基于WebGIS的移動(dòng)土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 浩，馬友華，江朝暉，王 強(qiáng)，尹成龍（.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，安徽 合肥006；.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 006；.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 006；.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 006）

基于WebGIS的移動(dòng)土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 浩1，馬友華1，江朝暉2，王 強(qiáng)3，尹成龍4
（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，安徽 合肥230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036；4.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036）

使用WebGIS技術(shù)，結(jié)合墑情分析算法，構(gòu)建了滁州市墑情監(jiān)測系統(tǒng)。主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、墑情信息數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、墑情監(jiān)測等功能。用戶可以以電子地圖的方式，直觀方便地查詢所在地區(qū)的土壤墑情，對不同作物進(jìn)行墑情分析。

土壤墑情；WebGIS；墑情監(jiān)測

我國是世界上13個(gè)貧水國之一，伴隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，工業(yè)污水大量排放，造成水資源污染嚴(yán)重、植被破壞、水土流失以及水資源的不合理開采和利用等，加劇了我國水資源的供求矛盾。我國又是農(nóng)業(yè)大國，而農(nóng)業(yè)是目前世界上最大的耗水行業(yè)，并且受季風(fēng)氣候影響，年降水量分配和地區(qū)分布不均[1-3]。以上現(xiàn)象已經(jīng)成為制約我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。土壤墑情是反映土壤含水量的重要指標(biāo)之一，土壤墑情的準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測在當(dāng)今水資源短缺的情形下具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外墑情監(jiān)測方法可以分為3類[3]：① 固定站測墑，在目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)固定墑情監(jiān)測點(diǎn)[3]，組成土壤墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，再利用空間插值等算法獲得區(qū)域土壤墑情。②遙感測墑，利用衛(wèi)星和機(jī)載傳感器探測土壤水分[3]。③移動(dòng)式測墑，使用便攜式監(jiān)測儀器在不同采樣點(diǎn)進(jìn)行測墑，通過地統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)獲得區(qū)域內(nèi)土壤墑情[4]。遙感測墑可以進(jìn)行大范圍的土壤墑情監(jiān)測，但受遙感數(shù)據(jù)精度影響，其測墑準(zhǔn)確度不是很高；固定站測墑方法雖然精度較高，可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，但投資較大，且大部分是結(jié)合現(xiàn)有的水文站點(diǎn)建設(shè)，分布不均，能直接為墑情服務(wù)的站點(diǎn)較少；移動(dòng)式測墑投入成本低，應(yīng)用靈活，是對固定墑情監(jiān)測站的有效補(bǔ)充[5]。以滁州地區(qū)為研究對象，采用便攜式土壤墑情監(jiān)測儀采集數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)匾延械墓潭y墑?wù)具M(jìn)行土壤墑情監(jiān)測，利用GIS軟件獲得整個(gè)監(jiān)測地區(qū)的墑情信息，旨在建立既可節(jié)省投資又可進(jìn)行較為精確的區(qū)域性土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，為滁州地區(qū)的墑情監(jiān)測工作相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

固定墑情監(jiān)測站建設(shè)周期長，投入資金大，在滁州地區(qū)建立滿足需求的固定監(jiān)測點(diǎn)是一個(gè)長期的過程。因此，本研究使用便攜式土壤墑情監(jiān)測儀來彌補(bǔ)固定墑情站數(shù)量的不足，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了滁州市移動(dòng)墑情監(jiān)測系統(tǒng)。

移動(dòng)墑情監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)2部分組成，包括墑情監(jiān)測儀、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分、服務(wù)器上位機(jī)接收程序和服務(wù)器數(shù)據(jù)分析管理軟件。

本系統(tǒng)使用墑情監(jiān)測儀采集數(shù)據(jù)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，以Web程序開發(fā)了數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析并利用GIS的空間分析功能獲得監(jiān)測區(qū)域的墑情信息。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 工作原理

便攜式土壤墑情水分監(jiān)測儀主要由土壤水分傳感器、GPS信息接收模塊、微處理控制器模塊、鍵盤/顯示模塊、GPRS/GSM通信模塊、可充電電源和相應(yīng)軟件組成[6]，如圖1。

土壤水分傳感器采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到微處理控制器。通過GPS接收模塊獲取時(shí)間和坐標(biāo)信息，通過TTL邏輯電平控制，利用GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫。微處理控制器統(tǒng)籌上述各模塊工作，并負(fù)責(zé)原始水分?jǐn)?shù)據(jù)的校正處理、GPS信息解析、數(shù)據(jù)打包和通信聯(lián)絡(luò)[6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為保證在日常工作中快速準(zhǔn)確地測定土壤墑情，前期準(zhǔn)備工作不容忽視。

圖1 土壤墑情水分監(jiān)測儀架構(gòu)圖

1）選定相對固定的墑情監(jiān)測區(qū)域。為準(zhǔn)確測定土壤墑情，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥李愋汀⑼寥蕾|(zhì)地和種植作物類型來確定相應(yīng)的墑情監(jiān)測區(qū)域。

2）土壤容重、田間持水量測定。根據(jù)選定的墑情監(jiān)測區(qū)域，采用環(huán)刀法等方法測定土壤容重和田間持水量。

3）設(shè)置好當(dāng)?shù)囟绦欧?wù)號(hào)碼和上位機(jī)程序IP地址和端口號(hào)。墑情信息采集主要由相關(guān)工作人員根據(jù)工作需要到達(dá)墑情監(jiān)測區(qū)域，在墑情儀中輸入此區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)、區(qū)域土壤容重和田間持水量3個(gè)參數(shù)，按20 cm、40 cm、60 cm或其他不同深度要求采集土壤水分。儀器會(huì)根據(jù)采集的各個(gè)深度的土壤含水量，測算出相應(yīng)的質(zhì)量含水量和相對含水量，并同時(shí)采集監(jiān)測點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將以上信息傳輸至服務(wù)器的上位機(jī)程序。同一墑情監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，取4個(gè)不同的位置測定，將測定數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫自動(dòng)加權(quán)平均，計(jì)算得到當(dāng)天同一監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)平均后的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)

系統(tǒng)在Windows Server2008操作平臺(tái)下，以SQL Server 2005存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用Supermap IServer 6R平臺(tái)發(fā)布空間數(shù)據(jù)，建立基于WebGIS的墑情監(jiān)測系統(tǒng)。主要應(yīng)用于土壤墑情監(jiān)測的信息化、數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)、墑情分布圖繪制和墑情報(bào)告的生成。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和墑情評(píng)價(jià)模型庫組成，可以接收便攜式墑情儀監(jiān)測數(shù)據(jù)、固定站監(jiān)測數(shù)據(jù)、烘干法手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)，為墑情信息分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對墑情信息進(jìn)行分析，使用空間分析算法繪制墑情等值線（面）圖；采用B/S架構(gòu)，以網(wǎng)頁形式展示，提供等值線（面）圖查詢、過程線繪制等多項(xiàng)功能，依托數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及GIS技術(shù)，結(jié)合地區(qū)空間數(shù)據(jù)庫和作物墑情評(píng)價(jià)模型庫，將墑情監(jiān)測結(jié)果向用戶展示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 墑情監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 GIS框架的選擇

Supermap iClient 6R for Javascript是Supermap公司的一款在服務(wù)式GIS架構(gòu)體系中，面向 HTML5應(yīng)用開發(fā)，支持多終端、跨瀏覽器的客戶端開發(fā)平臺(tái)，脫離客戶端插件的限制，可靈活構(gòu)建多終端、跨瀏覽器的服務(wù)式 GIS 應(yīng)用。它具有強(qiáng)大的地圖化功能，包括繪制專題地圖、緩沖區(qū)分析、地圖編輯、地圖目標(biāo)查找、地圖顯示、圖層控制、空間選擇、地理編碼、擴(kuò)展地圖庫和示例數(shù)據(jù)等[7]。

3.2 系統(tǒng)算法特點(diǎn)

基于移動(dòng)采集的墑情算法在同步算法設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到采樣點(diǎn)GPS定位數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)問題，采用合理抽稀的方式，多次采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)平差，將小范圍重復(fù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，使得采集結(jié)果更加可信。同時(shí)，在墑情計(jì)算時(shí)，考慮了作物不同生育期的實(shí)際需水要求，墑情計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)有效。

3.3 主要功能開發(fā)

項(xiàng)目的重點(diǎn)在于將墑情監(jiān)測的點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為面信息，依托WebGIS開發(fā)框架提供的插值算法進(jìn)行開發(fā)。實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）根據(jù)用戶選擇的時(shí)段，從相應(yīng)的庫中檢索出符合要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)庫中記錄，將監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)標(biāo)記到地圖中；

2）將測值存入一個(gè)中間數(shù)據(jù)集，并傳遞給空間插值算法；

3）給插值算法設(shè)定起始值、步進(jìn)值等相關(guān)參數(shù)，生成插值中間結(jié)果；

4）對插值中間結(jié)果繪制等值面（線）；

5）生成一個(gè)剪裁面，對繪制結(jié)果進(jìn)行剪裁，將剪裁結(jié)果顯示給用戶。

3.4 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊：墑情采樣點(diǎn)信息、墑情評(píng)價(jià)體系、衛(wèi)星圖地形圖模塊、氣象服務(wù)模塊以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，主界面如圖3所示。

圖3 滁州市土壤墑情監(jiān)測信息系統(tǒng)主界面

3.4.1 墑情采樣點(diǎn)信息

移動(dòng)式墑情儀采集的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)自動(dòng)在滁州市行政區(qū)劃圖上生成監(jiān)測點(diǎn)，在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中可以查看到每個(gè)點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各個(gè)深度的歷史曲線，如圖4。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)詳細(xì)信息

3.4.2 墑情評(píng)價(jià)體系

墑情分析管理系統(tǒng)可以根據(jù)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷。本系統(tǒng)以滁州市為例，以安徽省主要農(nóng)作物各個(gè)生育期的墑情指標(biāo)為評(píng)價(jià)依據(jù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所選擇的起始時(shí)間自動(dòng)判別所選擇作物在該時(shí)間段的生育期，以此階段墑情判斷指標(biāo)為依據(jù)，生成等值面（線）圖，或某種作物的墑情簡報(bào)，包含墑情數(shù)據(jù)的各種數(shù)理統(tǒng)計(jì)信息、覆蓋面積等。

3.4.3 衛(wèi)星圖地形圖

系統(tǒng)可以疊加區(qū)域的遙感圖和地形圖，輔助用戶更加直觀地找到需要關(guān)注的區(qū)域以及查看當(dāng)?shù)氐牡匦?，幫助決策。

3.4.4 氣象服務(wù)

降雨量、溫度等氣象信息與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)，并影響土壤含水量。系統(tǒng)集成了氣象預(yù)報(bào)服務(wù)，通過訪問氣象預(yù)報(bào)網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的查詢。

3.4.5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)置了權(quán)限管理，不同級(jí)別的用戶擁有不同的管理權(quán)限，需使用密碼才可登錄，為數(shù)據(jù)安全提供保障。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以修改、刪除相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，錄入監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算作物評(píng)價(jià)指標(biāo)以及發(fā)布信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

土壤墑情監(jiān)測是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)重要組成部分，傳統(tǒng)的粗放管理向精細(xì)化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型，需要增加土壤墑情監(jiān)測和信息化技術(shù)。本項(xiàng)目的研發(fā)，填補(bǔ)了以往墑情監(jiān)測只考慮土壤情況，而忽視作物實(shí)際需求的狀況，是土壤墑情監(jiān)測成果應(yīng)用的一次有益嘗試，是土壤墑情監(jiān)測成果推廣的一個(gè)重要手段，有著非常大的推廣前景。

本系統(tǒng)的應(yīng)用，加大了土壤墑情測報(bào)頻率和范圍，利用這些墑情數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確作出旱情分析，生成墑情簡報(bào)，及時(shí)上報(bào)各級(jí)抗旱管理部門，為科學(xué)抗旱減災(zāi)提供決策依據(jù)。系統(tǒng)有效解決了目前滁州市的墑情監(jiān)測問題，既節(jié)約了成本又可較為精確地進(jìn)行區(qū)域性土壤墑情監(jiān)測，滿足滁州市土壤墑情預(yù)測監(jiān)測的需求。該系統(tǒng)已經(jīng)用于滁州市防旱指導(dǎo)工作，運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便。

系統(tǒng)現(xiàn)階段只能分析判斷出時(shí)下的墑情結(jié)果，還未實(shí)現(xiàn)作物墑情預(yù)報(bào)，需要加大這方面的研究，使墑情監(jiān)測系統(tǒng)更加完善。

[1] 袁遠(yuǎn)．北京市家庭生活用水規(guī)律與模擬模型研究[D]．北京:北京化工大學(xué),2004

[2] 潘忠文．我國水權(quán)制度重構(gòu)[D]． 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2003 [3] 楊衛(wèi)中,王一鳴,高晶．墑情監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[A]//2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]．天津:中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)電氣信息與自動(dòng)化專委會(huì),中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)農(nóng)村電氣化分會(huì)科技與教育專委會(huì),2011

[4] 楊紹輝,王一鳴,孫凱,等． 土壤墑情(旱情)監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(4):75-79 [5] 鄭徽平．移動(dòng)墑情監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2009,15(17):128-129

[6] 江朝暉,檀春節(jié),支孝勤,等．基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J]．傳感器與微系統(tǒng),2013,32(1):79-82

[7] 劉冠華．基于MapXtreme的城市供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．上海:同濟(jì)大學(xué),2008

P208

B

1672-4623（2016）02-0082-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.028

黃浩，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。

2015-06-30。

項(xiàng)目來源：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2012BAD15B03）;安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.1501031102）。