基于WebGIS的河南作物適宜性分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

韋朝振，鄭　偉

(1.安徽友元勘測設(shè)計有限公司，安徽 合肥　230000； 2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作　454003)

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基于WebGIS的河南作物適宜性分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

韋朝振1，鄭偉2

(1.安徽友元勘測設(shè)計有限公司，安徽 合肥230000； 2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454003)

摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在獲取、處理和集合各基本空間單元的要素數(shù)據(jù)上發(fā)揮了重大作用，尤其是GIS空間疊加分析功能通過圖形處理與空間數(shù)據(jù)運算有機(jī)地結(jié)合，解決了自然分區(qū)和行政分區(qū)界限中的若干要素的切分問題。隨著GIS在種植適宜性分析中應(yīng)用技術(shù)的日益完善、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)應(yīng)運而生并成為發(fā)展的熱點與前沿，將現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展已成為必然。詳細(xì)闡述了基于WebGIS的河南作物適宜性分析系統(tǒng)的技術(shù)方法，并對系統(tǒng)需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計與數(shù)據(jù)組織、種植適宜性分析、系統(tǒng)實現(xiàn)等一一進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；河南省；適宜性分析；WebGIS

0引言

近年來，信息化技術(shù)的發(fā)展給數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，尤其是GIS技術(shù)的出現(xiàn)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及圖形處理與空間數(shù)據(jù)分析的緊密結(jié)合，給基于WebGIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。所謂基于WebGIS的農(nóng)業(yè)信息化就是充分利用現(xiàn)有資源，通過對空間數(shù)據(jù)的采集、組織與管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的網(wǎng)絡(luò)化資源共享，以集數(shù)字、文字、圖形、圖像、多媒體等于一體的形式，通過分析、模擬和顯示，創(chuàng)建相關(guān)地理模型，充分利用GIS的空間分析功能，展示多種空間和動態(tài)的地理信息及其聯(lián)系、發(fā)展變化規(guī)律等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、評價、決策提供定性到定量的信息平臺和技術(shù)支持[1-5]。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從傳統(tǒng)的粗放模式向集約模式轉(zhuǎn)變的大背景下，合理開發(fā)、利用農(nóng)用地已成為提高農(nóng)作物產(chǎn)量與發(fā)展縣域經(jīng)濟(jì)的途徑之一。河南省作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大省，對其農(nóng)作物的種植與分布即農(nóng)作物的適宜性分析有著重要的意義[6-8]。基于WebGIS的河南農(nóng)作物適宜性分析系統(tǒng)，借助于SuperMapIS.NET平臺，結(jié)合Ajax和ASP.NET技術(shù)，可以實現(xiàn)各種基礎(chǔ)信息與專題信息的空間和屬性查詢、感興趣區(qū)域的農(nóng)作物適宜性分析評價等，可為農(nóng)業(yè)資源的管理、規(guī)劃和決策提供準(zhǔn)確、直觀、可靠的量化依據(jù)。

1需求分析

種植適宜性分析是對特定的地域種植某種作物或某種作物在特定地域種植的適宜性程度做出定性、定量和定位的評價。根據(jù)評價結(jié)果，不僅能充分利用資源，開發(fā)土地潛力，實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，而且能夠避免盲目追隨市場，在現(xiàn)有自然資源以及農(nóng)作物生長規(guī)律的基礎(chǔ)上優(yōu)化農(nóng)作物的總體布局，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。種植適宜分析涉及土地的自然、經(jīng)濟(jì)、區(qū)位等諸多因素，傳統(tǒng)的定性評價過程、圖件繪制及面積量算和統(tǒng)計分析等費時費力，且準(zhǔn)確性差，這為具有強(qiáng)大空間分析能力、空間與屬性數(shù)據(jù)一體化處理的GIS留下了很大的應(yīng)用空間。本研究參照FAO《土地評價綱要》體系[9]，結(jié)合研究區(qū)的具體情況，建立由適宜綱、適宜類和適宜等組成的評價體系，對適宜等級狀況進(jìn)行評價。

基于WebGIS的河南農(nóng)作物適宜性分析系統(tǒng)要求能夠提供一個可視化的GIS圖形界面，能夠較為全面的顯示河南省地圖，能夠?qū)ο嚓P(guān)地理信息、土壤信息、作物信息等相關(guān)信息進(jìn)行查詢；可以對常見的糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物及蔬菜等進(jìn)行分析，計算出土地適宜種植的作物或作物適宜種植的土地，并得出兩者之間的適宜程度，并可以給出種植分析和意見。同時要求系統(tǒng)頁面具有較強(qiáng)的自適應(yīng)控制，能夠通過普通瀏覽器訪問，頁面響應(yīng)間隔時間段[10]。

系統(tǒng)從功能上分為地圖瀏覽模塊、信息查詢模塊、適宜性分析模塊、數(shù)據(jù)維護(hù)模塊和使用幫助模塊等。具體如下：

1)地圖瀏覽模塊：提供基本的地圖操作，包括地圖縮放、漫游、距離與面積查詢、點選查詢等，引入Google Maps衛(wèi)星影像地圖，可以方便地查看分析地區(qū)的地貌水文特征。

2)信息查詢模塊：可以進(jìn)行政區(qū)、交通、河流、作物等相關(guān)信息的模糊和分類查詢，對特定圖層進(jìn)行特定條件的查詢。其中，交通查詢包括鐵路查詢、高速公路查詢、主要公路查詢、一般公路查詢，河流查詢包括一級河流查詢、二級河流查詢、三級河流查詢。

3)適宜性分析模塊：包括適宜地區(qū)查詢和適宜作物查詢兩方面內(nèi)容，適宜地區(qū)查詢在給定欲分析作物的前提下，可以分析出該作物適宜種植的地區(qū)，并按適宜級別以圖形方式分色顯示；適宜作物查詢在給定欲分析地區(qū)的前提下，可以分析出該地區(qū)適宜種植的作物，結(jié)果按照適宜程度以圖形方式分色顯示。

4)數(shù)據(jù)維護(hù)模塊：實現(xiàn)作物及土壤信息數(shù)據(jù)的后臺顯示、查詢、修改(包括新增、刪除與編輯等)等操作。

5)使用幫助模塊：幫助用戶快速了解系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、掌握系統(tǒng)操作方法。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心，采用B/S模式實現(xiàn)對空間和屬性數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)層、功能應(yīng)用層和用戶界面層3個層次，見圖1。以農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)為支撐，由地理信息系統(tǒng)、適宜分析模型共同構(gòu)成。

1)數(shù)據(jù)服務(wù)層按照規(guī)范化的信息分類標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的地理空間關(guān)系的數(shù)據(jù)構(gòu)建，主要包括空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、文檔數(shù)據(jù)庫，用于對農(nóng)作物和土地信息的錄入、維護(hù)和管理。

圖1　GIS應(yīng)用程序的3層構(gòu)架圖Fig.1　Three-layer architecture of GIS application program

2)功能應(yīng)用層以數(shù)據(jù)層為支撐，面向用戶實現(xiàn)農(nóng)作物和土地信息的表達(dá)、查詢、統(tǒng)計、分析和決策支持等具體應(yīng)用，包括Web服務(wù)器和GIS應(yīng)用服務(wù)器，接受用戶請求，并建立數(shù)據(jù)服務(wù)層和用戶界面層之間的聯(lián)系。

3)用戶界面層是基于圖形用戶界面的交互式處理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程用戶、局域網(wǎng)用戶和系統(tǒng)管理員等各種級別的用戶都可以通過瀏覽器直接進(jìn)行訪問和操作。

2.2系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境設(shè)計

考慮到SuperMapIS.NET具有地圖服務(wù)配置簡單，易于使用；優(yōu)化的多級緩存機(jī)制；組件化設(shè)計，易于管理，具有良好的擴(kuò)充性、開放性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用SuperMapIS.NET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地圖發(fā)布，以Microsoft Visual Studio.NET 2005為開發(fā)平臺，基于ASP.NET 2.0技術(shù)，采用B/S模式，借助于 Microsoft IIS 6.0，采用標(biāo)準(zhǔn)的HTML/JavaScript，以 Microsoft SQL Sever2000 為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)實際調(diào)查和需求分析，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)由政區(qū)數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)、適宜分析模型數(shù)據(jù)組成。其中政區(qū)數(shù)據(jù)是地圖顯示瀏覽的基礎(chǔ)，也是圖形與屬性互查的入口，是全局查詢的一個基礎(chǔ)和紐帶；地物數(shù)據(jù)豐富了地理查詢內(nèi)容；土壤數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)是兩者進(jìn)行適宜分析的依據(jù)，它的設(shè)計優(yōu)劣直接關(guān)系到分析結(jié)果的精準(zhǔn)；適宜分析模型數(shù)據(jù)涵蓋了各個分析標(biāo)準(zhǔn)值，它是調(diào)節(jié)控制適宜分析的紐帶。

3作物適宜性分析

作物適宜性分析基于現(xiàn)有自然資源以及農(nóng)作物生長規(guī)律的基礎(chǔ)上優(yōu)化農(nóng)作物的總體布局，達(dá)到區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，包括建立作物分析指標(biāo)庫、確定分析單元和綜合分析3大步。

3.1建立作物分析指標(biāo)庫

在明確了進(jìn)行分析的農(nóng)作物對象后，用戶可根據(jù)自己的經(jīng)驗和研究區(qū)實際情況選取一定的分析指標(biāo)和分析標(biāo)準(zhǔn)確定該作物的生態(tài)指標(biāo)庫或直接引用系統(tǒng)原有的生態(tài)指標(biāo)庫。具體流程如下：

1)確定分析對象。農(nóng)作物品種包括糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、花卉、果樹、茶樹等，用戶可根據(jù)自己的需求選擇其中感興趣的一種作物。

2)剔除非研究區(qū)域。根據(jù)該地區(qū)的用地規(guī)劃等，將非研究區(qū)域或地物類型剔除。

3)建立分析指標(biāo)體系。在確定進(jìn)行適宜性分析的農(nóng)作物品種后，用戶根據(jù)該作物對氣候、土壤、水文等的要求，選定影響該作物生長的因素建立分析指標(biāo)體系。

4)確定分析標(biāo)準(zhǔn)。在建立該農(nóng)作物的分析指標(biāo)體系后，針對所有分析指標(biāo)確定該農(nóng)作物品種的適宜范圍。如將適宜性級別分為非常適宜、適宜、臨界適宜以及不適宜四級，在此基礎(chǔ)上確定各分析指標(biāo)對應(yīng)各適宜級別的值的范圍。對于非專業(yè)用戶系統(tǒng)可從生態(tài)指標(biāo)庫中提取其相應(yīng)的專家知識供用戶參考，如果滿意可確定通過；否則可對其進(jìn)行調(diào)整直至建立合適的分析標(biāo)準(zhǔn)為止。

3.2確定分析單元

分析單元是進(jìn)行農(nóng)作物適宜性分析的最基本區(qū)域，即最小單元。對適宜性分析單元的劃分應(yīng)該體現(xiàn)土壤資源的自然條件和環(huán)境條件的相似性與差異性。在同一分析單元中土地的基本屬性是一致的；不同的分析單元都應(yīng)有自己獨特的自然屬性，既有差異性又有可比性。分析單元的劃分應(yīng)客觀地反映出土地在一定時間和空間上的差異。本研究采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)為最小分析單元，原因是便于行政上的種植規(guī)劃。

3.3綜合分析

在建立作物的生態(tài)指標(biāo)庫并確定分析單元后，采用經(jīng)驗指數(shù)和法，即根據(jù)用戶選擇的影響農(nóng)作物生長起主導(dǎo)作用的氣候、土壤、地形指標(biāo)，按影響強(qiáng)度進(jìn)行經(jīng)驗和統(tǒng)計分級，然后用各因子之和的相應(yīng)數(shù)來表示對應(yīng)的適宜性級別。分析模型表達(dá)式為：

(1)

式中：S為每個分析單元的農(nóng)作物種植適宜性綜合分析指數(shù)；Wi為第i個分析因子的相對權(quán)重；Si為第i個分析因子的土地適宜度；n為分析因子個數(shù)。

根據(jù)上述土地適宜性分析模型，利用GIS的疊加分析功能，計算某地區(qū)適宜種植的作物或者某類作物適宜種植的區(qū)域的綜合指標(biāo)值，從而得到對應(yīng)的適宜性分析評價圖。

4系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1系統(tǒng)主界面實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容，經(jīng)過系統(tǒng)編碼設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與運行等過程，開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)主界面，如圖2所示。此外，為了更加全面的顯示某一地區(qū)的空間信息，系統(tǒng)還同時引入了Google Maps的影像數(shù)據(jù)，可以以衛(wèi)星影像為底圖進(jìn)行相關(guān)操作。

圖2　系統(tǒng)主界面Fig.2　The system main interface

4.2系統(tǒng)主要部件和通用功能實現(xiàn)

4.2.1查詢框

為了便于用戶操作，這里查詢框設(shè)計盡可能簡潔大方，賦值方式有文本框和下拉列表框兩種方式，可以在各個項目之間任意切換。對于文本框，如果數(shù)據(jù)庫中已有對應(yīng)的內(nèi)容，用戶輸入關(guān)鍵詞后系統(tǒng)自動檢索對應(yīng)的內(nèi)容，用戶只需選擇即可。

4.2.2氣泡窗口

為了便于屬性查圖操作，系統(tǒng)設(shè)計了氣泡窗口。當(dāng)系統(tǒng)找到查詢的結(jié)果后，自動定位到對應(yīng)的地圖位置，此時氣泡起注釋作用；如果與此位置還有其他相關(guān)信息，比如該地區(qū)適宜種植的作物或者區(qū)域介紹等，可以在氣泡窗口中設(shè)置鏈接或按鈕，此時氣泡起二次查詢的作用。

4.2.3拉開式Word效果顯示文檔

此功能主要用于顯示種植適宜性分析報告、地區(qū)簡介和作物簡介等。這樣設(shè)計的目的在于充分利用Word文檔方便閱讀、便于編輯和易于打印的功能，使操作更加快捷簡單。

4.2.4彈出信息窗口

為了增強(qiáng)用戶與系統(tǒng)的交互效果，基于JavaScript模擬了一些桌面軟件中的彈窗效果，彈出的信息窗口既可以顯示查詢結(jié)果，也可以作為輸入窗口。

4.2.5屬性查詢功能

屬性查詢功能通過客戶端和地圖的交互，由空間信息作為篩選條件獲取相關(guān)信息。具體實現(xiàn)方法是先獲取客戶端的查詢條件，然后查找服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，找到相關(guān)信息后讀取其地理坐標(biāo)并在地圖上顯示其位置。屬性查詢主要用于地理、水文、交通和作物等相關(guān)信息的查詢操作。

4.2.6圖查屬性功能

圖查屬性是在地圖上選擇某個地物對象(點選)，或者在某個選取的范圍內(nèi)(框選、圓選、多邊形選)查找相關(guān)地物的屬性信息。這里主要通過點選方式，配合氣泡窗口進(jìn)行相關(guān)信息查詢。

4.3適宜性分析實現(xiàn)

適宜性分析根據(jù)經(jīng)驗指數(shù)和法，實現(xiàn)作物適宜種植區(qū)域查詢和區(qū)域適宜種植作物查詢兩個功能，查詢結(jié)果按照適宜級別分色顯示，其中紅色為高度適宜種植區(qū)，綠色為中度適宜種植區(qū)，黑色為適宜種植區(qū)，藍(lán)色為不適宜種植區(qū)。實現(xiàn)界面如圖3和圖4所示。

圖3　作物適宜區(qū)域查詢Fig.3　Query in suitable region of plant

圖4　區(qū)域適宜種植作物查詢Fig.4　Query in suitable plant of region

5結(jié)論

通過分析，筆者得出如下結(jié)論：

1)將WebGIS技術(shù)應(yīng)用于作物適宜性分析，充分發(fā)揮了GIS在空間管理與分析方面的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的以人工調(diào)查為主的分析方法，基于WebGIS的作物適宜性分析將政區(qū)、河流、作物、交通等相關(guān)信息的獲取、存儲、管理、計算、分析、輸出等有機(jī)地結(jié)合起來，能夠簡單、直觀、方便和快捷地實現(xiàn)作物適宜性分析評價，其評價結(jié)果對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、評價、決策具有一定的借鑒意義。

2)研究以農(nóng)戶、政府、種植商為用戶，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營為目的，利用GIS解決農(nóng)業(yè)問題。評價結(jié)果以圖形和氣泡窗口直觀的表現(xiàn)出來，使分析方法具有可操作性，為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的實施作了一次有意義的嘗試，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物引進(jìn)建立在適宜性分析的基礎(chǔ)之上，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將起到積極的指導(dǎo)作用。

3)研究中引入Google Maps衛(wèi)星影像地圖，可以方便地查看分析研究區(qū)域的地貌及水文特征；頁面設(shè)計充分考慮使用對象，

交互性強(qiáng)，窗口采用自適應(yīng)控制，可以適應(yīng)不同大小的瀏覽器；運用Ajax技術(shù)，可以無刷新的與后臺交互，大部分的運算在SQL Server中完成，大大提高了系統(tǒng)運行的效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]賀姍姍，薛冰，王靜，等.基于WebGIS公眾交通氣象服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2012(7)：230-233.

[2]姜仁貴，解建倉，李建勛，賀挺.基于數(shù)字地球的WebGIS開發(fā)及其應(yīng)用[J].計算機(jī)工程，2011，37(6)：225-227.

[3]洪志遠(yuǎn)，李成名.面向服務(wù)架構(gòu)下的WebGIS開發(fā)模式探索及實踐[J].遙感信息，2012，27(5)：115-118.

[4]王海鷹，趙如意.基于WebGIS的數(shù)字校園地圖設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14(11)：71-73.

[5]彭曉娟，趙克飛.基于GIS的山地城鎮(zhèn)空間拓展土地適宜性評價——以大浦縣為例[J].熱帶地理，2013，33(4)：480-488.

[6]陳晨，宋小東，鈕心毅.土地適宜性評價數(shù)據(jù)處理方法探討[J].國際城市規(guī)劃，2015，30(1)：70-77.

[7]王莉，潘瑜春，王映龍，等.基于Geo-WebServices的農(nóng)田環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與評價分析系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(5)：109-117.

[8]王禎.基于GIS的建設(shè)用地適宜性評價——以米脂縣龍鎮(zhèn)新型農(nóng)村社區(qū)為例[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報，2015，30(21)：33-37.

[9]季輝，馮金飛，張衛(wèi)健.基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2013，29(1)：128-131.

[10]姚敏.WebGIS開發(fā)技術(shù)分析與系統(tǒng)實現(xiàn)探索[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2014，3(27)：19-21.

Design and Implement of Henan Crop Suitability Analysis System Based on WebGIS

WEI Chao-zhen1，ZHENG Wei2

(1.AnhuiYouyuanSurveyandDesignCo.,Ltd,HefeiAnhui230000,China; 2.InstituteofResources&Environment,HenanPolytechnicUniversity,JiaozuoHenan454003,China)

Abstract：GIS technology plays an important role in attaching，processing and gathering the elements’ data of the spatial units.Especially，through combined the graphics processing and the spatial data operation organically，the spatial overlapping analysis resolved the division from natural elements to administrative evaluate units.With Geographic Information System(GIS)suitability analysis applied to cultivation of increasingly sophisticated techniques and the rapid development of computer network technology，Network Geographic Information System(WebGIS)have emerged and become a development hot spots and cutting-edge，the existing agricultural Geographic Information System develop in the direction to the network has become a necessity.The paper described the techniques and methods about the Henan crop suitability analysis system based on WebGIS，and introduced the system requirements analysis，structural design，database design and data organization，planting suitability analysis，system implementation，etc.

Key words：crop；Henan province；suitability analysis；WebGIS

作者簡介：韋朝振(1979～)，男，安徽靈璧人，助理工程師，現(xiàn)主要從事勘測設(shè)計和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用方面的工作。

中圖分類號：P 208； P 209

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-9394(2016)01-0012-04

收稿日期：2016-01-14

地礦測繪2016，32(1)：12～15

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources