基于三維GIS的農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
——以貴州省松桃縣為例

邵 瀚，郭永禧，王小標，朱孟蘭

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000)

1 引言

農(nóng)業(yè)資源臺賬化、資產(chǎn)化管理是世界經(jīng)濟社會發(fā)展的趨勢，《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)劃(2016～2020年)》明確提出，要推進信息化于農(nóng)業(yè)深度融合，建立集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、發(fā)布和服務與一體的國家數(shù)據(jù)云平臺，加強農(nóng)業(yè)遙感基礎設施建設，建立重要農(nóng)業(yè)資源臺賬制度[1，2]。

農(nóng)業(yè)資源具有時空特征，空間分布等特點，傳統(tǒng)的二維GIS系統(tǒng)的空間信息是由二維平面投影顯示，導致三維維度上的信息損失，難以全方位呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的真實性、交互性和動態(tài)性。三維GIS相比二維GIS，雖然空間維數(shù)只是增加了一個維度，但它包含更多層次的信息，更真實性的表達形式，更大規(guī)模的數(shù)據(jù)量和復雜的空間關系[3]。

本文主要結合農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)存在地理范圍分布廣、動態(tài)變化等特點，利用三維TerraSuite平臺，構建基于三維GIS的農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)[4]，將三維GIS與數(shù)字農(nóng)業(yè)資源建設相結合，利用正射影像和數(shù)字高程模型、農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)庫等構建更加符合現(xiàn)實情況的三維農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)，充分展示農(nóng)業(yè)資源的真實性、交互性和動態(tài)性，通過三維GIS技術實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和服務共享等功能。

2 研究區(qū)概況

2.1 松桃縣農(nóng)業(yè)資源簡介

松桃苗族自治縣地處武陵山脈主峰梵凈山東麓，地處黔、湘、渝兩省一市結合處，是貴州的農(nóng)業(yè)資源大縣，屬副亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，土壤肥沃，土地類型多樣。全年無霜期284 d，適宜種植糧、棉、油、麻、桑、茶、蔬菜、藥材等糧食和經(jīng)濟作物，全縣耕地面積40.8萬余畝。

作為貴州省農(nóng)業(yè)資源生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查及信息系統(tǒng)建設試點縣，多年來有著地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感及全球定位系統(tǒng)應用方面經(jīng)驗的積累，依托全國地理國情普查項目、農(nóng)村土地確權登記項目中，分別采集了分辨率為0.5 m和0.2 m的正射影像數(shù)據(jù)。同時利用3S技術能夠較快地開展農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)建設的工作，通過建立農(nóng)業(yè)資源臺賬制度，搭建農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)，構建農(nóng)業(yè)資源監(jiān)控體系，監(jiān)測農(nóng)業(yè)資源動態(tài)變化，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源合理利用等方面探索農(nóng)業(yè)資源管理科學化的方法和途徑，進一步夯實農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展基礎[5]。

2.2 松桃縣農(nóng)業(yè)資源存在的問題

松桃縣各類農(nóng)業(yè)產(chǎn)品種植配置趨于合理，多種產(chǎn)業(yè)、多種經(jīng)營得到迅速發(fā)展，與縣域經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民增收水平提升相適應，符合新時代下農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的發(fā)展趨勢，基本滿足了城鄉(xiāng)居民生活和社會發(fā)展需要。但和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求相比，仍然存在以下問題。

2.2.1 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不高，市場競爭力不強

在結構調(diào)整中，區(qū)域比較優(yōu)勢尚未充分發(fā)揮，區(qū)域性農(nóng)作物結構不同程度存在大而全、小而全的問題，精品意識不強，栽培技術和品種更新滯后，市場競爭力不強，未形成自身的農(nóng)產(chǎn)品品牌價值。如何利用農(nóng)業(yè)信息臺賬系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)區(qū)位選擇，強化區(qū)域性農(nóng)作物結構，優(yōu)化農(nóng)作物種植品種，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程進行管控，實現(xiàn)科學性及自動化生產(chǎn)成了一個關鍵的問題。

2.2.2 龍頭企業(yè)發(fā)展滯后，產(chǎn)銷銜接不夠緊密

目前僅有的龍頭企業(yè)規(guī)模小、數(shù)量少、范圍窄，沒有把市場和農(nóng)民很好地聯(lián)結起來，未形成較穩(wěn)定的經(jīng)濟利益共同體，較少應用到大數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)+的農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，如果利用農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)與市場農(nóng)資產(chǎn)品供需信息銜接，可為廣大農(nóng)民帶來持續(xù)經(jīng)濟效益。

2.2.3 農(nóng)業(yè)基礎薄弱，農(nóng)民科技素質(zhì)較低

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件差、技術裝備比較落后的現(xiàn)狀還沒有得到根本改變，抗御自然災害能力還相對脆弱。如何利用農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)及時獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外接環(huán)境信息，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行監(jiān)控預警，將會切實影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2.4 開發(fā)資金短缺，調(diào)控能力不強

縣鄉(xiāng)財政困難，向上爭取資金數(shù)量有限，銀行信貸渠道不暢，農(nóng)業(yè)結構調(diào)整資金無法足額投入，結構調(diào)整方式單一、手段不靈，仍依賴于政府計劃的單向調(diào)整。如何利用農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)產(chǎn)能進行科學評估，制定農(nóng)業(yè)資源科學決策分析，提高農(nóng)業(yè)市場流通效率和資金利用效率也同樣是值得研究的關鍵問題。

3 農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)設計

3.1 關鍵技術

3.1.1 ArcGIS Enterprise

ArcGIS Enterprise 是新一代ArcGIS Server產(chǎn)品，是一個在用戶自有環(huán)境下運行的WebGIS平臺，由ArcGIS Server、Portal for ArcGIS、ArcGIS DataStore和Web Adapter四個組件構成，其中ArcGIS Server發(fā)布并托管各種GIS服務，客戶端將服務請求發(fā)送給服務端，GIS Server作出相應響應并返回結果到客戶端。Portal for ArcGIS是ArcGIS Enterprise產(chǎn)品的門戶中樞，作為平臺訪問的入口，可以基于用戶角色進行權限管理和訪問控制，使不同角色的用戶安全使用各種GIS資源。ArcGIS Data Store用于存儲portal for ArcGIS托管的各類GIS數(shù)據(jù)和圖層，是一個單獨的數(shù)據(jù)庫應用程序。Web Adapter能將ArcGIS Server和Portal for ArcGIS所需要的端口暴露給外部用戶，從而實現(xiàn)ArcGIS平臺訪問的請求轉發(fā)，實現(xiàn)外部互聯(lián)網(wǎng)訪問各類GIS服務。本項目基于新一代的ArcGIS Enterprise平臺，實現(xiàn)各類農(nóng)業(yè)資源專題數(shù)據(jù)的儲存、統(tǒng)計、分析、制圖、展示等功能的建設。

3.1.2 Skyline TerraSuite

Skyline TerraSuite由TerraBuilder,TerraExplorer,TerraGate等產(chǎn)品構成。TerraBuilder利用衛(wèi)星影像、航飛影像、數(shù)字高程模型，快速構建真三維實景場景模型。TerrraExplorer用于瀏覽TerraBuilder創(chuàng)建的三維場景，另外還提供對矢量要素和三維模型的加載、編輯和標注等功能，可以呈現(xiàn)出一個多源數(shù)據(jù)結合的三維場景界面。同時，TerraExplorer提供一整套API，可以通過二次開發(fā)構建專屬化的定制三維場景瀏覽應用程序。TerraGate的主要作用是將TerraBuilder創(chuàng)建的三維地形和TerraExplorer配置的矢量要素或三維模型部署到服務器，發(fā)布為地形服務和要素服務，用戶可以通過加載這些服務快速構建自己所需的三維地理信息系統(tǒng)。在本項目中，Skyline TerraSuite用于三維地形的制作、三維場景的配置和各類服務的發(fā)布，同時利用TerraExplorePro提供的二次開發(fā)的API，快速構建松桃縣農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)三維場景功能。

3.2 總體架構

松桃縣農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)的整體架構可以采用物聯(lián)網(wǎng)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和表示層的四層體系結構。業(yè)務邏輯層隔離了表示層對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問，保護了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的安全，在業(yè)務邏輯層中，當業(yè)務規(guī)則變化后，表示層不做任何改動，就能立即適應，易于維護。平臺的建設需要前期軟硬件環(huán)境的搭建和數(shù)據(jù)建設的支撐?；谌SGIS的松桃縣農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)初步架構圖如下圖1所示。

圖1 松桃縣農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)總體架構

松桃縣地理空間信息共享平臺將采用二、三維一體化的形式進行搭建，在二維平臺上面具備良好的數(shù)據(jù)操作、空間分析、制圖出圖的能力，在三維平臺上具備了良好的大場景三維漫游和三維模型的展示能力。二、三維平臺將操作同一套數(shù)據(jù)源，在二維場景下的編輯能夠及時反饋在三維平臺上，實現(xiàn)二、三維的聯(lián)動功能。

3.3 功能設計

松桃縣農(nóng)業(yè)臺賬資源系統(tǒng)主要服務對象是農(nóng)業(yè)主管部門、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員、農(nóng)業(yè)經(jīng)營人員以及農(nóng)業(yè)科研院所，農(nóng)業(yè)主管部門通過該系統(tǒng)獲取農(nóng)業(yè)資源的整體宏觀信息，制定科學性高、實施性強的管理決策。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員需要獲取農(nóng)業(yè)資源分布情況和農(nóng)產(chǎn)品種植信息，制定合理的農(nóng)業(yè)資源使用計劃。農(nóng)業(yè)經(jīng)營人員通過農(nóng)業(yè)資源面積及分布信息，預估農(nóng)業(yè)資源產(chǎn)量和運輸路線，評估農(nóng)業(yè)資源經(jīng)營成本。農(nóng)業(yè)科研人員通過該系統(tǒng)，消除信息孤島，避免重復的農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)搜集工作，通過該系統(tǒng)獲取現(xiàn)勢性強、可信度高的農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)，保障科研成果的準確性和科學性(圖2)。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 二、三維場景展示

基于平臺，實現(xiàn)基礎地理數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的高效地存儲與管理，使二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構上保持一體化，在此基礎上，將數(shù)據(jù)直接在三維場景中可視化與展示，圖3為以廖皋街道為例制作的漫游導航圖。

圖2 松桃縣農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)功能設計

圖3 松桃縣廖皋街道二、三維漫游

4.2 農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢提供在二三維場景中任意點或對象的數(shù)據(jù)信息。農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)查詢主要包括以下幾個方面。

(1)元數(shù)據(jù)查詢和檢索：對元數(shù)據(jù)的查詢就是按照特定用戶指定的條件，在數(shù)據(jù)庫中查詢符合條件的相關數(shù)據(jù)。對元數(shù)據(jù)的檢索則是按照一定的分類關系，進行分級查找。

(2)氣象數(shù)據(jù)查詢：針對特定地點，給定坐標，對其進行有關光、熱、水等作物生長發(fā)育不可缺少的因子查詢以及統(tǒng)計信息查詢。

(3)空間關系查詢：農(nóng)業(yè)要素間空間實體間存在的多種空間關系，包括拓撲、順序、距離、方位等關系，利用GIS空間關系查詢工具可以快速、準確、便捷且直觀地對要素間空間關系進行查詢。

(4)特定地區(qū)相關農(nóng)業(yè)資源要素查詢：針對用戶給定區(qū)域，利用空間位置及統(tǒng)計信息，準確直觀的查詢該區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)資源相關信息。

圖4 農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)查詢示意

4.3 農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)統(tǒng)計

結合地區(qū)性特征及具體需求，使用符合松桃地區(qū)基本縣情、滿足新形勢下統(tǒng)計信息需求的新型農(nóng)業(yè)統(tǒng)計體制，針對不同類型的農(nóng)業(yè)作物、不同地理條件的種植地區(qū)以及不同類型的種植方式等方面進行科學的統(tǒng)計，為后續(xù)查詢、分析、決策以及宏觀調(diào)控提供科學且客觀的依據(jù)。

具體統(tǒng)計內(nèi)容主要包括以下幾個方面。

(1)耕地資源及其分布統(tǒng)計。主要包括耕地土壤發(fā)育情況統(tǒng)計、土壤礦物質(zhì)含量統(tǒng)計、土壤厚度統(tǒng)計、土壤肥力統(tǒng)計、土壤有機質(zhì)含量統(tǒng)計以及各類土壤分布情況統(tǒng)計。

(2)農(nóng)業(yè)氣候條件統(tǒng)計。不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象(作物、牲畜等)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程都對氣候有其特殊要求，針對光、熱、水等作物生長發(fā)育不可缺少的因子統(tǒng)計，也包括旱、澇、霜凍、大風等不利氣候條件統(tǒng)計。

(3)水文水資源統(tǒng)計。主要包括水質(zhì)情況統(tǒng)計、灌面統(tǒng)計、地下水水量統(tǒng)計、地下水水質(zhì)統(tǒng)計等。

(4)農(nóng)作物種植類型及分布統(tǒng)計：主要對常用大田農(nóng)作物品種進行搜集整理，記錄不同作物的品種名稱(包括別名)、品種育種來源、生物學特性、栽培技術和適宜性進行統(tǒng)計。

(5)農(nóng)作物生長情況及產(chǎn)量統(tǒng)計。針對作物的病害、蟲害和雜草進行分類整理統(tǒng)計，結合作物生長中出現(xiàn)的病蟲害情況可進行病蟲害預測預報和實施科學防治。

(6)農(nóng)業(yè)廢棄資源統(tǒng)計：針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物進行統(tǒng)計，作為指導廢棄資源利用的重要依據(jù)。

4.4 農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)分析及利用

根據(jù)松桃縣土地、氣候以及種植作物特征，對農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)分析及利用具體工作包括以下幾個部分。

(1)松桃縣土地利用現(xiàn)狀研究。根據(jù)松桃縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)資料，分析整理松桃縣土地利用結構，耕地利用現(xiàn)狀，耕地類型及分布特點。

(2)土地適宜性評價的指標體系構建。首先在收集的資料中選取合適的參評因子作為評價指標。評價指標的選取上要遵循主導性原則、變異性原則、穩(wěn)定性原則、相對獨立性原則、可操作性原則及定性與定量相結合的原則。依據(jù)耕地適宜性評價指標體系構建的原則、方法、步驟確定了耕地適宜性評價的指標體系。再運用層次分析法(AHP)確定不同土地類型中各個指標的綜合權重。

(3)土地適宜性評價。對研究區(qū)耕地進行適宜性評價時，由于獲取的數(shù)據(jù)不在同一量綱，無法進行比較和運算，用Z-score方法對數(shù)據(jù)進行標準化，采用多因素綜合評價法計算總分值，運用K-均值聚類方法對研究區(qū)的數(shù)據(jù)進行聚類分析，最后得出松桃縣土地適宜性評價結果。

(4)農(nóng)業(yè)布局優(yōu)化。圍繞耕地保有量，根據(jù)耕地適宜性評價結果及農(nóng)業(yè)用地現(xiàn)狀，提出適當?shù)牟季謨?yōu)化建議。

(5)農(nóng)業(yè)臺賬數(shù)據(jù)共享。農(nóng)業(yè)資源臺賬共享是農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)信息化的重要組成部分。松桃縣作為建設試點之一，構建綜合性農(nóng)業(yè)資源臺賬共享有助于加快松桃縣農(nóng)業(yè)結構調(diào)整，變革農(nóng)村生產(chǎn)力，實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉型升級。

5 結語

基于三維GIS的農(nóng)業(yè)資源臺賬系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)二維GIS的農(nóng)業(yè)臺賬系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)資源的應用層次提升了很大的臺階，除了擁有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)資源臺賬空間數(shù)據(jù)管理瀏覽功能以外，基于三維平臺的農(nóng)資臺賬系統(tǒng)能夠實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源二三維一體化展示、預估農(nóng)作物產(chǎn)量和監(jiān)測農(nóng)作物生長趨勢、對耕地適應性進行評價，并根據(jù)評價結果及農(nóng)業(yè)用地現(xiàn)狀，提出農(nóng)業(yè)布局優(yōu)化建議，共享農(nóng)業(yè)資源三維服務，科學指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)資源臺賬數(shù)據(jù)得到更好的綜合利用，為全國及貴州省開展建立重要農(nóng)業(yè)資源臺賬制度提供借鑒經(jīng)驗和參考價值。