基于移動(dòng)GIS的棉田病蟲害服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)

靳光才 趙慶展 周文杰 許金霞

摘要：針對(duì)棉田病蟲害信息發(fā)布時(shí)效性差、服務(wù)形式單一、針對(duì)性不足等問題，基于移動(dòng)地理信息系統(tǒng)（geographic information systems，簡(jiǎn)稱GIS）技術(shù)研發(fā)了服務(wù)器/客戶端（C/S）架構(gòu)下的棉葉螨病蟲害信息發(fā)布系統(tǒng)。服務(wù)端運(yùn)用ArcGIS Server實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害專題的統(tǒng)一發(fā)布與管理。針對(duì)病蟲害專題圖和基礎(chǔ)棉田信息進(jìn)行交叉分析，然后使用ArcMap中的結(jié)構(gòu)化查詢語言（structured query language，簡(jiǎn)稱SQL）語句篩選出蟲害等級(jí)較高的區(qū)域，并提取對(duì)應(yīng)的農(nóng)戶信息，最后采用JPush第三方推送平臺(tái)，將監(jiān)測(cè)及預(yù)警信息直接推送到特定農(nóng)戶?？蛻舳嘶贏ndroid平臺(tái)，集成JPush開發(fā)包構(gòu)建應(yīng)用程序，通過注冊(cè)信息可實(shí)現(xiàn)推送信息的訂閱，隨后可接收服務(wù)端推送的文本預(yù)警信息或?qū)ｎ}圖。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)服務(wù)的發(fā)布具有時(shí)效性高、針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可為農(nóng)情信息發(fā)布提供參考。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)GIS；棉花；病蟲害；服務(wù)；推送

中圖分類號(hào)： TP274+.2；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0196-03

棉花是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉田病蟲害是造成棉花減產(chǎn)的主要原因之一。及時(shí)且準(zhǔn)確地將病蟲害的監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)等信息傳遞到植保部門及農(nóng)戶手中，快速采取科學(xué)的防治措施，是控制病蟲害發(fā)展與蔓延、維護(hù)棉花可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

近年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（web geographic information system，簡(jiǎn)稱 WebGIS），充分發(fā)揮了GIS強(qiáng)大的快速、實(shí)時(shí)空間信息獲取分析能力與網(wǎng)絡(luò)極為便捷的數(shù)據(jù)分享能力，極大提高了病蟲害發(fā)布的及時(shí)性，再加上智能手機(jī)的快速普及，GIS在智能終端應(yīng)用十分廣泛，已成為野外信息采集及信息發(fā)布等主流的解決方案。潘潔等基于網(wǎng)絡(luò)GIS，構(gòu)建了森林病蟲害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了病蟲害監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)發(fā)布[1]；陳萬鈞等基于Android系統(tǒng)，針對(duì)林業(yè)有害生物實(shí)現(xiàn)了病蟲害災(zāi)情上報(bào)，以可視化數(shù)據(jù)形式發(fā)布病蟲害預(yù)警等功能[2]。但還存在不足：基于WebGIS的信息發(fā)布模式雖然內(nèi)容豐富、共享性強(qiáng)，但實(shí)際受眾小、用戶黏性低，并且由于缺少消息推送機(jī)制，導(dǎo)致用戶查看信息存在滯后問題[3-4]；移動(dòng)GIS技術(shù)目前多用于信息采集，服務(wù)接收方面局限于文字或可視化的圖表形式，消息內(nèi)容單一，缺少個(gè)性化的信息服務(wù)[5-6]。

本研究充分運(yùn)用移動(dòng)GIS的經(jīng)濟(jì)、便捷及位置感知能力等特點(diǎn)，采用服務(wù)器/客戶端（C/S）結(jié)構(gòu)構(gòu)建了棉田病蟲害信息發(fā)布系統(tǒng)。服務(wù)端統(tǒng)籌管理，負(fù)責(zé)消息發(fā)布與針對(duì)病蟲害嚴(yán)重區(qū)域個(gè)性化推送；客戶端可實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)性化服務(wù)的訂閱與接收，基于位置對(duì)服務(wù)端發(fā)布的專題圖在線瀏覽。系統(tǒng)通過消息推送提高了病蟲害信息的時(shí)效性，個(gè)性化服務(wù)訂閱充分發(fā)揮了信息的價(jià)值，為提升農(nóng)情服務(wù)發(fā)布質(zhì)量提供參考。

1棉田病蟲害信息發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，棉田病蟲害信息發(fā)布系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)庫存放病蟲害發(fā)生數(shù)據(jù)及農(nóng)戶信息、基礎(chǔ)棉田信息等。服務(wù)端一方面將病蟲害監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)專題圖運(yùn)用ArcMap進(jìn)行編輯處理，并發(fā)布到ArcGIS for Server上供客戶端瀏覽；另一方面，針對(duì)病蟲害專題圖和基礎(chǔ)地塊地圖進(jìn)行交叉分析，并運(yùn)用QueryLayer通過SQL語句篩選出病蟲害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域的農(nóng)戶信息，同時(shí)編輯提醒消息，借助于極光推送平臺(tái)JPush云推送到農(nóng)戶手機(jī)。

1.2系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以精準(zhǔn)而高效地發(fā)布蟲害服務(wù)為目標(biāo)，針對(duì)蟲害信息專題圖，一方面，使用ArcMap軟件將它制作為專題圖服務(wù)，通過ArcGIS Server發(fā)布出去，用戶可在PC端通過瀏覽器或者手機(jī)APP中瀏覽專題圖；另一方面，將蟲害信息專題圖與包含農(nóng)戶信息（別名）的棉田地塊地圖進(jìn)行交叉分析，得到新的兼具兩者的信息地圖。然后使用SQL語句，根據(jù)病蟲害等級(jí)，篩選出危害嚴(yán)重的區(qū)域并提取對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，再通過JPush平臺(tái)，依據(jù)別名向用戶進(jìn)行針對(duì)性地推送預(yù)警及專題圖地址等相關(guān)信息。用戶使用APP與JPush推送平臺(tái)建立長連接，并在JPush平臺(tái)注冊(cè)個(gè)人標(biāo)簽加以區(qū)分，當(dāng)推送消息的對(duì)象中包含此標(biāo)簽時(shí)，即可接收并在通知欄顯示相應(yīng)的消息，用戶點(diǎn)擊通知欄后，即可自動(dòng)讀取消息中內(nèi)含的專題圖地址，并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到專題圖顯示頁面，讀取服務(wù)端發(fā)布的病蟲害專題圖（圖2）。

2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1服務(wù)端功能設(shè)計(jì)

2.1.1專題圖制作及服務(wù)發(fā)布

病蟲害專題圖可以簡(jiǎn)單有效地顯示病蟲害的發(fā)生程度及具體分布，是目前主流農(nóng)情的發(fā)布方式。為了便于在移動(dòng)端顯示，需要將柵格圖片形式的專題圖轉(zhuǎn)換為矢量圖，同時(shí)添加地理坐標(biāo)，用戶在移動(dòng)端瀏覽專題圖時(shí)可充分利用可定位性的特點(diǎn)，直接瀏覽當(dāng)前位置的病蟲害發(fā)生情況。

病蟲害專題圖往往通過不同顏色標(biāo)注不同的等級(jí)，為了科學(xué)規(guī)范區(qū)分各個(gè)病蟲害等級(jí)，首先對(duì)原有的專題圖數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類、簡(jiǎn)化或合并某些類別，將柵格中相近的值歸為一類，統(tǒng)一將病蟲害嚴(yán)重情況分為5級(jí)。然后將柵格形式的專題圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行配準(zhǔn)，添加地理坐標(biāo)。最后將準(zhǔn)備好的矢量格式的病蟲害專題圖數(shù)據(jù)使用 ArcMap 制作為服務(wù)，通過ArcGIS for Server發(fā)布出去。

2.1.2病蟲害嚴(yán)重區(qū)域篩選及推送信息提取

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，農(nóng)戶一方面可通過專題圖全面地了解、關(guān)注整個(gè)區(qū)域病蟲害發(fā)生趨勢(shì)。另一方面，用戶更為關(guān)注自己農(nóng)田的病蟲害發(fā)生情況，因此向用戶推送其農(nóng)田所屬區(qū)域病蟲害狀況非常必要。

為了提取病蟲害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域所屬的農(nóng)戶信息，將上述得到的矢量格式的病蟲害專題圖與基礎(chǔ)農(nóng)田數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，得到新的數(shù)據(jù)層中既包含病蟲害發(fā)生區(qū)域與等級(jí)數(shù)據(jù)，又包含所屬農(nóng)田的基本信息，其中，農(nóng)田的基本信息中包括承包戶的姓名、手機(jī)號(hào)等。然后針對(duì)新的數(shù)據(jù)層，使用SQL語句，設(shè)定病蟲害的類型、等級(jí)等條件，篩選出需要向用戶推送的數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出所屬承包戶的基本信息，為信息推送作準(zhǔn)備。

2.1.3消息精準(zhǔn)推送

服務(wù)端的消息往往隨機(jī)不定時(shí)更新，移動(dòng)端獲取服務(wù)端上的信息一般有2種方法：Pull（拉）和Push（推）。Pull方法即移動(dòng)端每隔一段時(shí)間主動(dòng)檢查服務(wù)器上有沒有信息，有則獲取，無則等待至下個(gè)時(shí)間點(diǎn)。該方法時(shí)間間隔難以掌控，間隔若大容易產(chǎn)生消息滯后問題，間隔太小既浪費(fèi)電源又消耗流量。Push方法則每有新消息，服務(wù)器將消息直接推送到移動(dòng)端，該方案需通過注冊(cè)機(jī)制在移動(dòng)端和服務(wù)端之間建立一條長連接。

本系統(tǒng)采用國內(nèi)較為成熟的極光推送平臺(tái)JPush，通過JPush與移動(dòng)端建立長連接。JPush平臺(tái)支持3種靈活的推送方式，分別為廣播推送：向所有的注冊(cè)用戶發(fā)送1條廣播消息；標(biāo)簽推送：根據(jù)屬性對(duì)用戶設(shè)置標(biāo)簽分組，向群組用戶發(fā)送；別名推送：綁定用戶別名，向具體的單個(gè)用戶推送。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)推送，用戶在移動(dòng)端與JPush建立連接的同時(shí)設(shè)置別名，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的精確推送。

2.2移動(dòng)端功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)端的核心功能在于能夠準(zhǔn)確地接收服務(wù)端推送的文本消息，從服務(wù)端加載并瀏覽發(fā)布的專題圖服務(wù)。為了及時(shí)有效地接收服務(wù)端推送的信息，需要與服務(wù)端建立長連接，而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的個(gè)性化推送則需要向服務(wù)端注冊(cè)特定的標(biāo)簽。移動(dòng)端接收推送的消息后，應(yīng)能及時(shí)地從服務(wù)端加載專題圖服務(wù)并合理地顯示。

2.2.1用戶注冊(cè)與服務(wù)訂閱

為了及時(shí)有效地接收服務(wù)端推送的消息，用戶在打開APP后，自動(dòng)與服務(wù)端的JPush平臺(tái)建立長連接，并且通過JPush平臺(tái)提供的應(yīng)用程序接口（application programming interface，簡(jiǎn)稱API），設(shè)置別名與標(biāo)簽、訂閱服務(wù)內(nèi)容。其中別名與基本農(nóng)田信息中的用戶手機(jī)號(hào)對(duì)應(yīng)，每個(gè)用戶都是唯一的，標(biāo)簽則是分組名稱，如按照行政區(qū)域進(jìn)行設(shè)置。服務(wù)端提取病蟲害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域所屬的農(nóng)戶信息后，可根據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行分組推送，或根據(jù)別名行更加針對(duì)性地推送，使得病蟲害服務(wù)更為精確、實(shí)用。

2.2.2專題圖信息瀏覽

服務(wù)端發(fā)布新的專題圖后，可在JPush平臺(tái)通過廣播向所有用戶發(fā)布通知，同時(shí)將服務(wù)地址內(nèi)嵌在消息中。用戶可在手機(jī)通知欄中接收消息，點(diǎn)擊之后，APP可自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至服務(wù)瀏覽界面。目前，專題圖瀏覽多在瀏覽器中進(jìn)行，此方法難以讀取位置專題中的位置信息。系統(tǒng)采用ArcGIS runtime for Android sdk進(jìn)行開發(fā)，可通過圖層形式將專題圖展示在界面中，并利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，簡(jiǎn)稱GPS）讀取當(dāng)前位置的信息，方便用戶查看當(dāng)前位置的病蟲害發(fā)生情況。此外，還可接收所注冊(cè)的標(biāo)簽及別名所推送的文本信息。系統(tǒng)功能如圖3所示。

2.3核心功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為JDK 7.0+Android sdk4.0+ArcGIS runtime sdk for Android 10.2.7+Eclipse 6.0；開發(fā)平臺(tái)操作系統(tǒng)為Windows 8；開發(fā)語言為Java；移動(dòng)終端測(cè)試環(huán)境為魅藍(lán)M1，系統(tǒng)為Android 4.4。

2.3.1病蟲害服務(wù)制作與發(fā)布

專題圖多為圖片，即柵格格式，為了將專題圖發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)使它便于在移動(dòng)端顯示，采用ArcMap 10.1中的可視化建模工具（model builder），建立如圖4所示的處理模型。模型輸入為病蟲害專題圖及研究區(qū)邊界圖，輸出為矢量格式（shapfile）的病蟲害專題圖。首先使用ArcGIS中提供的重分類工具（reclass），根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，將病蟲害按照要求劃分為5個(gè)等級(jí)。然后使用柵格轉(zhuǎn)矢量工具（raster to polygon）得到各個(gè)等級(jí)的矢量數(shù)據(jù)形式，使用裁剪工具（clip）截取研究區(qū)內(nèi)的病蟲害數(shù)據(jù)。最后，使用平滑多邊形工具（smooth polygon）將多邊形輪廓的尖角平滑化，提高制圖質(zhì)量。

使用ArcMap連接ArcGIS Server，將上述制作的專題圖發(fā)布到ArcGIS Server上，值得注意的是，發(fā)布過程中需勾選mobile data access選項(xiàng)，否則無法在移動(dòng)端正常加載。

2.3.2服務(wù)訂閱與推送

為實(shí)現(xiàn)推送功能，移動(dòng)端APP開發(fā)中集成了JPush for Android SDK 2.1.3，在JPush官網(wǎng)申請(qǐng)Appkey后即可免費(fèi)使用。調(diào)用init（context）接口可實(shí)現(xiàn)與JPush平臺(tái)建立TCP長連接，通過JPush Interface接口中設(shè)置標(biāo)簽及別名的方法進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)訂閱，標(biāo)簽按照行政區(qū)設(shè)置，別名設(shè)定為用戶手機(jī)號(hào)，與基本棉田數(shù)據(jù)信息中的承包戶手機(jī)號(hào)對(duì)應(yīng)。通過JPush Web端設(shè)定需要推送的標(biāo)簽或別名，通過JPush平臺(tái)的JPush API，調(diào)用Push Engien在已建立連接的移動(dòng)端中需找相匹配的進(jìn)行推送。JPush結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.3病蟲害服務(wù)精確推送及服務(wù)瀏覽

精確推送的前提是提取出病蟲害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域所屬的承包戶信息。使用交叉分析（Intersect），輸入病蟲害矢量專題圖和基本農(nóng)田信息，輸出的結(jié)果即可得到每塊田的病蟲害等級(jí)情況。處理過程如圖6所示，結(jié)果如圖7-a所示，同時(shí)，按照植保防治規(guī)范，將病蟲害發(fā)生程度由輕到重分為1～5級(jí)，分別用白色、綠色、黃色、橙色、紅色表示。

獲得交叉分析結(jié)果后，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，在ArcMap中可通過SQL語句，設(shè)定病蟲害等級(jí)范圍，篩選出病蟲害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域（圖7-b），并導(dǎo)出所屬的承包戶信息。最后，在JPush平臺(tái)中，可編輯相關(guān)文本信息，設(shè)定上述提取的農(nóng)戶標(biāo)簽或別名，向移動(dòng)端進(jìn)行服務(wù)推送，已在JPush平臺(tái)訂閱了相關(guān)標(biāo)簽及別名的終端即可在通知欄順利接收到推送消息（圖8-a）。

為了更加便捷地顯示服務(wù)端發(fā)布的專題圖，移動(dòng)端集成了ArcGIS runtime for Android，它提供了豐富的地圖顯示及移動(dòng)、縮放API。采用MapView類作為地圖顯示的容器，使用ArcGISDynamicMapServiceLayer（http：//192.168.1.4：6080/arcgis/rest/services/p1/MapServer）方式加載服務(wù)地址創(chuàng)建圖層，加載到MapView中即可顯示（圖8-b）。專題圖可定位到當(dāng)前位置，瀏覽周圍的病蟲害狀況。

2.3.4系統(tǒng)測(cè)試

2015年6—8月，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師125團(tuán)進(jìn)行了本系統(tǒng)測(cè)試試運(yùn)行。實(shí)踐表明，系統(tǒng)可準(zhǔn)確提取出病蟲害嚴(yán)重區(qū)域所屬承包戶信息，準(zhǔn)確率在90%以

上；標(biāo)簽設(shè)置為連隊(duì)信息，別名設(shè)置為用戶的手機(jī)號(hào)，均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確推送，可在3～5 s內(nèi)完成；病蟲害專題圖清晰、準(zhǔn)確，瀏覽過程中流暢無卡頓，并且可讀取GPS位置，定位到當(dāng)前點(diǎn)，位置誤差在15 m內(nèi)。

3結(jié)論

系統(tǒng)運(yùn)用移動(dòng)GIS技術(shù)，使用ArcGIS Server發(fā)布病蟲害專題圖服務(wù)，集成ArcGIS runtime for Android實(shí)現(xiàn)了專題圖瀏覽。使用Model Builder建模及SQL實(shí)現(xiàn)了病蟲害嚴(yán)重區(qū)域的農(nóng)戶信息提取，并借助JPush推送平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)推送。在系統(tǒng)試用過程中，用戶可第一時(shí)間在移動(dòng)端瀏覽病蟲害專題圖服務(wù)，并接收推送的信息，時(shí)效性強(qiáng)、針對(duì)性高。今后可進(jìn)一步集成服務(wù)端的專題圖制作、發(fā)布、消息推送等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行業(yè)務(wù)化、流程化。

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