基于WebGIS的鹽堿地水鹽動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)①

張 治，高明秀，朱昌達(dá)

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基于WebGIS的鹽堿地水鹽動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)①

張 治1,2，高明秀1*，朱昌達(dá)1

(1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

開發(fā)利用鹽堿地是補(bǔ)充耕地、保障國家糧食安全的重要途徑。加強(qiáng)水鹽動態(tài)監(jiān)測是掌握水鹽運(yùn)移規(guī)律，及時采取針對性調(diào)控措施改良利用鹽堿地的基礎(chǔ)。本文基于WebGIS平臺，采用微軟Silverlight技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了鹽堿地水鹽動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地塊信息查詢、水鹽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、水鹽空間分析、水鹽動態(tài)趨勢分析及預(yù)警等功能，并在山東省無棣縣鹽堿農(nóng)田進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以輔助用戶及時、全面掌握鹽堿農(nóng)田水鹽動態(tài)信息，為田間管理提供決策支持。

鹽堿地；水鹽運(yùn)移；動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；WebGIS

土地鹽堿化是影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的主要災(zāi)害因子之一，及時監(jiān)測和掌握水鹽動態(tài)運(yùn)移規(guī)律是改良利用鹽堿地的重要前提[1-3]。因此，水鹽動態(tài)監(jiān)測研究始終是鹽堿地研究的熱點(diǎn)之一，多年來取得較多研究成果[3-7]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法一般是通過野外采樣、實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)獲取水分、鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[1,3-7]，但這種方法成本高且費(fèi)時費(fèi)力，難于取得快速、及時的效果。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，大面積估測土壤水分、鹽分取得較大進(jìn)展，但遙感主要面向區(qū)域，且受到氣象因素及影像取得條件等諸多限制[8-9]。近年來通過高光譜技術(shù)反演土壤水鹽含量受到重視[10-14]，與遙感結(jié)合可實(shí)現(xiàn)不同尺度的監(jiān)測，但仍受到成本和技術(shù)要求高的限制，難于廣泛應(yīng)用于實(shí)際[15-17]。因此，如何構(gòu)建集數(shù)據(jù)獲取、分析和預(yù)警于一體的監(jiān)測系統(tǒng)，將研究成果真正投入生產(chǎn)應(yīng)用是當(dāng)前面臨的重要課題。目前來看，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了很多用于土壤墑情監(jiān)測的系統(tǒng)[18-19]，主要是通過固定站點(diǎn)監(jiān)測、移動式測量和遙感監(jiān)測3種方式來獲取墑情數(shù)據(jù)。張曉月等[18]基于VC++及Fortran 程序語言設(shè)計(jì)了遼寧省農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)，王東旭等[19]開發(fā)了基于遙感影像溫度-植被干旱指數(shù)(TDVI)反演的云南省土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)多是較大尺度的宏觀墑情監(jiān)測。在鹽堿地水鹽聯(lián)合監(jiān)測方面，有學(xué)者基于多種方式獲取水鹽數(shù)據(jù)，開發(fā)了鹽堿地水鹽動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[9,20]。徐力剛等[20]運(yùn)用Microsoft Access 97建立了基于Windows平臺的土壤水鹽動態(tài)數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、查詢和基本分析；林蔚等[9]開發(fā)了監(jiān)測濱海鹽土棉田棉花和土壤水、鹽狀況的遙感監(jiān)測系統(tǒng)?？偟膩砜?，不管是單純的墑情監(jiān)測，還是水鹽狀況聯(lián)合監(jiān)測，均存在不能夠大面積應(yīng)用，且人力物力財(cái)力耗費(fèi)大的缺點(diǎn)?；诖耍疚闹荚卺槍Νh(huán)渤海低平原區(qū)土地瘠薄鹽堿、水資源匱乏，土壤水分、鹽堿等影響作物生長的關(guān)鍵因子時空變幅大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上土壤管理迫切需要及時準(zhǔn)確把握變化規(guī)律、采取調(diào)控措施的現(xiàn)實(shí)問題[21]，基于物聯(lián)網(wǎng)自動定點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和便攜式速測儀移動采集數(shù)據(jù)，在WebGIS平臺支持下，采用MicrosoftSilverlight技術(shù)，開發(fā)鹽堿地水鹽動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測和分析土壤水鹽變化，通過綜合分析、遠(yuǎn)程可視化呈現(xiàn)，為生產(chǎn)管理提供決策支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2010，運(yùn)用ESRI的ArcGIS 10.0系列軟件實(shí)現(xiàn)地圖文檔的編輯及發(fā)布功能，并安裝ESRI的ArcGIS API for Silverlight，以增加Silverlight開發(fā)地理應(yīng)用的簡易性和靈活性。采用Silverlight 5進(jìn)行開發(fā)，前臺界面框架應(yīng)用可擴(kuò)展應(yīng)用程序標(biāo)記語言(eXtensible Application Markup Language，XAML) 設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面的動畫部分用Bend4進(jìn)行設(shè)計(jì)；后臺應(yīng)用C＃編程語言結(jié)合ArcGIS API完成基本功能設(shè)計(jì)、方法的調(diào)用[22-24]。ArcGIS API for Silverlight是由美國ESRI公司推出的，用于在Silverlight平臺上開發(fā)WebGIS應(yīng)用的一套編程接口。它通過REST接口訪問ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務(wù)、影像服務(wù)、幾何服務(wù)、地理處理服務(wù)、要素服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，還可以訪問OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WFS、WCS等服務(wù)，也可訪問Bing地圖服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于WebGIS服務(wù)，該系統(tǒng)采用3層B/S (Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)架構(gòu)：數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層，以提高系統(tǒng)的交互性，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1)數(shù)據(jù)層。該層存放鹽堿農(nóng)田的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，系統(tǒng)使用SQLsever數(shù)據(jù)庫存儲農(nóng)田屬性數(shù)據(jù)，使用文件地理數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)。在該層中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)映射成ADO.NET實(shí)體數(shù)據(jù)模型，對數(shù)據(jù)庫的訪問轉(zhuǎn)化為對實(shí)體數(shù)據(jù)模型的訪問，并使用WCF(Windows Communication Foundation)服務(wù)發(fā)送SOAP(Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協(xié)議)消息傳輸數(shù)據(jù)。通過ArcGIS Server發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，發(fā)布的地圖對應(yīng)唯一標(biāo)識-URI，便于界面層訪問。

2)功能層。系統(tǒng)采用ArcGIS API for Silverlight實(shí)現(xiàn)GIS的各項(xiàng)功能，ArcGIS API for Silverlight則基于ArcGIS Server REST 接口工作，以提高性能，降低成本。

3)應(yīng)用層。用戶通過安裝有Silverlight插件的瀏覽器對系統(tǒng)進(jìn)行靈活訪問。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鹽堿農(nóng)田地塊信息空間差異、動態(tài)變幅大，及時掌握地塊基本信息、統(tǒng)計(jì)分析水鹽動態(tài)變化和空間差異并掌握其規(guī)律，對指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要實(shí)踐意義。監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括地塊信息查詢、水鹽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、水鹽空間分析和水鹽動態(tài)趨勢分析與預(yù)警4個模塊。

2.1 地塊信息查詢

查詢模塊可以通過點(diǎn)查詢和條件查詢兩種方式幫助用戶快速獲取地塊的詳細(xì)信息(如經(jīng)緯度、土壤含水量、含鹽量、pH等)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：將農(nóng)田地塊信息存儲于后臺的數(shù)據(jù)庫中，通過Silverlight調(diào)用WCF服務(wù)異步傳輸數(shù)據(jù)。通過Web服務(wù)端創(chuàng)建實(shí)體數(shù)據(jù)模型，將類的屬性映射到數(shù)據(jù)庫中的表和屬性字段，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理。通過創(chuàng)建域服務(wù)，將生產(chǎn)的模型向Silverlight客戶端公開。客戶端通過模型和服務(wù)與后臺數(shù)據(jù)庫通信[22]。

點(diǎn)查詢運(yùn)用QueryTask方法顯示屬性信息，每個地塊對應(yīng)一個3位數(shù)字編碼的地塊號(如001，999)作為唯一標(biāo)識。用戶只需輸入待查詢地塊號(或在系統(tǒng)中選擇)，GIS地圖即可對該地塊進(jìn)行查找定位并渲染突出，在信息框顯示相應(yīng)地塊的查詢結(jié)果信息。

條件查詢通過將管理者輸入的要素編制成SQL語句，調(diào)用QueryTask方法實(shí)現(xiàn)。條件查詢可滿足用戶對某屬性進(jìn)行定量查詢和復(fù)合條件查詢，查詢到目標(biāo)后可通過點(diǎn)擊該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速定位。

2.2 水鹽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過統(tǒng)計(jì)分析模塊，對各地塊監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將分析結(jié)果呈現(xiàn)在DataGrid中，或以統(tǒng)計(jì)圖形式呈現(xiàn)，方便管理者查看和分析使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：運(yùn)用平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、變異系數(shù)、峰度、偏度等統(tǒng)計(jì)分析模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，引用第三方程序集調(diào)用第三方控件Chart進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)；對不同地塊水分、鹽分含量用柱狀圖顯示，可作直觀比較。

2.3 水鹽空間分析

農(nóng)田土壤墑情、鹽分含量、酸堿度等在空間上有一定的連續(xù)分布規(guī)律，通過監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對農(nóng)田水鹽進(jìn)行空間分析，推測相鄰監(jiān)測點(diǎn)間土壤信息，為用戶提供空間分布圖利于水鹽調(diào)控措施的實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：通過調(diào)用GP(Geoprocessing)服務(wù)進(jìn)行插值，分別對水分、鹽分和pH進(jìn)行反距離插值生成圖像，使水鹽數(shù)據(jù)由點(diǎn)及面覆蓋整個研究區(qū)。GP可以對原有的功能進(jìn)行擴(kuò)充，只要在桌面實(shí)現(xiàn)的事情，在Server都可以做到。通過發(fā)布GP模型，在Web端使用ArcGIS提供的空間分析，用較少的代碼就可以完成一個復(fù)雜的操作。

2.4 水鹽動態(tài)趨勢分析與預(yù)警

土壤水分過多或過少會引起旱澇災(zāi)害。參考農(nóng)業(yè)部《全國土壤墑情監(jiān)測工作方案》([農(nóng)辦農(nóng)2012]14號)和水利部《土壤墑情評價指標(biāo)》(SL568—2012)，結(jié)合研究區(qū)土壤田間持水量，確定土壤含水量預(yù)警閾值[12%, 30%][25-26]。土壤鹽分過高、酸堿度過高或過低，都會對作物生長產(chǎn)生脅迫。鹽分含量超過2 g/kg時，土壤中度鹽漬化，作物生長受到脅迫，超過3 g/kg時嚴(yán)重影響小麥玉米生長；小麥、玉米適宜的pH在6.5 ~ 8.5，pH>8.5或pH<6.5都對作物生長不利[1]。因此，通過系統(tǒng)分析，對田間水鹽狀況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)預(yù)警和空間預(yù)警，可以幫助用戶及時掌握情況采取措施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：水鹽預(yù)警采取動態(tài)預(yù)警和空間預(yù)警兩種方式。動態(tài)預(yù)警以設(shè)置水鹽閾值方式進(jìn)行警示。參照土壤鹽分分級標(biāo)準(zhǔn)和作物(小麥、玉米)對水鹽條件的要求，確定水鹽含量的閾值，并將其標(biāo)記在坐標(biāo)系中，水鹽含量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系上動態(tài)地呈現(xiàn)為曲線圖形。當(dāng)水鹽含量超過或低于該閾值時，則提示應(yīng)采取調(diào)控措施。空間預(yù)警是根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)水鹽數(shù)值的高低進(jìn)行符號化顯示，并進(jìn)行插值和渲染，使閾值范圍內(nèi)和高(或低)于閾值的地塊顯示不同的顏色，以對用戶起警示作用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源與處理

系統(tǒng)采用WGS84地理坐標(biāo)系，地理底圖通過下載研究區(qū)范圍的2014年遙感影像，經(jīng)ERDAS遙感圖像處理軟件處理，在ArcGIS10.1中影像配準(zhǔn)，矢量化后得到研究區(qū)地理底圖。研究區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)用GPS實(shí)地采集后進(jìn)行校準(zhǔn)。將研究區(qū)底圖在ArcGIS Server中發(fā)布成本機(jī)地圖服務(wù)便于系統(tǒng)后臺調(diào)用。全部地塊水鹽含量數(shù)據(jù)通過野外調(diào)查移動速測儀實(shí)測并通過室內(nèi)化驗(yàn)分析校正后，導(dǎo)入ArcGIS內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中。在典型地塊安裝物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時感知自動采集土壤水鹽動態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)傳輸處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)以無棣縣柳堡鎮(zhèn)鹽堿農(nóng)田為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行應(yīng)用測試，該鹽堿農(nóng)田為“渤海糧倉”科技示范工程核心試驗(yàn)區(qū)。結(jié)果表明，系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、空間插值分析、動態(tài)和空間預(yù)警診斷等功能，結(jié)果通過友好的可視化界面呈現(xiàn)(圖2 ~ 圖5)，為用戶提供交互式服務(wù)。

圖2為地塊信息查詢界面，結(jié)果顯示地塊基礎(chǔ)信息。圖3顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可見，2015年9月研究區(qū)35個地塊土壤含水量平均值(8.1%)、中位數(shù)(8.51%)和最大值(11.72%)均<12%，說明應(yīng)該采取措施灌溉保墑。土壤含鹽量平均值(1.62 g/kg)和中位數(shù)(1.48 g/kg)雖然不高，此時總體上呈輕度鹽漬化狀態(tài)，但最小值(0.81 g/kg)與最大值(4.14 g/kg)相差較大，呈強(qiáng)變異性(變異系數(shù)34.71%)，部分地塊為中度和重度鹽漬化，故應(yīng)對鹽分含量高的地塊采取重點(diǎn)治理措施；pH平均值(8.34)和中位數(shù)(8.33)較接近，最小值(8.09)和最大值(8.5)相差不大，呈中等變異性(變異系數(shù)0.86%)，但反映出所有地塊均呈中等堿性，對作物生產(chǎn)有一定的抑制性，需要引起注意。圖4為土壤水鹽動態(tài)預(yù)警圖，根據(jù)選擇顯示不同地塊監(jiān)測預(yù)警結(jié)果，圖中顯示地塊1含水量在2015年8月份高達(dá)48%，需排水，而4月和6月則低于12%，需灌溉，其他月份在適宜區(qū)間內(nèi)；含鹽量在2015年3月(3.2 g/kg)、11月(4.6 g/kg)超過預(yù)警值(3 g/kg)，其他月份在適宜區(qū)間內(nèi)。圖5為土壤水鹽的空間插值圖，可見，2015年6月，土壤鹽分整體上呈現(xiàn)北高南低的特征，但有斑塊狀插花分布。

圖2 地塊信息查詢結(jié)果

圖3 水鹽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖4 土壤水鹽動態(tài)預(yù)警

圖5 土壤水鹽空間插值圖

4 結(jié)論

本文基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，采用B/S架構(gòu)，借助Silverlight，集成應(yīng)用WebGIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了鹽堿地水鹽信息動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)規(guī)范處理與存儲、地塊信息查詢、水鹽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、空間插值預(yù)測分析、動態(tài)趨勢分析及預(yù)警等功能，分析結(jié)果可視化呈現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)管理人員及時了解土壤水鹽狀況、采取措施調(diào)控水鹽提供了工具。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以輔助用戶及時、全面掌握鹽堿農(nóng)田水鹽動態(tài)信息，為田間管理提供決策支持。

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Dynamic Monitoring System of Water and Salt of Saline-alkali Land Based on WebGIS

ZHANG Zhi1,2, GAO Mingxiu1*, ZHU Changda1

(1 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer, Tai'an, Shandong 271018, China; 2State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The exploitation and utilization of saline-alkali land is an important way to supplement cultivated land and ensure national food security. Strengthening the dynamic monitoring and mastering the movement law of water and salt are the bases of taking measures timely to improve the utilization of saline-alkali land. Based on the WebGIS platform and Microsoft Silverlight technology, a dynamic monitoring system was designed and developed for salt and water in saline-alkali land. The system realized the functions such as field parcel information query, statistical analysis, spatial analysis, dynamic trend analysis and early warning, and the system was applied in the saline-alkali land in Wudi County of Shandong Province. The results showed that the system can assist users to grasp the dynamic information of water and salt in saline-alkali land timely and comprehensively, thus can provide decision support for field management.

Saline-alkali land; Water and salt movement; Dynamic monitoring system; WebGIS

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD05B06-5)、山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)(2014ZZCX07106、2014ZZCX07402)、山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2017CXGC0301)和山東省高?！半p一流”獎補(bǔ)資金項(xiàng)目(SYL2017XTTD02)資助。

(mxgao@sdau.edu.cn)

張治(1995—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)研究。E-mail: 1010279564@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.028

S126

A