基于GIS的農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立

王孟博

（廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院，廣東東莞523960）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，即GIS)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更高效的服務(wù)，成為現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)中的重要支撐技術(shù)之一[1]。我國作為世界上農(nóng)業(yè)領(lǐng)軍國家，其行業(yè)生產(chǎn)有著悠久的歷史，且占據(jù)著十分重要的地位[2]。農(nóng)業(yè)在我國的國民經(jīng)濟(jì)體制中扮演著舉足輕重的角色，但是目前我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平同發(fā)達(dá)國家相比，還處于比較落后的階段，加上信息技術(shù)也沒能得到充分廣泛的應(yīng)用，其間信息的極度缺乏是制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸之一，農(nóng)業(yè)面臨著可持續(xù)發(fā)展與國際競爭的雙重挑戰(zhàn)，我國農(nóng)業(yè)的根本解決辦法就是完成現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的部署，創(chuàng)建較為智能化的大農(nóng)業(yè)平臺，以便整合更多的信息來用于現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐的各個環(huán)節(jié)，合理利用各類農(nóng)業(yè)信息類資源，進(jìn)行水土保持、土壤保護(hù)、合理灌溉和施肥等，提高農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)能力。

20世紀(jì)70年代GIS開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在土地資源評價、土地資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)資源信息的管理分析等方面取得了重大進(jìn)展；到了80年代，以GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)被提出；1993年，美國的全球定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)為民用后開始被大規(guī)模應(yīng)用于精確農(nóng)業(yè)技術(shù)[3]。日本農(nóng)林水產(chǎn)省和一些大型農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)廠家已經(jīng)在合作研究將衛(wèi)星技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，2002年開發(fā)出利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械。相比之下，我國此類研究起步較晚，但隨著“863計(jì)劃”的實(shí)施與開展，農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)研究也已列入國家科技攻關(guān)項(xiàng)目。

二十一世紀(jì)，世界農(nóng)業(yè)進(jìn)入數(shù)字化和信息化時代，以IT技術(shù)為主導(dǎo)的各類先進(jìn)技術(shù)不斷被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，應(yīng)運(yùn)而生了現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)。現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)由農(nóng)業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)所支持的根據(jù)空間參數(shù)變異、定時、定位、定量地實(shí)施完整的現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)操作技術(shù)與生產(chǎn)管理的完整系統(tǒng)構(gòu)成[4]，其技術(shù)支持主要由3S(GIS：地理信息系統(tǒng)；GPS：全球定位系統(tǒng)；RS：遙感遙測系統(tǒng))構(gòu)成，這種現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)技術(shù)體系是信息技術(shù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化應(yīng)用的綜合體現(xiàn)[5]?；诖?，設(shè)計(jì)并開發(fā)一套以GIS為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)信息綜合管理平臺。

1.技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS：Geographic Information System）是一門已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的綜合性學(xué)科[6]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，也有稱GIS為“地理信息科學(xué)”（Geographic Information Science），近年來，也有稱 GIS為"地理信息服務(wù)"（Geographic Information service）。地理信息系統(tǒng)的矢量圖通過點(diǎn)、線、面來構(gòu)成整個數(shù)據(jù)集。具體關(guān)系如圖1所示：

圖1 GIS系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)組織圖

1.2 SuperMap Objects.NET

SuperMap Objects.NET是由北京超圖軟件股份有限公司（SuperMap）開發(fā)并推廣的基于超圖共相式GIS內(nèi)核，采用.NET技術(shù)的組件式的GIS地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺。采用標(biāo)準(zhǔn)的C++對共相式GIS內(nèi)核進(jìn)行編寫，進(jìn)而完成GIS功能的實(shí)現(xiàn)。此外，SuperMap Objects.NET采用C++/CLI進(jìn)行組件的封裝，是純.NET的組件，不是通過COM封裝或者中間件運(yùn)行的組件，比通過中間件調(diào)用COM的方式在效率上將有極大的提高。SuperMap Objects.NET支持所有.NET開發(fā)語言，如 C#、VB.NET、C++/CLI等[7]。

1.3 MySQL數(shù)據(jù)庫

MySQL是當(dāng)前最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在WEB應(yīng)用方面 My SQL是最好的RDBMS(Relational Database Management System，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))應(yīng)用軟件之一，由MySQLAB公司推出，總部位于瑞典，現(xiàn)已被收購于Oracle旗下。憑借其所占內(nèi)存小、運(yùn)行速度快、總體擁有成本不高，特別是源碼開放這一功能，成為了多數(shù)網(wǎng)絡(luò)平臺的首要選擇[8]。

為了開發(fā)出數(shù)據(jù)全面且功能完善的農(nóng)業(yè)綜合信息管理平臺，同時又考慮到系統(tǒng)的易用性、易維護(hù)性及兼容性，整個平臺在Microsoft Visual Studio 2012的開發(fā)環(huán)境下，基于GIS地理信息技術(shù)，優(yōu)勢結(jié)合，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建了一套農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)。最后通過軟件編制、應(yīng)用測試，完成開發(fā)與利用。

2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 可行性研究

隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的不斷提高與發(fā)展需求，確定了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行信息化管理的戰(zhàn)略目標(biāo)，并給予一定的資金支持。本系統(tǒng)的開發(fā)，不僅可能極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的管理效率，而且隨著每年數(shù)據(jù)量的不斷積累、分析與優(yōu)化，可以為以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更科學(xué)的生產(chǎn)及管理依據(jù)，同時地塊數(shù)據(jù)數(shù)字化，可以為土地承包及管理減少很多糾紛。本系統(tǒng)是一個涉及到地理信息技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的管理和查詢系統(tǒng)，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而且硬件、軟件的性能要求、環(huán)境條件等各項(xiàng)條件良好，利用現(xiàn)有技術(shù)條件完全可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能目標(biāo)。無論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)上，本系統(tǒng)的研發(fā)工作有著極大的可行性。

2.2 技術(shù)目標(biāo)及流程圖

為了實(shí)現(xiàn)高效、方便、精細(xì)的現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)管理平臺，基于GIS的農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)涵蓋了農(nóng)業(yè)技術(shù)管理層、農(nóng)業(yè)技術(shù)集成層、種植規(guī)劃設(shè)計(jì)層、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)施層、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測層及農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)報表層，從規(guī)劃、種植、管理、收獲到相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)的集成及提高均進(jìn)行信息化管理，不僅提高了管理效率，而且積累了大量的數(shù)據(jù)，為以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)革新提供了科學(xué)的依據(jù)。通過對用戶的需求分析，完成系統(tǒng)的技術(shù)方案及流程圖的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 技術(shù)方案及流程圖

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是指軟件采用什么樣的開發(fā)模式及各個功能模塊的具體劃分。無論在軟件開發(fā)的哪個階段，都需要從整體上考慮軟件的整個生命周期的存在，尤其是為后續(xù)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、測試與維護(hù)做到最大程度的優(yōu)化。本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程涉及到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)事作業(yè)的各個階段，業(yè)務(wù)流程較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)量較為龐大，尤其是地理信息中的空間數(shù)據(jù)較大，所以本系統(tǒng)的整體開發(fā)采用三層架構(gòu)方式進(jìn)行開發(fā)，如圖3所示。

圖3 三層架構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時因考慮到在各個農(nóng)場之間傳遞數(shù)據(jù)，涉及到農(nóng)場的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，以及本系統(tǒng)需要生成、顯示、傳輸較大的數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)決定采用C/S開發(fā)模式。為了能夠?qū)?fù)雜問題進(jìn)一步細(xì)化，本系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，使得本系統(tǒng)真正做到低耦合、高內(nèi)聚。本系統(tǒng)的模塊劃分如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊圖

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

對于地理信息系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)工作占到了整個系統(tǒng)開發(fā)的50%以上，所以數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的好壞可以直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量層次。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包含屬性數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)庫，其兩者關(guān)系如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖

為完成系統(tǒng)制定的功能目標(biāo)，除空間數(shù)據(jù)庫的一些數(shù)據(jù)表，系統(tǒng)需要在屬性數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)較多的數(shù)據(jù)表及存儲過程，并通過關(guān)鍵字的識別將屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在此僅列出關(guān)于用戶權(quán)限管理及角色管理的相關(guān)表。如表1、表2所示為部分樣表。

表1 角色組表

表2 角色組權(quán)限表

3.系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登錄模塊設(shè)計(jì)

登錄界面是整個系統(tǒng)入口，無論任何人想操作該系統(tǒng)必須擁有合法的訪問權(quán)限，防止非法入侵，最大程度保證了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)將用戶分為普通訪客與管理員兩類，而管理員又分為普通管理員和超級管理員兩大類別。其中普通操作人員又隸屬于不同角色，他們所擁有的操作權(quán)限是不同的，而角色的權(quán)限定義可以通過超級管理員進(jìn)行設(shè)置。對于用戶的登錄，系統(tǒng)僅允許進(jìn)行3次密碼嘗試，如果3次密碼錄入均出現(xiàn)錯誤，則在規(guī)定時間內(nèi)不允許該用戶進(jìn)行相關(guān)操作。輸入登錄界面如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)登錄模塊

為了在最大程度上保證系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)庫中存儲的信息都是以128位16進(jìn)制散列值進(jìn)行存儲，通過MD5加密轉(zhuǎn)化而生成散列值，由于MD5加密算法屬于單向散列函數(shù)，且存在不可逆性，即使有非法用戶進(jìn)入后臺數(shù)據(jù)庫，仍然沒有辦法獲得合法的用戶名與密碼。想通過大量的計(jì)算對系統(tǒng)進(jìn)行暴力破解，在理論上幾乎是不能實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)登錄模塊的程序流程如圖7所示：

圖7 登錄模塊程序流程圖

3.2 后臺管理模塊設(shè)計(jì)

在信息管理系統(tǒng)中，成員與角色管理屬于后臺管理。動態(tài)的管理成員是保證系統(tǒng)的高可用性的重要方面，本系統(tǒng)由于涉及到了農(nóng)事作業(yè)的眾多方面，所以成員管理是否高效、靈活成為該系統(tǒng)重要性能指標(biāo)。所以本平臺開發(fā)了較為強(qiáng)大的后臺管理，主要包括用戶管理界面、用戶權(quán)限設(shè)置界面、用戶組權(quán)限設(shè)置界面、角色組權(quán)限設(shè)置界面、用戶信息修改、日志查詢界面。用戶管理各項(xiàng)功能如圖8所示：

圖8 后臺用戶管理界面

3.3 農(nóng)田地理信息模塊設(shè)計(jì)

農(nóng)田地理信息模塊是本系統(tǒng)最為重要的模塊，將為其它模塊提供基本的圖形數(shù)據(jù)支持。身份驗(yàn)證通過后，普通用戶將進(jìn)入到如圖9所示的系統(tǒng)主界面。

圖9 系統(tǒng)主界面

在主界面中還沒有圖層顯示，此時通過文件菜單進(jìn)行操作，打開工作空間，選擇地圖工作空間文件后，點(diǎn)擊“打開”按鈕即可打開選中的地圖工作空間。打開工作空間后，可以顯示圖層數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 地圖圖層顯示界面

在打開工作空間后，可以通過圖層控制菜單對圖層進(jìn)行控制，通過圖9可以看到，在左側(cè)窗口選擇圖層，可以在右側(cè)進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)置通過復(fù)選框進(jìn)行勾選，操作簡單。通過地圖選擇彈出式菜單對圖層元素進(jìn)行選擇，地圖選擇包括點(diǎn)選擇、矩形選擇、圓形選擇、多邊形選擇多個形式。通過點(diǎn)選擇，點(diǎn)擊選中后，可以鼠標(biāo)點(diǎn)擊選中地圖上的要素對象，在圖形下方的列表中即可顯示該地塊的屬性信息。通過選擇圖層元素，可以查看該元素的屬性數(shù)據(jù)。

4.系統(tǒng)測試

作為保證平臺穩(wěn)定性與可靠性的關(guān)鍵步驟，系統(tǒng)測試成為整個平臺創(chuàng)建周期中的最后一環(huán)。其目的就是為了在整個平臺運(yùn)行操作中發(fā)現(xiàn)漏洞并當(dāng)即解決。在前期工作完成之后，對整個平臺內(nèi)分別進(jìn)行了內(nèi)部鏈接測試、各類用戶測試、數(shù)據(jù)庫測試、系統(tǒng)兼容性測試、性能方面測試以及安全測試。整個平臺在整個測試中均表現(xiàn)良好。

5.總結(jié)

系統(tǒng)嚴(yán)格地按照軟件工程的開發(fā)思想，通過對用戶實(shí)際需求的分析，利用SuperMap Objects.NET與My SQL的優(yōu)勢組合進(jìn)行相關(guān)功能與數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并基于此創(chuàng)建了一個集生產(chǎn)管理、土地承包、災(zāi)害管理等多位一體化農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)事作業(yè)相關(guān)操作與數(shù)據(jù)相結(jié)合，完成了數(shù)據(jù)的可視化顯示。

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