基于移動GIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)研制

牛穎超,周忠發(fā)*,王小宇,李丹丹

（1貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴陽 550001；2貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴陽 550001）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)是指在一定區(qū)域內(nèi)以市場為向?qū)?，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為支撐，通過土地、科技、資本高度集中與高度管理的方式，對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改造，智能化經(jīng)營的新型農(nóng)業(yè)［1-2］。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)始于20世紀(jì)90年代初，對農(nóng)業(yè)資源的合理利用和農(nóng)業(yè)技術(shù)的改進(jìn)是一個跨越性的創(chuàng)舉。隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)也隨之大量涌現(xiàn)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)是以“高科技、高品質(zhì)、高效益”為宗旨進(jìn)行建設(shè)的，如今已是最主要的農(nóng)業(yè)發(fā)展形式，其也存在一些問題，如農(nóng)業(yè)園區(qū)界定不明確、土地利用規(guī)劃不合理、管理經(jīng)營混亂難以規(guī)模化等，因此農(nóng)業(yè)園區(qū)的管理至關(guān)重要［3-5］。目前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的軟件管理形式主要是以桌面端為主，已不能滿足用戶的需求。隨著智能手機的普及，人們更傾向于運用移動端的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的管理模式［6-7］。

移動GIS是建立在移動計算環(huán)境中，在有限處理能力的移動設(shè)備上運行的提供移動中的、分布的和隨遇的地理信息服務(wù)的GIS系統(tǒng)［8-9］。為滿足移動GIS應(yīng)用行業(yè)的需求，Esri公司推出ArcGIS Runtime SDK for Android、超圖推出SuperMap iMobile for Android等二次開發(fā)包，具有地圖瀏覽、空間分析、數(shù)據(jù)編輯、導(dǎo)航定位等功能，目前已被廣泛應(yīng)用于智慧交通、智慧旅游、野外數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。如吳揚安［10］開發(fā)了基于ArcGIS for Android的城市管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，申友汀等［11］研發(fā)了基于ArcGIS for Android的福州市實時路況系統(tǒng)，張海瑞等［12］研究了基于ArcGIS for Android的野外實習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)等。本研究采用移動GIS技術(shù)與Android Studio平臺相結(jié)合，開發(fā)基于移動GIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)，以期為用戶提供方便、快捷、智能化的管理平臺，并保證農(nóng)業(yè)園區(qū)信息的實時性。

1 系統(tǒng)開發(fā)框架的構(gòu)建與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)開發(fā)框架的構(gòu)建

1.1.1 系統(tǒng)開發(fā)運行環(huán)境

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)的構(gòu)建-開發(fā)環(huán)境是由JDK（Java Development Kit）、Android SDK（Software Development Kit）、ArcGISRuntime SDK for Android以及Android Studio構(gòu)建。JDK是Java語言的軟件開發(fā)工具包，是整個Java開發(fā)的核心；Android SDK是由谷歌推出的Android軟件開發(fā)工具包，Android的完全開放性為開發(fā)者提供了更大的自由平臺［13-15］；ArcGISRuntime SDK for Android是Esri公司為開發(fā)者提供的移動應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，便于開發(fā)者用Java打造炫酷的地圖應(yīng)用并部署在Android智能手機、平板電腦等終端上［16］；Android Studio是由谷歌2013年在I/O大會上推出的新的Android開發(fā)環(huán)境，是一個基于IntelliJ IDEA的 Android集成開發(fā)工具［17-18］。

1.1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

移動端GIS現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)的整個框架由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層4個層次組成，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram of the system

數(shù)據(jù)層是用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)各類數(shù)據(jù)的存儲。一是園區(qū)的空間數(shù)據(jù)，包含基礎(chǔ)地理信息、土壤重金屬污染數(shù)據(jù)、土壤酸堿度等地圖文檔數(shù)據(jù)；二是屬性數(shù)據(jù)，即氣象站數(shù)據(jù)、企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、不同用戶信息數(shù)據(jù)等。此外還有一些不便于數(shù)據(jù)庫存儲管理的jpg、txt、html、doc數(shù)據(jù)，將其放在服務(wù)器上以方便調(diào)用。

服務(wù)層是以ArcGISServer和Tomcat作為服務(wù)器，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示、編輯、分析和共享提供支持。ArcGISServer是一個GIS服務(wù)器，用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶的GIS應(yīng)用平臺，以服務(wù)的形式實現(xiàn)園區(qū)空間數(shù)據(jù)的對外發(fā)布，為系統(tǒng)的客戶端提供GIS地圖數(shù)據(jù)等支持。Tomcat服務(wù)器是一種輕量級應(yīng)用服務(wù)器，通常將數(shù)據(jù)以xm l或者JSON格式進(jìn)行封裝，然后把封裝好的數(shù)據(jù)返回給客戶端，客戶端以網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行訪問，由此減輕新建連接對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的壓力。

應(yīng)用層是整個系統(tǒng)響應(yīng)客戶端請求的核心層，并根據(jù)用戶請求類型做出相應(yīng)的響應(yīng)，為園區(qū)提供GIS地圖顯示、GIS查詢分析、影像發(fā)布、氣象站數(shù)據(jù)管理、企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、用戶數(shù)權(quán)限管理等功能，方便客戶端與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)查詢。

表現(xiàn)層為用戶呈現(xiàn)出流暢、豐富、美觀的可視化界面，方便不同用戶快捷地嵌入與分類，為園區(qū)的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、決策支持、氣象數(shù)據(jù)、導(dǎo)航定位、企業(yè)管理以及宣傳等功能提供展示平臺。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.2.1 園區(qū)基礎(chǔ)信息查詢模塊

園區(qū)基礎(chǔ)信息查詢模塊包含園區(qū)的基礎(chǔ)地理信息、數(shù)字高程模型、土地利用分類、土壤酸堿度分布、遙感影像功能。通過園區(qū)的基礎(chǔ)地理信息可了解園區(qū)分布狀況、交通、水系等；由數(shù)字高程模型可知園區(qū)的地形空間分布特征；土地利用分類是區(qū)分土地利用空間地域組成單元的過程，由此了解園區(qū)的土地利用情況，因地制宜利用園區(qū)的土地資源；根據(jù)土壤酸堿度分布合理種植與土壤酸堿度相適應(yīng)的作物和植物；查看園區(qū)遙感影像圖直觀了解地物分布狀況。

1.2.2 園區(qū)土壤重金屬污染空間分析模塊

土壤中重金屬含量超過自然條件下含量就會對土壤造成污染，如果在作物中長期積累，通過食物鏈進(jìn)入人體，就會對人體健康造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，對土壤重金屬污染的評價具有十分重要的意義。根據(jù)園區(qū)的分布特征布設(shè)采樣點，運用綜合指數(shù)評價方法獲取Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金屬的評價結(jié)果，利用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，可視化顯示園區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的空間分布情況。

1.2.3 園區(qū)氣象站數(shù)據(jù)查詢功能模塊

園區(qū)氣象站數(shù)據(jù)查詢功能模塊是調(diào)用中國氣象局的接口，獲取園區(qū)氣象數(shù)據(jù)，包括園區(qū)的風(fēng)速、日照時數(shù)、蒸散量、雨量、溫度、濕度等。管理者可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)種植適宜農(nóng)作物，對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉施肥以及預(yù)防病蟲害等。

1.2.4 導(dǎo)航定位功能模塊

北斗導(dǎo)航定位功能模塊是通過ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口調(diào)用手機內(nèi)置北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GPS定位系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，獲取用戶當(dāng)前所在位置，用戶也可以任意放大、縮小、還原地圖，導(dǎo)航功能讓用戶在陌生的地方不迷路，劃出路線確保用戶準(zhǔn)確無誤到達(dá)目的地。

1.2.5 園區(qū)企業(yè)宣傳模塊

園區(qū)企業(yè)宣傳模塊是為園區(qū)企業(yè)量身打造的，公司可以將企業(yè)的簡介、宣傳及產(chǎn)品在該模塊呈現(xiàn)，消費者可以更好地了解園區(qū)，走近園區(qū)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用案例

2.1 園區(qū)概況

貴州省貴陽市花溪區(qū)久安現(xiàn)代高效茶葉示范園區(qū)位于貴陽老城區(qū)的西南面，花溪區(qū)的西北部，阿哈湖畔上游。園區(qū)海拔在1 090—1 450 m，相對高差為100—360 m，適宜茶葉種植，因此園內(nèi)茶樹資源豐富，具有保護價值的古茶樹54 000叢以上，占地266 hm2以上。古茶樹群樹齡均在600年以上，其中樹齡2 000年以上的有19叢，1 000年以上的有14 050叢。古茶樹資源珍稀，利用和研究價值大。選擇該園區(qū)為例構(gòu)建移動GIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)對園區(qū)茶葉種植及保護具有十分重要的意義，可避免貴州地形崎嶇，管理者無法到達(dá)現(xiàn)場的弊端。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計圖Fig.2 Design diagram of system function module

2.2 園區(qū)系統(tǒng)應(yīng)用

2.2.1 系統(tǒng)客戶端展示界面

友好的系統(tǒng)展示界面構(gòu)建是軟件吸引用戶、提高用戶體驗的重要因素之一，所以系統(tǒng)的架構(gòu)會根據(jù)用戶的需求進(jìn)行改造搭建。久安現(xiàn)代高效茶葉示范園區(qū)用戶需要通過驗證進(jìn)入主界面（圖3），主要由園區(qū)風(fēng)景欣賞、系統(tǒng)功能、走近園區(qū)三部分組成。點擊園區(qū)風(fēng)景欣賞輪換圖片，用戶可以了解園區(qū)實時動態(tài)；整個系統(tǒng)的核心部分是系統(tǒng)功能，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、決策支持、氣象數(shù)據(jù)、導(dǎo)航定位、企業(yè)管理六大模塊；走進(jìn)園區(qū)可以方便用戶介紹產(chǎn)品以及消費者選購產(chǎn)品。

2.2.2 系統(tǒng)服務(wù)端實現(xiàn)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)的開發(fā)需要服務(wù)端數(shù)據(jù)庫的支持與服務(wù)的訪問，本研究系統(tǒng)服務(wù)端的實現(xiàn)采用ArcGISServer和Tomcat服務(wù)器。ArcGISServer是提供GIS服務(wù)的服務(wù)器產(chǎn)品，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的發(fā)布。以MapService形式發(fā)布基礎(chǔ)地理信息、土地利用分類、土壤酸堿度分布、土壤重金屬污染空間分析以及導(dǎo)航定位地理地圖；以ImageService形式發(fā)布數(shù)字高程模型、遙感影像，通過在Android Studio的布局文件中添加MapView進(jìn)行訪問。Tomcat服務(wù)器是一種輕量級應(yīng)用服務(wù)器，將封裝好的xml或者JSON格式的氣象站數(shù)據(jù)、企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議的形式返回給客戶端并響應(yīng)客戶端的各種請求。

2.2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)查詢

通過數(shù)據(jù)查詢模塊，用戶可以獲取園區(qū)的基礎(chǔ)信息、數(shù)字高程模型、土地利用狀況、土壤酸堿度信息以及園區(qū)的遙感影像，均是由ArcGISRuntime SDK for Android通過ArcGIS Server地圖發(fā)布服務(wù)獲取數(shù)據(jù)。該模塊功能展示如圖4所示。

（2）數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析模塊是依據(jù)貴州省背景值評價標(biāo)準(zhǔn)，通過反距離權(quán)重插值法，制作土壤重金屬（Hg、As、Cd、Pb、Cr）污染指數(shù)評級圖，用戶可以了解園區(qū)的土壤重金屬污染情況。此模塊由ArcGISRuntime SDK for Android通過ArcGISServer地圖發(fā)布服務(wù)獲取數(shù)據(jù)，最終以如圖5的界面呈現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 System main interface

圖4 數(shù)據(jù)查詢模塊Fig.4 Data query module

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊Fig.5 Data analysismodule

（3）導(dǎo)航定位

導(dǎo)航定位模塊通過ArcGISRuntime SDK for Android提供的接口調(diào)用手機內(nèi)置北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)用戶定位以及區(qū)域查詢功能，并給予用戶友好的體驗界面，方便使用，如圖6所示。

（4）氣象站數(shù)據(jù)查詢

氣象站數(shù)據(jù)包含兩個模塊：氣象數(shù)據(jù)模塊和決策支持模塊（圖7），主要包含的數(shù)據(jù)有園區(qū)降雨量、溫度、濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)、蒸散量等。用戶可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)對園區(qū)的農(nóng)作物進(jìn)行管理，如灌溉、施肥、預(yù)防病蟲害以及洪澇災(zāi)害等。

圖6 導(dǎo)航定位模塊Fig.6 Navigation and positioning module

圖7 氣象站數(shù)據(jù)查詢模塊Fig.7 W eather station data querymodule

（5）企業(yè)管理

企業(yè)管理模塊為園區(qū)公司的內(nèi)容簡介，通過此模塊消費者可以對園區(qū)公司概況進(jìn)行了解，點擊企業(yè)園區(qū)風(fēng)景圖便可進(jìn)入企業(yè)的官方網(wǎng)站，由此了解公司的產(chǎn)品并購買（圖8）。

圖8 企業(yè)管理模塊Fig.8 Businessmanagementmodule

3 結(jié)論

本研究基于Android智能手機，以Android Studio為研發(fā)平臺，結(jié)合 ArcGIS Runtime SDK for Android研制了移動GIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有園區(qū)信息查詢、土壤重金屬污染空間分析、氣象站數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)航定位、企業(yè)宣傳等功能，具備安裝方便、運行快捷、操作簡單、展示直觀、信息多樣化等特點，用戶能夠隨時了解園區(qū)的情況及動態(tài)，并提高園區(qū)建設(shè)、生產(chǎn)和智能化管理的水平。該系統(tǒng)以貴州省貴陽市花溪區(qū)久安現(xiàn)代高效茶葉示范園區(qū)為例進(jìn)行試用，效果良好。因此，基于移動GIS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)具有獨特的作用和優(yōu)勢，在今后的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)和管理方面可推廣應(yīng)用。

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