng)遵循規(guī)范，數(shù)據(jù)采集方式應(yīng)遵循規(guī)范。

2.3 共享性

此數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)面向所有用戶，用戶可在權(quán)限范圍對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2.4 安全性

應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，防止數(shù)據(jù)因人為或意外因素丟失、泄露、破壞等［13］。

2.5 實用性

數(shù)據(jù)庫的功能應(yīng)滿足用戶的需求，同時滿足可靠性高、性能高、成本低。數(shù)據(jù)庫應(yīng)滿足高可移植性、易擴(kuò)容性、高備份性，便于數(shù)據(jù)庫的遷移、擴(kuò)展和數(shù)據(jù)恢復(fù)［14］。

3 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源可按照以下標(biāo)準(zhǔn)分類：

3.1 按內(nèi)容分類

基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)：研究區(qū)的地形、道路、農(nóng)田、衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括天氣、種子數(shù)量、肥料數(shù)量等。

3.2 按數(shù)據(jù)類型分類

空間數(shù)據(jù)：包括矢量數(shù)據(jù)（點，線，面狀要素類數(shù)據(jù)）和柵格數(shù)據(jù)，其中矢量數(shù)據(jù)采用ArcGIS 的shp 格式，柵格數(shù)據(jù)采用img格式。非空間數(shù)據(jù)：包括文檔數(shù)據(jù)和表格數(shù)據(jù)。

4 農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫的分層設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢之一就是對其存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層設(shè)計，按不同數(shù)據(jù)類型的特點進(jìn)行管理和處理。在本研究的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，數(shù)據(jù)由空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)兩類構(gòu)成?？臻g數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，用來描述大容山農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地中與空間位置有關(guān)的地物。非空間數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用于描述數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動。數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)應(yīng)采用統(tǒng)一的空間參考系，便于數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)和空間疊加［15］，本研究采用WGS84為空間參考系，具體情況如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫分層設(shè)計圖

4.1.1 空間數(shù)據(jù) 柵格數(shù)據(jù)：柵格數(shù)據(jù)由研究區(qū)的高分遙感影像和DEM 組成，柵格數(shù)據(jù)的入庫包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、柵格數(shù)據(jù)集的創(chuàng)立、數(shù)據(jù)導(dǎo)入等流程［16］。

矢量數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)即經(jīng)外業(yè)測量或內(nèi)業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)的研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、道路等地物，分為點、線、面三類［17］。矢量數(shù)據(jù)除了空間特征之外還要屬性特征，即空間數(shù)據(jù)的描述數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)將以關(guān)系數(shù)據(jù)庫的形式存儲。

4.1.2 非空間數(shù)據(jù) 非空間數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)即與空間數(shù)據(jù)相對應(yīng)的描述數(shù)據(jù)，如農(nóng)田的編號、道路的名稱等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)即在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如作物生長狀態(tài)、種子的用量，肥料的用量，產(chǎn)量，氣象數(shù)據(jù)等。這類數(shù)據(jù)將單獨輸入數(shù)據(jù)庫存儲為屬性文件，通過關(guān)鍵字與圖形數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。本空間數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

4.2 空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分為矢量數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集、元數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)等［18］，其中矢量數(shù)據(jù)集包括行政區(qū)劃、道路、河流、農(nóng)田界線、村莊等；柵格數(shù)據(jù)集包括DOM、衛(wèi)星影像等。本研究的空間數(shù)據(jù)庫引擎采用ESRI 的ARCSDE，ARCSDE 的數(shù)據(jù)存儲是通過層表（LayerTable）、商業(yè)表（BusinessTable）、特征表（FeatureTable）及索引表（SpatialIndexTable）實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲和管理，同時為了實現(xiàn)從空間到屬性再從屬性到空間的雙向操作。ARCSDE 是通過空間數(shù)據(jù)表與屬性數(shù)據(jù)表中的公共標(biāo)識符來實現(xiàn)二者的聯(lián)系［19］，本研究中空間數(shù)據(jù)的最基本組成單元是農(nóng)田。在ARCSDE中農(nóng)田的結(jié)構(gòu)存儲圖如圖4所示：

圖4 農(nóng)田數(shù)據(jù)ARCSDE存儲圖

農(nóng)田與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中的表格如農(nóng)田種植狀態(tài)表、產(chǎn)量表通過關(guān)鍵字進(jìn)行鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和使用。同時通過關(guān)鍵字的鏈接，可以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫和地圖關(guān)聯(lián)，將數(shù)據(jù)庫中的記錄顯示在地圖上，增加數(shù)據(jù)的直觀性。農(nóng)田與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的連接如圖5所示：

圖5 農(nóng)田數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)連接圖

4.3 非空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

此空間數(shù)據(jù)庫的非空間數(shù)據(jù)選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲、管理［20］。屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計遵循關(guān)系型數(shù)據(jù)的設(shè)計步驟，分為用戶需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計。用戶需求分析即明確用戶對于農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的用途和功能要求，文章主要采用座談法和案例研究法確定用戶需求。概念設(shè)計即通過分析用戶需求將現(xiàn)實世界映射在信息世界中并形成E-R圖，在E-R圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯設(shè)計即將ER 圖進(jìn)行優(yōu)化組合并轉(zhuǎn)化為DBMS 支持的邏輯結(jié)構(gòu)，物理設(shè)計即在邏輯設(shè)計在基礎(chǔ)上建立符合用戶性能要求的物理數(shù)據(jù)庫［21］。本研究的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用微軟的SQL SERVER。

5 數(shù)據(jù)庫功能設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫

基于上述的數(shù)據(jù)庫設(shè)計的內(nèi)容及用戶需求，基于ARCSDE 的農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫包括的功能如下：（1）基礎(chǔ)地圖操作；（2）空間數(shù)據(jù)的屬性操作；（3）圖件輸出；（4）鏈接農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)地圖操作：農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫提供了對地圖數(shù)據(jù)的常規(guī)操作，包括地圖的放大、縮小、平移、量測、鷹眼等操作。通過點擊工具欄上的可實現(xiàn)地圖的放大、縮小和平移，通過工具實現(xiàn)距離的量測。

（2）空間數(shù)據(jù)庫的屬性操作：空間數(shù)據(jù)庫的屬性操作包括地塊的屬性查詢和屬性表的操作。屬性查詢通過對象識別工具實現(xiàn)，單擊目標(biāo)地塊即可調(diào)用屬性窗口顯示目標(biāo)地塊的屬性信息。屬性表的操作包括屬性信息的錄入與修改、屬性字段的添加、按屬性選擇、屬性信息的導(dǎo)出與打印等操作，具體情況如圖7所示。

圖7 空間數(shù)據(jù)的屬性操作

（3）圖件輸出：在布局視圖中將空間數(shù)據(jù)庫里的地圖數(shù)據(jù)按照制圖規(guī)范輸出成規(guī)范化的地圖，可進(jìn)行展示和打印。

（4）鏈接農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)：此功能實現(xiàn)將空間數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中的非空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并在地圖上顯示所關(guān)聯(lián)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。此功能以地塊為信息載體，根據(jù)用戶需求，點擊地塊即可顯示此地塊所種植的作物及作物生長信息，它是通過空間數(shù)據(jù)表與屬性數(shù)據(jù)表中的公共標(biāo)識符即數(shù)據(jù)庫中的關(guān)鍵字實現(xiàn)兩者的聯(lián)系。本數(shù)據(jù)庫中所選用的公共標(biāo)識符為地塊編號這一字段，其具有唯一性且在空間數(shù)據(jù)庫和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中均為各表格的關(guān)鍵字，具體情況如圖8所示。

圖8 鏈接農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫

5.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲與管理

此功能實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的錄入、刪除、查詢、統(tǒng)計、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。用戶通過點擊相應(yīng)的功能按鈕可快速實現(xiàn)上述功能，具體情況如圖9所示。

圖9 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的存儲與管理

6 結(jié)論

本研究以廣西容縣大容山農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地為研究對象，探討了基于ARCSDE 的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建立，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，探討了不同類型數(shù)據(jù)分層存儲與管理模式。本研究的數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)兩大類，并存儲于ARCSDE 中，非空間數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，同時從面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的角度出發(fā)探討了農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的功能。實踐證明，農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的建立實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的有序存儲、管理和應(yīng)用，同時具備空間數(shù)據(jù)操作模塊，如地塊的精確定位與地塊間空間相關(guān)性的顯示、地塊與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)了地塊信息的精確查找，各地塊的作物種植和生長情況反饋等功能，增強了數(shù)據(jù)的可操作性和提高了農(nóng)業(yè)管理的信息化水平。經(jīng)實踐，農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的建立與使用實現(xiàn)了大容山農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地歷史數(shù)據(jù)的整理、存儲和管理，對于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的保存與使用提供全新的思路。農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的運營與使用極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的效率，據(jù)統(tǒng)計在使用農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫后，基地的生產(chǎn)效率提高了約15%，同時實現(xiàn)了生產(chǎn)資料的統(tǒng)一調(diào)度和人力成本的節(jié)約高效利用。綜上所述，農(nóng)業(yè)空間數(shù)據(jù)庫的建立對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營具有積極的促進(jìn)意義，也為基于GIS 的農(nóng)業(yè)管理信息系統(tǒng)的建立提供了數(shù)據(jù)支撐。