基于開源框架的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

袁 濤,田明璐,馬 超,李琳一*,王 笑,葉有燦

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,上海 201403；2上海市浦東新區(qū)農(nóng)村改革發(fā)展服務(wù)中心,上海 201202；3上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會(huì)信息中心,上海 200335)

進(jìn)入21 世紀(jì)，農(nóng)業(yè)信息化對(duì)于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理的重要作用日益彰顯，且已成為國際上農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以農(nóng)業(yè)用地為載體，表現(xiàn)為農(nóng)作物在地理空間上的覆蓋與蔓延。地理信息系統(tǒng)(Geographic information system,GIS)是20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的集地理空間數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的一門交叉技術(shù)學(xué)科，它是在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下，對(duì)空間對(duì)象的地理分布以及與之相關(guān)的屬性實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)、管理、處理、檢索、分析和顯示等功能，為用戶解決各種應(yīng)用問題的技術(shù)系統(tǒng)[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間占有性天然地具有與地理信息系統(tǒng)這種地理空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)相結(jié)合的內(nèi)在需求，因此，利用農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行管理就成為一種必然。

我國的農(nóng)業(yè)學(xué)者和技術(shù)人員在研究和實(shí)踐過程中開發(fā)了很多農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)。如王培等[3]開發(fā)的昌吉農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，提出了基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級(jí)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)思路，為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的無紙化辦公和為鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層領(lǐng)導(dǎo)提供相關(guān)決策提供了新的解決辦法；范幸龍等[4]提出了基于3S技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)代煙草種植管理的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為煙草行業(yè)更好地利用3S技術(shù)，加快推進(jìn)行業(yè)數(shù)字化、信息化提供了參考；張會(huì)波[5]探討了一種應(yīng)用于黑龍江墾區(qū)的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)架構(gòu)解決方案，并利用ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。此外，將農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于耕地質(zhì)量管理、土壤重金屬污染評(píng)價(jià)和預(yù)警、土地資源管理方面等也都比較常見[6-8]。由于不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)特征和需求不同，這些農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)也不盡相同，但也有一些相同的特征：如這些農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)的主要用戶是政府的農(nóng)業(yè)管理部門；大都基于成熟的商業(yè)地理信息平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)而成，應(yīng)用比較廣泛的如美國ESRI公司的ArcGIS系列、美國MapInfo公司的MapInfo系列、北京超圖軟件股份有限公司的SuperMap等[9]。這些商業(yè)軟件平臺(tái)功能強(qiáng)大，提供了豐富的二次開發(fā)接口，開發(fā)簡(jiǎn)便快捷，但價(jià)格昂貴，市場(chǎng)價(jià)格一般在30萬—50萬元人民幣，財(cái)政能力相對(duì)比較薄弱的區(qū)縣和中等規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)無法承受。

為了解決這種需求和價(jià)格之間的矛盾，本研究擬基于多個(gè)開源框架設(shè)計(jì)開發(fā)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)。其中，空間數(shù)據(jù)的管理通過PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行，利用GeoServer地圖管理與發(fā)布服務(wù)框架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地圖的發(fā)布以及地圖數(shù)據(jù)的編輯與管理,地圖前端的顯示和渲染通過OpenLayers開源框架實(shí)現(xiàn)。

1 開源框架簡(jiǎn)介

為了最大程度地減輕用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，整個(gè)農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)基于多個(gè)開源框架進(jìn)行開發(fā)，不會(huì)涉及版權(quán)問題，并通過二次開發(fā)將多個(gè)開源框架進(jìn)行整合。具體來說，屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，地圖數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與編輯管理采用GeoServer框架，前端采用OpenLayers框架進(jìn)行地圖的可視化顯示。

1.1 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

PostgreSQL是加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系開發(fā)的對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)性，是目前支持平臺(tái)最多的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一[10]。它支持大部分SQL標(biāo)準(zhǔn)并且提供了許多其他特性，包括復(fù)雜查詢、外鍵、觸發(fā)器、視圖、事務(wù)完整性等。更重要的是，它支持空間數(shù)據(jù)管理，可以用來管理電子地圖數(shù)據(jù)，以及各個(gè)地圖圖層和圖斑之間的空間關(guān)系。

1.2 GeoServer地圖管理與發(fā)布服務(wù)框架

GeoServer是遵循OpenGIS Web服務(wù)器規(guī)范的J2EE 實(shí)現(xiàn)，利用GeoServer可以方便地發(fā)布網(wǎng)絡(luò)地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入等操作，通過GeoServer可以比較容易地在用戶之間迅速共享空間地理信息。GeoServer兼容Web地圖服務(wù)(Web Map Service,WMS)和Web要素服務(wù)(Web Feature Service,WFS)，支持PostgreSQL、Oracle、VPF、 MySQL、ArcSDE、Shapefile、MapInfo等多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和多種空間數(shù)據(jù)格式，并支持上百種地圖投影，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)地圖輸出為jpeg、gif、png、SVG、KML等多種格式，并能夠運(yùn)行在任何基于J2EE/Servlet的容器之上[11]。除此之外，GeoServer還具有包含、相交、距離小于、相同、重疊、穿過等多種空間分析功能。

1.3 OpenLayers前端地圖顯示框架

OpenLayers是一個(gè)用于開發(fā)WebGIS客戶端的JavaScript包。OpenLayers支持的地圖來源包括Google Maps、Yahoo Map、微軟Virtual Earth、百度地圖、天地圖等，用戶還可以上傳自己制作的地圖，與其他的圖層在OpenLayers中進(jìn)行疊加。除此之外，OpenLayers實(shí)現(xiàn)訪問地理空間數(shù)據(jù)的方法都符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它支持Open GIS協(xié)會(huì)制定的WMS和WFS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)規(guī)范，可以通過遠(yuǎn)程服務(wù)的方式，將以開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium,OGC)服務(wù)形式發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)加載到基于瀏覽器的OpenLayers 客戶端中進(jìn)行顯示[12]。在操作方面，OpenLayers除了可以在瀏覽器中幫助開發(fā)者實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽的基本效果，比如放大、縮小、平移等常用操作之外，還可以進(jìn)行選取面、選取線、要素選擇、圖層疊加等不同的操作，甚至可以對(duì)已有的OpenLayers操作和數(shù)據(jù)支持類型進(jìn)行擴(kuò)展，為其賦予更多的功能。同時(shí)，在OpenLayers提供的類庫當(dāng)中，它還使用了類庫Prototype.js和Rico中的部分組件，為地圖瀏覽操作客戶端增加Ajax 效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

與開源框架相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)整體架構(gòu)為3層設(shè)計(jì)，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層(圖1)。其中數(shù)據(jù)層主要利用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲(chǔ)各種類型的空間數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，具體包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一的空間參考、數(shù)據(jù)空間關(guān)系以及開放的API訪問接口等；服務(wù)層主要通過GeoServer來實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、WMS/WFS/KML服務(wù)、Web服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)地圖發(fā)布等多種功能，并分別實(shí)現(xiàn)向下與數(shù)據(jù)層、向上與應(yīng)用層之間的通信；應(yīng)用層主要通過OpenLayers框架來實(shí)現(xiàn)地圖顯示、地圖操控、查詢統(tǒng)計(jì)、地圖導(dǎo)出等與用戶交互相關(guān)的功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頁面緩存技術(shù)

即使現(xiàn)在網(wǎng)速已經(jīng)快了很多，但網(wǎng)頁顯示速度和流暢度仍然是影響用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要因素，尤其是電子地圖的放大、縮小以及漫游操作中的用戶體驗(yàn)。通常情況下電子地圖一般存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫或者是硬盤的文件管理系統(tǒng)中，當(dāng)用戶需要查看某部分地圖時(shí)，通過系統(tǒng)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)用戶的請(qǐng)求將該部分地圖讀取出來，然后推送給用戶。此種方式在地圖數(shù)據(jù)量較大或者有網(wǎng)速瓶頸時(shí)極易產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象。為了最大程度地優(yōu)化用戶體驗(yàn)，提高地圖操作流暢度，本設(shè)計(jì)采用了頁面緩存技術(shù)。具體做法為：在地圖初始化的時(shí)候，不但把用戶請(qǐng)求區(qū)域范圍內(nèi)的電子地圖(圖2中區(qū)域O)調(diào)到系統(tǒng)內(nèi)存中推送給用戶，而且把用戶請(qǐng)求區(qū)域范圍以外一定面積內(nèi)的地圖也從數(shù)據(jù)庫或文件夾調(diào)到系統(tǒng)內(nèi)存中。這樣在用戶移動(dòng)或者縮小地圖的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)把周邊需要顯示范圍內(nèi)的那部分地圖直接從內(nèi)存中調(diào)取出來，推送給用戶，而不用再到數(shù)據(jù)庫中讀取，這就大大加快了電子地圖顯示的速度，優(yōu)化了用戶體驗(yàn)。例如當(dāng)用戶鼠標(biāo)拉動(dòng)地圖向左移動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)直接顯示地圖右側(cè)的B區(qū)域；相應(yīng)的，當(dāng)用戶鼠標(biāo)拉動(dòng)地圖向右移動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)直接顯示地圖左側(cè)的D區(qū)域；而當(dāng)用戶縮小地圖的時(shí)候，就會(huì)直接將周邊的A、B、C、D和E區(qū)域全部顯示出來。

3.2 WFS與WMS

WFS和WMS是地圖顯示的兩種常用技術(shù)，各有優(yōu)劣，一般結(jié)合應(yīng)用。WFS指的是Web要素服務(wù)，電子地圖在系統(tǒng)后臺(tái)以地圖要素(Feature)的形式存在，當(dāng)用戶發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)按照用戶的請(qǐng)求將相應(yīng)的矢量地圖要素推送到網(wǎng)頁前端，矢量地圖要素在網(wǎng)頁前端實(shí)時(shí)完成地圖渲染。這種技術(shù)一般在兩種情況下應(yīng)用：一種是地圖數(shù)據(jù)量不大，矢量地圖要素在推送到網(wǎng)頁前端以后可以在前端實(shí)時(shí)快速渲染，不會(huì)影響用戶體驗(yàn)；另一種是用戶需要在鼠標(biāo)滑過地圖某一區(qū)域范圍如標(biāo)注點(diǎn)、地塊等要素時(shí)實(shí)時(shí)顯示該要素的屬性信息，而無需鼠標(biāo)點(diǎn)擊，這時(shí)候就需要應(yīng)用該技術(shù)。WMS指的是Web地圖服務(wù)，此時(shí)電子地圖在后臺(tái)已經(jīng)完成渲染，當(dāng)用戶向系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)將渲染好的地圖以圖片格式推送到網(wǎng)頁前端。此種技術(shù)一般在需要傳輸?shù)牡貓D數(shù)據(jù)量較大時(shí)采用，因?yàn)榇髷?shù)據(jù)量的矢量地圖要素直接推送到網(wǎng)頁前端進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，會(huì)占用大量時(shí)間，使網(wǎng)頁顯示時(shí)產(chǎn)生卡頓，而WMS技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問題。

3.3 數(shù)據(jù)與顯示分離

傳統(tǒng)的shp格式的電子地圖，數(shù)據(jù)和顯示通常是一體化的。當(dāng)用ArcGIS打開一幅電子地圖，想要對(duì)地圖進(jìn)行專題渲染時(shí)，一般是通過一些相關(guān)的屬性操作，將該地圖的樣式保存為一個(gè)mxd文檔。當(dāng)下次再打開該mxd文檔時(shí)，此shp格式電子地圖的樣式可以原樣顯示，如果換作另外一個(gè)mxd文檔打開此電子地圖，則樣式丟失。為了解決這個(gè)問題，利用QGIS來設(shè)置地圖樣式，該地圖樣式設(shè)置完成后會(huì)生成一個(gè).sld格式的皮膚文件，保存該.sld皮膚文件，當(dāng)下次打開此shp格式電子地圖時(shí)，無論加載此地圖的文檔是否改變，只要加載相應(yīng)的.sld皮膚文件，則該地圖的樣式就可以保留。

3.4 功能模塊封裝技術(shù)

構(gòu)建服務(wù)主要利用Web服務(wù)(WebService)來完成。Web服務(wù)顧名思義就是一個(gè)運(yùn)行在Web上的服務(wù)，它通過網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用程序提供服務(wù)方法，類似一個(gè)遠(yuǎn)程的服務(wù)提供者，主要是基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language,XML)并利用簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議(Simple Object Access Protocol,SOAP)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)信息傳遞的一種技術(shù)。在整合開源框架的過程中，共實(shí)現(xiàn)了2種粒度的封裝，第一種是接口級(jí)封裝，粒度較小，將各個(gè)功能以函數(shù)組的形式封裝成接口，系統(tǒng)需要二次開發(fā)的時(shí)候直接根據(jù)接口說明調(diào)用接口即可，無需關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)方式，將多個(gè)接口組合起來即可輕松實(shí)現(xiàn)自己所需的功能；第二種是模塊級(jí)封裝，粒度較大，例如將放大、縮小、漫游、識(shí)別、全圖等地圖常規(guī)操作功能封裝到一起，封裝成一個(gè)工具條，在系統(tǒng)需要二次開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員可直接將整個(gè)工具條拉過來調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)地圖的常規(guī)操作功能，無需關(guān)心這些功能的實(shí)現(xiàn)方法。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于上述3個(gè)開源框架和系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)方面的功能：①系統(tǒng)以“天地圖”基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和遙感影像為基礎(chǔ)底圖，能夠?qū)崿F(xiàn)電子地圖和遙感影像之間的自由切換；②系統(tǒng)具有放大、縮小、漫游、識(shí)別、全圖等地圖基本操作功能；③系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量功能，包括測(cè)量圖斑面積大小和線段長度，在面積較小和距離較短時(shí)計(jì)量單位分別為平方米和米，在面積較大和距離較長時(shí)計(jì)量單位自動(dòng)變?yōu)槠椒角缀颓祝虎苣軌蛞远喾N方式進(jìn)行查詢，包括模糊查詢、鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖查詢、鼠標(biāo)拉框查詢以及通過地圖查詢數(shù)據(jù)庫和通過數(shù)據(jù)庫查詢地圖等；⑤能夠?qū)崿F(xiàn)矢量格式和柵格格式電子地圖的上傳和存儲(chǔ)。針對(duì)矢量格式的電子地圖，可以方便地生成專題地圖，根據(jù)用戶選擇進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并可將統(tǒng)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出到用戶電腦上。

本系統(tǒng)被應(yīng)用在擁有3 300余hm2的長江農(nóng)場(chǎng)。在長江農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用主要分為3個(gè)方面：①種植結(jié)構(gòu)調(diào)查。長江農(nóng)場(chǎng)整體上對(duì)于下屬各個(gè)分部有總體要求，每個(gè)分部需要種植某個(gè)品種多大面積。在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上，制作成專題地圖呈現(xiàn)于農(nóng)場(chǎng)負(fù)責(zé)人面前，負(fù)責(zé)人可以直觀查看各品種水稻分布位置和面積大小。②水稻長勢(shì)監(jiān)測(cè)。通過無人機(jī)監(jiān)測(cè)的影像，對(duì)長江農(nóng)場(chǎng)躍進(jìn)分部的600余hm2水稻長勢(shì)進(jìn)行分析，將水稻長勢(shì)分析結(jié)果按照優(yōu)、中、差3個(gè)等級(jí)進(jìn)行分類，并將分類結(jié)果以專題地圖的形式顯示在系統(tǒng)中。農(nóng)場(chǎng)負(fù)責(zé)人根據(jù)水稻長勢(shì)進(jìn)行決策，確定水稻下一階段水肥管理措施(圖3)。③災(zāi)害監(jiān)測(cè)。在臺(tái)風(fēng)過后，對(duì)長江農(nóng)場(chǎng)部分區(qū)域的水稻利用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)，并對(duì)影像進(jìn)行提取，得到水稻倒伏范圍與面積數(shù)據(jù)。農(nóng)場(chǎng)負(fù)責(zé)人根據(jù)水稻倒伏情況，做出相應(yīng)管理決策。

5 結(jié)論

通過對(duì)多個(gè)開源框架的整合，所開發(fā)的農(nóng)業(yè)地理信息系統(tǒng)架構(gòu)靈活、輕便快捷，可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)地理信息平臺(tái)的絕大部分功能，能夠滿足農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)中對(duì)農(nóng)業(yè)資源管理、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、農(nóng)業(yè)專題地圖制作的需要。通過將開源框架封裝成一個(gè)個(gè)Web服務(wù)的形式，極大減少了系統(tǒng)開發(fā)人員的重復(fù)工作，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，能夠根據(jù)用戶的個(gè)性化需求快速地搭建出用戶所需的系統(tǒng)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)無需利用商業(yè)軟件，繞開了軟件版權(quán)費(fèi)用問題，系統(tǒng)開發(fā)和對(duì)外服務(wù)成本大幅降低，解決了區(qū)縣級(jí)管理部門和中型農(nóng)場(chǎng)信息化管理中預(yù)算不足的難題。