基于網(wǎng)格化管理的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡云鋒，董昱，孫九林

（中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101）

一、前言

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公眾對于農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全提出了更高的要求，人們在消費(fèi)各種糧食、蔬菜、肉類等農(nóng)產(chǎn)品的同時(shí)，希望了解其來源、種植或飼養(yǎng)等相關(guān)的過程和使用的肥料、農(nóng)藥和飼料的類型與用量。這一需求一方面來源于消費(fèi)者對現(xiàn)階段食品安全的擔(dān)憂，另一方面來源于消費(fèi)者對農(nóng)作物營養(yǎng)價(jià)值認(rèn)知需求的提高。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系的建設(shè)不僅僅有助于提高生產(chǎn)企業(yè)誠信意識和生產(chǎn)管理水平，而且可以構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理長效機(jī)制，也是落實(shí)責(zé)任管理的重要保障。國際上很多國家和地區(qū)均已經(jīng)開展相關(guān)的農(nóng)產(chǎn)品追溯的相關(guān)研究與應(yīng)用，例如歐盟以《第178/2002號法案》為核心形成了較為完善的的農(nóng)產(chǎn)品/食品質(zhì)量安全追溯法律體系，美國出臺的《食品安全跟蹤條例》[1]，日本推行的《食品可追溯制度》[2]，加拿大的《食品與農(nóng)產(chǎn)品的國家品牌戰(zhàn)略》[3]等，均在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全追溯的研究與應(yīng)用方面取得了成效。

美國學(xué)者提出，食品可追溯體系包括三個(gè)維度：寬度（Breadth）、深度（Depth）和精確度（Precision）[4]。其中，寬度是指可追溯的信息量，深度是指農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中追溯的流程區(qū)段，精確度是指農(nóng)作物可追溯信息的精確程度。目前已有的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中，大多數(shù)的系統(tǒng)充分考慮了農(nóng)產(chǎn)品的寬度和深度，但是對精確度的考量較少。這主要是由于目前的系統(tǒng)往往是為規(guī)模、設(shè)備、農(nóng)作方式不同的企業(yè)或者地區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，寬度和深度很容易從生產(chǎn)者和消費(fèi)者的需求中抽象并量化，但是企業(yè)或者地區(qū)可大可小，設(shè)備以及工作方式多種多樣，難以對農(nóng)產(chǎn)品追溯的精確度進(jìn)行界定。與計(jì)算機(jī)技術(shù)中的網(wǎng)格化技術(shù)不同，在地理信息技術(shù)中空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化是按照所需要的研究尺度將研究區(qū)域的空間劃分為大小相同的網(wǎng)格，方便進(jìn)行空間分析與處理[5,6]，是地理信息技術(shù)與空間分析重要的研究手段。在農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中，灌溉、施肥、采摘、收耕等往往是逐區(qū)域進(jìn)行的，因此可以將空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化理論應(yīng)用在作物的可追溯體系中，將農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)場地進(jìn)行分區(qū)，其分區(qū)的大小即為可追溯體系的尺度，可以有效地解決農(nóng)作物追溯的精確度的問題。

我國從2002年開始農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)，這對于促進(jìn)我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展具有重大影響，對于提升我國農(nóng)產(chǎn)品國際競爭力具有可預(yù)見的現(xiàn)實(shí)意義。很多學(xué)者利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等開展了農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的研發(fā)，例如楊信廷等研發(fā)的蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)[7]、張強(qiáng)等在蘇州市推行的蔬菜質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)[8]、董玉德等研發(fā)的基于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)[9]等，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、追溯碼技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了在Web端、桌面端、移動端等多平臺的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯功能，可有效地規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)管理，提高產(chǎn)品附加值，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并應(yīng)用空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化理論可以繼續(xù)提高數(shù)據(jù)采集的便捷化與智能化，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的深度與精準(zhǔn)度，并且使其追溯單元具有彈性。

本研究利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地理信息技術(shù)，融合資源衛(wèi)星、地面?zhèn)鞲衅?、人工采集等多源?shù)據(jù)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，以中寧縣枸杞生產(chǎn)銷售為例，研發(fā)了一套從生產(chǎn)、收獲、分揀、包裝到銷售全流程的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。

二、總體框架設(shè)計(jì)

本研究以枸杞為例，針對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯過程進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯抽象，提煉核心業(yè)務(wù)需求，最終將用戶群劃分成管理者、生產(chǎn)者和消費(fèi)者三種角色，將業(yè)務(wù)流程劃分為生產(chǎn)、收獲、分揀、包裝、銷售五個(gè)主要部分。

系統(tǒng)主要包括客戶端和云端兩個(gè)部分，其中客戶端分為管理者端、生產(chǎn)者端、消費(fèi)者端三個(gè)部分，其中，管理者端主要為田間管理部門提供預(yù)警閾值設(shè)置、監(jiān)測信息管理等功能，生產(chǎn)者端主要為技術(shù)員、種植工人等田間工作人員提供預(yù)警信息推送、數(shù)據(jù)采集等功能，消費(fèi)者端主要為購買農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)者等提供二維碼追溯信息瀏覽等功能。其各部分主要架構(gòu)與功能如下：

（1）系統(tǒng)的云端服務(wù)功能搭建在阿里云的彈性計(jì)算服務(wù)（ECS）上，其主要的業(yè)務(wù)邏輯代碼是在.Net Framework框架下利用C#語言編寫的，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化功能。云端與客戶端的交互主要由兩種方式實(shí)現(xiàn)：①客戶端的用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)采集/接收、新聞信息等主要功能利用Web應(yīng)用服務(wù)器IIS（Internet Information Services）提供符合REST規(guī)范的HTTP/HTTPS服務(wù)與客戶端交互；②傳感器、資源遙感等預(yù)警信息的消息推送功能采用MPush實(shí)時(shí)消息推送模塊實(shí)現(xiàn)。

（2）管理者端主要對農(nóng)作物的生長環(huán)境、作物歷等進(jìn)行基本控制，需要從整體上對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，例如對傳感器、天氣、長勢等預(yù)警信息的掌控，對其預(yù)警的閾值進(jìn)行調(diào)整等。鑒于管理者在室內(nèi)工作更為方便，因此管理者端設(shè)計(jì)為運(yùn)行在PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)下基于.Net Framework框架的應(yīng)用程序，可以對預(yù)警信息推送等功能進(jìn)行配置，其主要的功能包括插值服務(wù)配置、二維碼服務(wù)配置、IoT預(yù)警服務(wù)配置、天氣預(yù)警服務(wù)配置、資源遙感預(yù)警服務(wù)配置、農(nóng)作物長勢統(tǒng)計(jì)分析等。

（3）生產(chǎn)者端是可以安裝在Android和iOS系統(tǒng)上的一套移動應(yīng)用程序，是用于管理者、技術(shù)員、工人使用的輕量級用戶接口，不僅包含了對農(nóng)作物農(nóng)情的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，還包括了農(nóng)作物的生長環(huán)境、生長信息、摘采分揀等數(shù)據(jù)采集功能。生產(chǎn)者主要包括技術(shù)員、工人等，其工作流程較為復(fù)雜，需要長時(shí)間在野外進(jìn)行工作。在野外工作時(shí)，采用安裝在手機(jī)上的應(yīng)用軟件可以提高工作便利性，方便數(shù)據(jù)的采集[10]，因此生產(chǎn)者端分別設(shè)計(jì)了Android端應(yīng)用程序和iOS端應(yīng)用程序兩個(gè)部分。Android端應(yīng)用程序是在Android Studio集成開發(fā)環(huán)境下利用Java語言編程實(shí)現(xiàn)的，采用SQLite輕量級數(shù)據(jù)庫與GreenDao進(jìn)行對象關(guān)系映射。iOS端應(yīng)用程序是在Xcode集成開發(fā)環(huán)境下利用Objective-C語言編程實(shí)現(xiàn)的，采用SQLite輕量級數(shù)據(jù)庫與CoreData進(jìn)行對象關(guān)系映射。生產(chǎn)者端的主要功能包括園區(qū)管理、本地環(huán)境數(shù)據(jù)采集、田間作業(yè)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品分選數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品評級數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品包裝數(shù)據(jù)采集等功能。

（4）消費(fèi)者端的用戶界面是建立在微信公眾平臺上，利用微信的掃一掃功能對貼在產(chǎn)品包裝上的二維碼進(jìn)行識別可對其產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史進(jìn)行查詢。消費(fèi)者端的查詢頁面設(shè)計(jì)為HTML頁面，利用HTTP的Post參數(shù)存儲二維碼信息向服務(wù)器提交查詢請求，其查詢結(jié)果包括了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地信息、生長環(huán)境信息、生長照片、分級信息、分選信息和包裝信息等。

基于網(wǎng)格化管理的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)，如圖1所示。

三、功能模塊設(shè)計(jì)

基于網(wǎng)格化管理的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)主要包括園區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、信息采集功能、監(jiān)控與預(yù)警功能、農(nóng)產(chǎn)品追溯功能等，其功能模塊設(shè)計(jì)，如圖2所示。

（一）園區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)功能

園區(qū)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)功能主要是利用網(wǎng)格化的方法對園區(qū)發(fā)展規(guī)劃和功能布局進(jìn)行空間分布設(shè)計(jì)，這需要結(jié)合實(shí)際情況，例如灌溉設(shè)備等部署，將園區(qū)分成大小一致的網(wǎng)格。首先，需要利用生產(chǎn)者端軟件輸入園區(qū)的基本情況，例如園區(qū)名稱、負(fù)責(zé)人、園區(qū)類型等信息，然后在電子地圖上繪制園區(qū)的范圍，然后選擇需要劃分的格網(wǎng)的大小，系統(tǒng)會將園區(qū)自動劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，如圖3(a)所示。網(wǎng)格化的園區(qū)信息會保存在云端數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)的預(yù)警功能、產(chǎn)品追溯功能等都將園區(qū)的網(wǎng)格作為管理的基本單元。

（二）信息采集功能

信息采集功能主要是指生產(chǎn)者端對農(nóng)產(chǎn)品生成全流程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其采集的每一項(xiàng)信息將與園區(qū)的網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)，如圖3(b)所示。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，生產(chǎn)者需要實(shí)現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品的“三控”信息（即生產(chǎn)環(huán)境控制、生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制等三類信息）的統(tǒng)一管理。系統(tǒng)將“三控”信息融入農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的全流程，如圖4所示。其中，新建園區(qū)信息管理和錄入本底環(huán)境部分實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)環(huán)境控制功能，病蟲害信息、種苗信息、施肥施水信息、物候信息的錄入部分實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程控制功能，產(chǎn)品分選、產(chǎn)品評級、產(chǎn)品包裝錄入部分實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量控制功能。

（三）監(jiān)控與預(yù)警功能

監(jiān)控與預(yù)警功能需要利用資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)與田間地面?zhèn)鞲衅鞯榷嘣磾?shù)據(jù)，對農(nóng)作物的生長環(huán)境與長勢進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)某些指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，通過系統(tǒng)的推送功能推送到管理者與生產(chǎn)者的系統(tǒng)終端上，以達(dá)到預(yù)警功能。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

圖2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

資源遙感監(jiān)控與預(yù)警功能主要利用資源遙感衛(wèi)星（例如Terra衛(wèi)星、Aqua衛(wèi)星、Landsat系列衛(wèi)星等）數(shù)據(jù)反演的植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）等遙感指標(biāo)對植被進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)可以利用這些指標(biāo)判斷植被的長勢和病蟲害事件，應(yīng)用時(shí)序同比、環(huán)比或者其他作物診斷模型方法，當(dāng)NPP或者NDVI超出某一閾值時(shí)，則系統(tǒng)判斷農(nóng)作物長勢較差，將該信息推送給管理者端和生產(chǎn)者端，以便決策者進(jìn)一步處理。

氣象信息監(jiān)控與預(yù)警功能主要利用氣象部門實(shí)時(shí)發(fā)布的氣溫、降水等數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)作物的生長情況，適時(shí)推送氣象預(yù)警信息。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到當(dāng)前或者未來的氣溫、降水高于或者低于某一閾值，則向管理者端和生產(chǎn)者端推送高溫、低溫、水災(zāi)、干旱等預(yù)警信息。

傳感器監(jiān)控與預(yù)警功能主要利用田間傳感器獲取的土壤溫濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、二氧化碳濃度等的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，形成園區(qū)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖3(c)所示，當(dāng)某些地區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)生異常（高于或低于閾值）時(shí)，則向管理者端和生產(chǎn)者端推送相關(guān)警告。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的主要界面

圖4 農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)生產(chǎn)者端的“三控”信息管理

（四）農(nóng)產(chǎn)品追溯功能

農(nóng)產(chǎn)品追溯功能是以二維碼為載體，利用產(chǎn)品識別碼幫助消費(fèi)者獲取該商品的生長、評級、包裝等歷史信息。農(nóng)產(chǎn)品追溯功能主要包括產(chǎn)品識別碼分發(fā)與二維碼生成、二維碼掃描與產(chǎn)品追溯兩個(gè)子模塊。

產(chǎn)品識別碼分發(fā)與二維碼生成子模塊可按照一定的編碼規(guī)則生成識別碼，將識別碼與農(nóng)作物的生長信息等相關(guān)聯(lián)。這個(gè)識別碼是在農(nóng)產(chǎn)品收獲和分揀的時(shí)候生成的，與收獲時(shí)網(wǎng)格化的地塊編碼以及分揀信息相關(guān)聯(lián)，農(nóng)產(chǎn)品在隨后的評級和包裝中均帶有這個(gè)識別碼信息。因此，當(dāng)消費(fèi)者購買農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，其帶有識別碼信息的二維碼即與該產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程的信息相關(guān)聯(lián)。

二維碼掃描與產(chǎn)品追溯子模塊可以根據(jù)二維碼信息獲取產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程的信息：農(nóng)產(chǎn)品的收獲、分揀、評級和包裝信息直接和二維碼中的識別碼相關(guān)聯(lián)。而產(chǎn)品的生長信息是與園區(qū)網(wǎng)格化的地塊相關(guān)的，首先利用二維碼中的識別碼查詢該產(chǎn)品所對應(yīng)園區(qū)網(wǎng)格化的地塊（即產(chǎn)品來源），然后利用這個(gè)地塊可以查詢到該產(chǎn)品的種苗、物候、施肥、施水、病蟲害等信息，如圖3(d)所示。

四、系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

（一）運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)云端、管理者端、生產(chǎn)者端和消費(fèi)者端的運(yùn)行環(huán)境分述如下：

（1）系統(tǒng)云端環(huán)境。云端硬件最低配置為2 GB運(yùn)行內(nèi)存，帶寬2 M。云端需要使用Windows操作系統(tǒng)，需要SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、IIS Web服務(wù)器支持。

（2）管理者端環(huán)境。管理者端硬件最低配置為1 GB運(yùn)行內(nèi)存，以及500 MB以上的可用硬盤空間。管理者需使用Windows操作系統(tǒng)，需要.Net Framework 4.5支持。

（3）生產(chǎn)者端環(huán)境。Android端需要運(yùn)行4.0及其以上版本Android操作系統(tǒng)，且具有GPS與拍照功能的手機(jī)或者平板電腦，最低512 MB運(yùn)行內(nèi)存以及必要的可用存儲空間。iOS端需要運(yùn)行iOS 8.0及其以上版本操作系統(tǒng)的iPhone或者iPad設(shè)備，以及必要的可用存儲空間。

（4）消費(fèi)者端環(huán)境。消費(fèi)者端需要具有攝像頭拍照功能、能夠鏈接互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)或者平板電腦，同時(shí)安裝有微信、QQ、支付寶等具有二維碼掃描和識別功能的APP。

（二）關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1. 定位與地圖顯示

系統(tǒng)所采用的定位功能是建立在移動終端的GPS模塊基礎(chǔ)上，接收GPS和GLONASS衛(wèi)星信號，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)基站信息進(jìn)行定位的A-GPS定位功能。在Android和iOS系統(tǒng)中，移動終端均可以通過A-GPS定位技術(shù)獲得WGS-84地理坐標(biāo)系下的地理坐標(biāo)。Openlayers是開源地圖框架構(gòu)建的數(shù)字地圖，可以將上述地理坐標(biāo)和園區(qū)的位置信息和狀態(tài)信息顯示在用戶界面上。Openlayers是基于JavaScript和CSS運(yùn)行在瀏覽器上的電子地圖模塊，包含了各種用于操作地圖、圖層、數(shù)據(jù)源、樣式的類。其中，ol.layer.Image類和ol.layer.Tile類代表了柵格圖層，ol.layer.Vector類代表了矢量圖層，將上述類的對象插入ol.Map類的圖層中可以實(shí)現(xiàn)圖層的控制。另外，利用ol.interaction.Draw類可以方便地實(shí)現(xiàn)園區(qū)的繪制功能。但是，Openlayers只能運(yùn)行在瀏覽器上，因此本系統(tǒng)針對不同操作系統(tǒng)的特性，實(shí)現(xiàn)了地圖控件和Android與iOS本地代碼間的交互功能。在iOS系統(tǒng)上，本系統(tǒng)利用了Web View JavaScript Bridge開源工具實(shí)現(xiàn)Objective-C代碼與運(yùn)行在UI Web View控件上的JavaScript代碼進(jìn)行交互。在Android系統(tǒng)上，利用JavaScript Interface工具實(shí)現(xiàn)了Java代碼與運(yùn)行在Web View控件上的JavaScript代碼的交互功能。

2. 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是指將管理園區(qū)按照實(shí)際的需求劃分成規(guī)整大小的網(wǎng)格單元，并將它們與衛(wèi)星遙感柵格、傳感器插值數(shù)據(jù)等各種不同來源的數(shù)據(jù)相匹配，可以達(dá)到天空地聯(lián)動、高精度監(jiān)控和管理的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)格網(wǎng)生成技術(shù)是通過園區(qū)矢量多邊形的外包矩形的西北點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，按照預(yù)設(shè)的格網(wǎng)密度生成可以完全包含外包矩形的一系列的數(shù)據(jù)格網(wǎng)，然后依次判斷這些格網(wǎng)是否在園區(qū)的多邊形內(nèi)或者與其相交，去除與園區(qū)范圍無關(guān)的格網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)格網(wǎng)是可以完全覆蓋園區(qū)范圍的格網(wǎng)最小子集。

衛(wèi)星遙感柵格、傳感器插值數(shù)據(jù)等需要與上述園區(qū)格網(wǎng)進(jìn)行匹配。對于傳感器數(shù)據(jù)而言，分布在不同地理位置上的傳感器形成傳感器集群，設(shè)計(jì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口與云端系統(tǒng)進(jìn)行連接。云端系統(tǒng)可以利用集群傳輸回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行最近鄰插值、雙線性插值、三次卷積法等插值方法進(jìn)行插值，從而將其網(wǎng)格化。對于資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)而言，系統(tǒng)采用MODIS和Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到的NDVI、NPP等數(shù)據(jù)，其本身即為網(wǎng)格化的柵格數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)重采樣即可將每一個(gè)園區(qū)的格網(wǎng)對應(yīng)一個(gè)柵格值。網(wǎng)格化所采樣的插值與重采樣等空間分析方法采用GDAL（Geospatial Data Abstraction Library）開源庫實(shí)現(xiàn)，利用C++語言將其封裝為動態(tài)鏈接庫。云端系統(tǒng)在接收到新的數(shù)據(jù)時(shí)，自動識別數(shù)據(jù)類型及其元數(shù)據(jù)，調(diào)用相關(guān)的動態(tài)鏈接庫進(jìn)行網(wǎng)格化。

3. 預(yù)警服務(wù)和推送

預(yù)警服務(wù)與推送技術(shù)是指將服務(wù)器的預(yù)警信息向客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)推送，其主要包含預(yù)警信息生成和消息推送兩個(gè)部分。

預(yù)警信息生成是指根據(jù)地面田間傳感器、資源衛(wèi)星遙感等采集的多源數(shù)據(jù)，結(jié)合管理者設(shè)置的報(bào)警閾值生成預(yù)警信息。預(yù)警信息的數(shù)據(jù)源包括了田間傳感器和資源衛(wèi)星遙感兩大類。對于田間傳感器而言，各種采集不同類型數(shù)據(jù)的傳感器通過Zigbee低功率通信技術(shù)與服務(wù)器連接，以一定的時(shí)間間隔將數(shù)據(jù)發(fā)送到預(yù)警服務(wù)模塊。對于資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)則是通過互聯(lián)網(wǎng)使用美國國家航空航天局（NASA）提供的MODIS等數(shù)據(jù)下載API遙感數(shù)據(jù)，再通過GDAL開源庫對其進(jìn)行幾何校正、輻射校正、拼接、裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理，計(jì)算NDVI等遙感指標(biāo)，并推送至預(yù)警服務(wù)模塊。預(yù)警服務(wù)模塊包含有枸杞等農(nóng)作物在不同生長期正常生長的環(huán)境變量閾值參數(shù)，其閾值分為提醒閾值、警告閾值和嚴(yán)重警告閾值等。例如，預(yù)警服務(wù)模塊為枸杞在種苗、抹芽、修剪、開花、結(jié)果等各個(gè)生長期設(shè)定了溫度、降水、NDVI等閾值，當(dāng)枸杞在生長過程的某個(gè)階段超出了某個(gè)閾值，預(yù)警提醒模塊會發(fā)送預(yù)警信息到推送模塊進(jìn)行推送。另外，由于某些指標(biāo)可能在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)生成報(bào)警信息，為了避免多次推送，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置其報(bào)警的頻率，也可以根據(jù)實(shí)際情況忽略某些預(yù)警信息。

消息推送技術(shù)是利用互聯(lián)網(wǎng)將預(yù)警信息推送至系統(tǒng)的客戶端。為了保證預(yù)警信息推送的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)利用TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議使服務(wù)器與客戶端一直保持長連接，對于生產(chǎn)者的iOS端而言，由于系統(tǒng)的限制，需要利用蘋果公司的推送服務(wù)對客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)推送，而對于生產(chǎn)者的Android端而言，本系統(tǒng)采用MPush開源推送模塊。如果云端和生產(chǎn)者端的連接中斷，則系統(tǒng)在提示用戶的同時(shí)，采用“心跳”機(jī)制不斷嘗試重新與服務(wù)器握手連接。上述方式可以在有網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下始終保持客戶端的在線狀態(tài)，使得云端所產(chǎn)生的預(yù)警信息可以及時(shí)有效地推送。

4. 二維碼關(guān)聯(lián)和追溯

二維碼關(guān)聯(lián)和追溯是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全流程的追溯體系中重要的環(huán)節(jié)?？勺匪莸霓r(nóng)產(chǎn)品都會附有產(chǎn)品識別碼，該識別碼采用一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，并利用藍(lán)牙打印機(jī)進(jìn)行打印，當(dāng)消費(fèi)者掃描上述二維碼時(shí)，系統(tǒng)需要按照一定的方式提取農(nóng)產(chǎn)品的全流程生產(chǎn)信息，在上述流程中主要包括識別碼編碼方法、藍(lán)牙打印技術(shù)和掃碼追溯技術(shù)等。

（1）識別碼編碼方法。本系統(tǒng)的編碼原則是利用較小的編碼長度匹配全部相關(guān)的數(shù)據(jù)庫信息，且保證編碼的唯一性。本系統(tǒng)所采集的本底環(huán)境信息、生長狀況信息、分揀評級信息都需要編碼，而農(nóng)產(chǎn)品的識別碼是需要生成二維碼并依附在農(nóng)產(chǎn)品之上的，該編碼包含的信息量最大，也最為重要。以枸杞為例，農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)過分揀后其產(chǎn)品的性質(zhì)已經(jīng)固定，因此農(nóng)產(chǎn)品識別碼在分揀后實(shí)時(shí)生成，分揀后的評級、包裝等信息也依附于此農(nóng)產(chǎn)品識別碼。農(nóng)產(chǎn)品識別碼共15位，由分揀時(shí)間、操作人員編號、分揀編號組成，如圖5所示。其中，分揀時(shí)間采用兩位的年份和三位的儒略日（年積日）的形式表達(dá)，操作人員編號采用七位編號表達(dá)，分揀編號采用三位的從001開始的順序號表達(dá)。

圖5 農(nóng)產(chǎn)品識別碼編碼規(guī)則

（2）藍(lán)牙打印技術(shù)。由于系統(tǒng)的二維碼需要在分揀時(shí)打印，因此需要使用適合野外的打印機(jī)。藍(lán)牙打印機(jī)外形小巧，攜帶方便，可連接Android和iOS移動終端在野外實(shí)時(shí)快速的打印。本系統(tǒng)采用美國Epson有限公司指定的ESC指令集進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與打印機(jī)控制，利用藍(lán)牙連向打印機(jī)傳送二進(jìn)制碼，可以將手機(jī)生成的二維碼圖片傳輸?shù)酱蛴C(jī)進(jìn)行輸出。

（3）掃碼追溯技術(shù)。消費(fèi)者對二維碼進(jìn)行掃描時(shí)，系統(tǒng)首先會查詢到該產(chǎn)品的分揀、評級、包裝等信息，分揀信息中包括農(nóng)作物摘采的網(wǎng)格編號，利用該網(wǎng)格編號可以查詢到該地塊農(nóng)作物的生長環(huán)境、作物歷等各種信息。

（三）應(yīng)用示范

本研究在阿里云服務(wù)器、魅族MX6、iPhone、iPad等多臺服務(wù)器與移動設(shè)備上調(diào)試并部署了上述農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，在2017年間與寧夏大地生態(tài)有限公司開展合作，并在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣枸杞園區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用示范。該地區(qū)地處黃河兩岸，為內(nèi)蒙古高原和黃土高原過渡帶，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，晝夜溫差大，其獨(dú)特的地理氣候條件使得該地區(qū)的枸杞具有較高的品質(zhì)，在全國擁有很大的銷量。因此，在中寧縣的枸杞園區(qū)開展其質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)的示范工作具有重要的意義。

在2017年的示范應(yīng)用過程中，系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋了從耕地、種苗、抹芽、灌溉、修剪、除草、分揀、評級、包裝、銷售等整個(gè)枸杞生產(chǎn)銷售流程，最終通過了現(xiàn)場檢查和項(xiàng)目驗(yàn)收。示范應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠基本滿足管理人員、生產(chǎn)人員和消費(fèi)者的需求，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的信息化、智能化方面取得了新的突破，一定程度上保證了枸杞質(zhì)量安全，具有較好的應(yīng)用示范價(jià)值。

五、結(jié)論與展望

本研究利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地理信息技術(shù)，融合資源衛(wèi)星、地面?zhèn)鞲衅鳌⑷斯げ杉榷嘣磾?shù)據(jù)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，以枸杞為例，研發(fā)了一套從生產(chǎn)、收獲、分揀、包裝到銷售全流程的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，并以寧夏枸杞園區(qū)為例進(jìn)行了實(shí)踐，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與有效性。主要結(jié)論如下：

（1）實(shí)現(xiàn)了可自定義不同網(wǎng)格大小的農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)格化管理及其產(chǎn)品追溯功能，因此產(chǎn)品追溯的精確度可以隨著網(wǎng)格尺度變化，從而實(shí)現(xiàn)了包括寬度、深度和精確度三個(gè)維度的食品可追溯體系。

（2）軟件結(jié)合了資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、田間傳感器以及生產(chǎn)者端錄入的“三控”信息數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，有效地對農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲、分揀、包裝到銷售全流程進(jìn)行追溯。

（3）系統(tǒng)利用資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)與田間地面?zhèn)鞲衅鞯榷嘣磾?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了可自定義預(yù)警閾值的預(yù)警推送功能，幫助管理者和生產(chǎn)者對農(nóng)產(chǎn)品的生長環(huán)境和長勢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警，可提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

盡管基于網(wǎng)格化管理的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但目前的系統(tǒng)依然存在諸多需要改進(jìn)之處。一方面，目前系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程和“三控”信息采集與編碼系統(tǒng)僅僅是針對枸杞這種特定經(jīng)濟(jì)作物的，未來針對糧食、蔬菜等更多作物，甚至是牲畜養(yǎng)殖和水產(chǎn)品等其他農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)，還需要研究建立國家層面統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的追溯標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，目前系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)警功能僅利用資源衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)對農(nóng)作物長勢進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警，未來在縣、市、省甚至國家等大尺度區(qū)域開展的監(jiān)測、分析和預(yù)警，則可以進(jìn)一步增強(qiáng)生產(chǎn)者對整個(gè)市場全鏈條的了解，從而更加科學(xué)、有的放矢地對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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