基于Web的GIS/CCSODS/ES系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 潔，鄧永卓，楊靖峰，王姝逸

（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,天津 300061）

農(nóng)業(yè)智能決策技術(shù)特別是專家系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已日趨成熟，并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供實施方案。而地理信息系統(tǒng)可以對多種來源的時空數(shù)據(jù)進行綜合處理，管理農(nóng)業(yè)資源，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策和咨詢服務(wù)。模擬模型建立了一系列作物生長發(fā)育、光合生產(chǎn)與產(chǎn)量形成的模擬模型與作物高產(chǎn)、高效栽培的優(yōu)化模型，具有動態(tài)預(yù)測功能。將三者結(jié)合起來，首先可以使專家系統(tǒng)決策過程中融入地理信息空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)的分析結(jié)果，提高專家系統(tǒng)決策結(jié)果的針對性；其次專家系統(tǒng)可通過事實編輯模塊調(diào)用和使用用戶不易提供的模擬模型的預(yù)測結(jié)果，作為專家系統(tǒng)進行推理決策并制定調(diào)控措施的依據(jù)，提高專家系統(tǒng)決策結(jié)果的精確性；第三通過地理信息系統(tǒng)發(fā)布專家系統(tǒng)的決策結(jié)果，既可以提供用戶可視化的查詢功能，又可以提供用戶智能推理決策結(jié)果，可提高專家系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計的重點是確定系統(tǒng)的邏輯、物理和功能結(jié)構(gòu)，制定系統(tǒng)的建設(shè)框架。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

GIS空間數(shù)據(jù)庫不同于普通數(shù)據(jù)庫，主要由兩部分構(gòu)成。一部分是用于儲存空間關(guān)系的空間信息，另一部分是儲存位置、屬性以及拓撲關(guān)系的屬性信息。因此，它除了需要完成常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所必備的功能之外，還需要提供特定的針對空間數(shù)據(jù)的管理功能。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)進行分類，形成專題數(shù)據(jù)，包括：基礎(chǔ)地理信息、土壤資源與水資源信息、氣候資源信息、農(nóng)村經(jīng)濟信息及作物資源信息。所有這些專題資料將統(tǒng)一構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計包括概念設(shè)計、邏輯設(shè)計、存儲設(shè)計等。

1.2.2 邏輯設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)的概念結(jié)構(gòu)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計。邏輯設(shè)計包括表設(shè)計、列設(shè)計、索引設(shè)計、數(shù)據(jù)字典設(shè)計和視圖設(shè)計。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計要確保數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理，減少數(shù)據(jù)存放冗余。

——基礎(chǔ)地理

包括政區(qū)、居民地、居民點、公路、鐵路、火車站、鐵路橋、雙線河、單線河、湖泊水庫、水渠、水閘、池塘、等高線、經(jīng)緯網(wǎng)、公里網(wǎng)、地貌、植被、淤泥、鹽田、地類界、堤防等。

——土壤與水資源信息

包括土壤質(zhì)地、土壤類型、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤鹽漬化程度、耕層微量元素（錳、硼、鋅）分布、地下水等水位、地下水化學(xué)類型、地下水礦化度、地下水埋藏深度等。

——氣象信息

包括光照、溫度、降水、積溫、大風(fēng)日數(shù)等。

——水利信息

包括地下水資源狀況、河道、閘壩、水庫、機井等。

——作物生產(chǎn)信息

包括作物品種、作物分布、作物產(chǎn)量、面積等。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計

對數(shù)據(jù)庫進行概念設(shè)計、邏輯設(shè)計后，在計算機物理存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)組織形式。

2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)是以PAID平臺為核心，集成WebGIS與稻、麥模擬優(yōu)化模型，形成智能化的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)面向用戶為農(nóng)業(yè)管理部門、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員以及廣大農(nóng)村種植業(yè)戶，因此，系統(tǒng)功能在設(shè)置上既要體現(xiàn)界面友好、內(nèi)容豐富、易用，又要體現(xiàn)出系統(tǒng)強大的查詢、檢索及分析等各項功能。

2.1.1 信息顯示

——信息標注：對每一個圖層的重要屬性信息進行文字標注，例如河流名稱、居民地名稱、氣象信息等。

——經(jīng)緯度顯示：隨著光標在地圖上的移動，在界面底部可連續(xù)顯示光標所在地點的經(jīng)緯度情況。

——鷹眼功能：在界面左上端的地圖全景圖中，可顯示當前放大或圖層在地圖全圖中所處的位置。

2.1.2 圖層控制功能

——設(shè)置活動圖層：任意選擇一個圖層，進行圖層內(nèi)容顯示。

——圖層放大、縮小、全景顯示：對圖層某一部分圖形進行任意放大、縮小、全景顯示，以便清楚了解所要查看部分的詳細信息。

——圖層漫游：通過拖動地圖對圖層各部分進行瀏覽。

——圖層顯示與隱藏：通過設(shè)定比例閾值實現(xiàn)在一定比例范圍內(nèi)顯示，即在以縮放形式顯示某區(qū)域時，系統(tǒng)將每個主題的比例尺閾值與顯示比例尺檢查對比，以確定在何種比例尺時該顯示哪些主題，這樣有助于確保地圖的清晰性和可讀性。

2.1.3 圖層信息瀏覽 查詢功能

——目標定位：選擇要查詢要素。

——空間信息查詢：選取查詢工具，點擊待查詢空間要素，通過數(shù)據(jù)庫檢索，可顯示當前所有符合條件要素的空間信息、屬性信息等。

——屬性信息查詢：通過輸入所要查詢內(nèi)容，進行數(shù)據(jù)庫檢索，將符合條件的記錄顯示在界面右端，選擇任意記錄在界面中高亮顯示所查詢記錄。

——組合條件查詢檢索：通過對所查信息的字段名稱、查詢運算類型以及數(shù)值范圍進行標注，可進行詳細的查詢。

2.1.4 圖表統(tǒng)計 分析功能

——按地區(qū)顯示：查詢的氣象信息內(nèi)容，按照天津市各區(qū)縣分類，顯示查詢內(nèi)容的柱狀圖。

——按時間顯示：對查詢的氣象信息，按照各個月份值顯示柱狀圖。

2.2 智能決策

依據(jù)小麥、玉米、水稻、黃瓜專家系統(tǒng)各模塊的事實數(shù)據(jù)，遠程用戶通過地理信息系統(tǒng)進行空間定位，將土壤、氣象等屬性數(shù)據(jù)代入專家系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫中，由推理機調(diào)用其信息，結(jié)合用戶輸入的作物生長信息，通過網(wǎng)絡(luò)作出作物管理實施方案。

2.2.1 查詢分析

系統(tǒng)具有多種形式的查詢和檢索功能，并以圖件、表格或其它形式輸出查詢結(jié)果，查詢方式包括：

——點位查詢：利用交互方式通過光標指定位置，查詢相應(yīng)地理位置的信息。

——范圍查詢：利用交互方式通過給定范圍（如縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、地塊或圖幅），查詢該范圍內(nèi)的有關(guān)信息。

——專題查詢：可按不同的專題（作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分、經(jīng)濟情況等）進行分類查詢。

——邏輯條件查詢：根據(jù)用戶給定的一個或多個條件，查詢與該條件有關(guān)的屬性信息，同時在地圖上標注出符合條件的區(qū)域。

2.2.2 統(tǒng)計分析

利用GIS技術(shù)，結(jié)合要素空間分布圖，對各種資源分布等情況進行統(tǒng)計與分析，包括面積量算、范圍統(tǒng)計、類別統(tǒng)計、對比統(tǒng)計及分析計算等功能。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用國際流行的基于Internet的Browser/Server/Database三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以后臺數(shù)據(jù)庫管理為核心，在Web服務(wù)器掛接服務(wù)構(gòu)件以及GIS組件，通過前臺瀏覽器管理和運行，客戶端采用HTML Viewer thin clients。

2.3.1 應(yīng)用服務(wù)器

主要提供電子地圖的發(fā)布、查詢、分析等圖形服務(wù)，并以文件形式保存和管理農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)。它基于WebGIS構(gòu)建，相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)也可從此獲取。

2.3.2 Web服務(wù)器

它以主頁的方式向用戶提供信息。采用動態(tài)主頁技術(shù)和Java技術(shù)，將ArcXML轉(zhuǎn)換成HTML語言。

2.3.3 客戶機

采用瘦客戶機系統(tǒng)，用戶可通過瀏覽器實現(xiàn)靈活的交互，以獲得各種有用的信息。

2.4 系統(tǒng)開發(fā)平臺

系統(tǒng)開發(fā)平臺可分為專業(yè)開發(fā)平臺和一般開發(fā)平臺，專業(yè)開發(fā)平臺包括農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)平臺PAID3.0，地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺和模擬優(yōu)化決策模型CCSODS。

2.4.1 PAID農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)工具

專家系統(tǒng)開發(fā)平臺PAID （Platform for Agricultural Intelligence-system Development）采用國際上主流的計算機技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)研制而成，提供了網(wǎng)絡(luò)化、構(gòu)件化農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具，具有技術(shù)先進、功能豐富、結(jié)構(gòu)規(guī)范、界面友好、易學(xué)實用等突出特點。該平臺實現(xiàn)了系統(tǒng)管理、知識規(guī)則維護、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢和幫助六大功能模塊。

2.4.2 地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺

本系統(tǒng)利用組件式GIS技術(shù)，基于目前國際流行的GIS軟件組件—ESRI公司的ArcInfo與ArcIMS，采用基于對象的可視化開發(fā)工具JavaScript環(huán)境下進行集成開發(fā)。ArcInfo為ArcGIS桌面軟件之一，是一個一體化的高級的GIS應(yīng)用，可完成包括制圖、數(shù)據(jù)管理、地理分析和空間處理，還包括與Internet地圖和服務(wù)的整合、地理編碼、動態(tài)投影、元數(shù)據(jù)管理和基于向?qū)У慕孛婧蛯?0種數(shù)據(jù)格式的支持。ArcIMS是一個基于Internet的GIS，允許建立大范圍的GIS地圖、數(shù)據(jù)和應(yīng)用，并將這些結(jié)果提供給組織內(nèi)部或Internet上的廣大用戶，ArcIMS運行在一個分布式的環(huán)境中，包括了客戶端和服務(wù)器端兩方面技術(shù)，它擴展了普通站點，使其能夠提供GIS數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)。

2.4.3 稻、麥模擬優(yōu)化模型開發(fā)系統(tǒng)

從江蘇省農(nóng)科院引進的模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)是將作物模擬模型、作物栽培的優(yōu)化原理以及當?shù)貙＜医?jīng)驗三者相結(jié)合，采用Visual Basic、Excell、FoxProw等語言編寫，系統(tǒng)具有良好的可視性、靈活性及方便性，利用模型和各地的氣候資料可以明確反映不同類型稻、麥品種在各地的生育期、光合生產(chǎn)、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的變化規(guī)律。

2.4.4 一般開發(fā)平臺

選用目前較為通用的ASP、VB、VBScript和JavaScript等開發(fā)工具。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)通過后臺數(shù)據(jù)庫的相互調(diào)用來實現(xiàn)GIS、CCSODS 與專家系統(tǒng)（ES）的結(jié)合，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化查詢、動態(tài)預(yù)測與智能決策功能。

3.1 CCSODS與ES集成技術(shù)的實現(xiàn)

專家系統(tǒng)品種資料數(shù)據(jù)庫包括的一些植物學(xué)特征：株高（cm）、葉片數(shù)、株型、百(千)粒重（g）；生育特性：葉面積指數(shù)（LAI）、生育時期等數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、類型均建立在事實表中，在專家系統(tǒng)運行時可從事實編輯模塊中直接填寫數(shù)據(jù)或調(diào)用數(shù)據(jù)庫，但由于上述數(shù)據(jù)多為動態(tài)數(shù)據(jù)，實時性較強，只能從一些監(jiān)測點獲取，使廣大農(nóng)民的咨詢使用受到限制。因此，將CCSODS的模擬結(jié)果存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫的tempdata等數(shù)據(jù)表中，從事實編輯中直接查帶可有效解決數(shù)據(jù)的來源，為專家系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供有效數(shù)據(jù)。

在DAID平臺中，將事實表中要查帶的字段定義為單值從動選擇屬性，即{select字段名from tempdata}，模擬后可在專家系統(tǒng)事實表中相應(yīng)的字段輸入框上雙擊鼠標即可獲得該字段的模擬數(shù)據(jù)。

3.2 GIS與ES集成技術(shù)的實現(xiàn)

遠程用戶通過瀏覽器登錄專家系統(tǒng)，打開事實輸入界面，輸入相應(yīng)地塊作物的生育信息和相關(guān)的氣象信息到事實表中，然后點擊“地理信息”按紐，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入到“天津市農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地理信息網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)”界面，通過地理信息系統(tǒng)準確的空間定位查詢該地塊的相應(yīng)屬性信息，并查帶回專家系統(tǒng)，在事實表中相應(yīng)的字段輸入框上雙擊鼠標即可獲得該字段的地理信息數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對GIS技術(shù)、模擬模型技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)的集成攻關(guān)，實現(xiàn)了PAID平臺、網(wǎng)絡(luò)化的稻麥模擬優(yōu)化模型以及基于Web的天津市農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)有機集成，采用ASP技術(shù)及VBScript和JavaScript等開發(fā)工具，綜合專家系統(tǒng)的推理決策功能和模擬模型的動態(tài)預(yù)測功能以及地理信息系統(tǒng)的空間信息可視化功能，在調(diào)用系統(tǒng)時可方便地為各類用戶提供數(shù)據(jù)調(diào)用與互換功能，科學(xué)地為不同用途提供綜合決策。提高了系統(tǒng)的實用性、易用性與適用性。

[1]Chen Shupeng et al.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[2]高亮之.小麥栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2000,16(2):65-72.

[3]Zhao Chunjiang et al.Research and Application of Platform for Agricultural Intelligent-system Development[N].高技術(shù)通訊,2000,10:1-5.

[4]彭望祿.農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2001,17(2):9-11.

[5]曹衛(wèi)星.基于GIS的區(qū)域作物生產(chǎn)系統(tǒng)潛力分析[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2003,19(1):124-128.

[6]朱德海.土地管理信息系統(tǒng)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2000.