基于GIS 技術(shù)的耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價應(yīng)用研究

常新輝

（貴州省第二測繪院，貴州 貴陽 550004）

1 概述

我國是個人口眾多的大國，解決好吃飯問題始終是治國理政的頭等大事。新時代中國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，結(jié)合國情看，最大的不平衡是城鄉(xiāng)發(fā)展的不平衡，最大的不充分是鄉(xiāng)村發(fā)展的不充分[1]。耕地是珍貴而有限的自然資源，耕地質(zhì)量關(guān)系到國家糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全以及生態(tài)安全，是保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、滿足人民日益增長的物質(zhì)需求的必要基礎(chǔ)。目前，耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價信息化建設(shè)與管理工作還處于起步階段，現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用還較少，管理手段較為落后。樣品信息采集獲取仍以人工紙質(zhì)記錄的方式，該方式效率低，不易保存。分析評價結(jié)果數(shù)據(jù)以文件或文檔方式存儲管理，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫及管理平臺，難以實(shí)現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)共享，同時缺乏可視化展示的軟件平臺，調(diào)查評價成果數(shù)據(jù)難以轉(zhuǎn)化為應(yīng)用服務(wù)于各部門。

針對以上問題，系統(tǒng)建設(shè)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的大型數(shù)據(jù)庫，研發(fā)數(shù)據(jù)獲取的外業(yè)移動采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、信息查詢與可視化平臺，用以提高耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、信息顯示與分析的效率和效果，提升耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價工作的信息化和應(yīng)用水平。

2 進(jìn)行耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價的重要性

2.1 堅(jiān)持檢測耕地質(zhì)量可以保障耕地的可持續(xù)利用

我國耕地資源有限，但是人口卻不受限制地增加，糧食的供應(yīng)與需求矛盾持續(xù)激化。為了保障我國糧食的持續(xù)供應(yīng)，農(nóng)民經(jīng)常會不顧地力的進(jìn)行糧食種植，而這會加快土地肥力的消耗，雖然緩解了一時的糧食問題，但使得耕地肥力退化，最終會使耕地質(zhì)量下降，糧食產(chǎn)量無法繼續(xù)維持和提高。國家加強(qiáng)對耕地質(zhì)量的長久監(jiān)測，可以盡快了解耕地的質(zhì)量，針對性地制定耕地使用政策，保障某一區(qū)域內(nèi)耕地資源的持續(xù)利用。

2.2 堅(jiān)持檢測耕地質(zhì)量可以保障糧食安全

我國人口的持續(xù)增加使得群眾對糧食的需求量增大，但因?yàn)楦赜邢?，糧食產(chǎn)量固定，因此糧食安全等問題愈演愈烈。

國家重視耕地質(zhì)量的年度監(jiān)測，能夠掌握耕地質(zhì)量的變化規(guī)律，了解該耕地的使用習(xí)慣，針對性地制定該區(qū)域內(nèi)的耕地政策進(jìn)行耕地的修養(yǎng)和維護(hù)，來穩(wěn)定耕地質(zhì)量和糧食產(chǎn)量。同時國家不斷加強(qiáng)新品種糧食的研發(fā)，尋找合適的耕地進(jìn)行種植，從根本上提高糧食產(chǎn)量來保證糧食生產(chǎn)安全。

2.3 堅(jiān)持檢測耕地質(zhì)量可以預(yù)防和治理土壤污染

我國耕地有限，因此更重視保護(hù)現(xiàn)有耕地。在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過程中，工業(yè)化產(chǎn)生了很多污染，耕地也在因?yàn)槌鞘谢M(jìn)度加快而被占用。耕地的污染和退化情況嚴(yán)重，形成了耕地質(zhì)量持續(xù)下降的局面。國家提高耕地質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)，能夠了解耕地質(zhì)量的變化，對比耕地土壤的污染時間變化，便于國家對土壤污染的程度進(jìn)行掌控，提早制定預(yù)防和治理土壤污染的相關(guān)方案。保障土地質(zhì)量，治理土壤污染是提高我國糧食產(chǎn)量保障糧食生產(chǎn)安全的方法之一。

2.4 堅(jiān)持檢測耕地質(zhì)量可以進(jìn)行合理的土地規(guī)劃

一方水土養(yǎng)一方植物，國家在進(jìn)行土地規(guī)劃時，需要了解當(dāng)?shù)氐耐寥李愋秃屯恋氐匦?，尤其是對耕地進(jìn)行規(guī)劃時，更要注意耕地的質(zhì)量。耕地類型和質(zhì)量決定了它適合種植什么樣的作物，適合在之后的土地規(guī)劃安排中繼續(xù)種植或是進(jìn)行維護(hù)和修養(yǎng)。對于肥力優(yōu)渥的耕地，國家要繼續(xù)保護(hù)和發(fā)展。對于土地評級的耕地，或者污染較為嚴(yán)重的耕地，可以進(jìn)行用途的調(diào)整，規(guī)劃安排其他使用方法。如果國家不關(guān)注耕地質(zhì)量的測量，在土地規(guī)劃上可能做出不適當(dāng)?shù)陌才拧?/p>

3 技術(shù)原理和方法

GIS 是一種顯示地球表層空間地理信息的空間信息系統(tǒng)。它以采集到的地理空間信息為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法計(jì)算數(shù)據(jù)，為研究地理數(shù)據(jù)提供實(shí)時測算。它能夠很方便地將Excel 表格里的數(shù)據(jù)通過計(jì)算和模擬轉(zhuǎn)化成地圖模型，建構(gòu)出虛擬立體地圖，讓數(shù)據(jù)直觀具象，結(jié)果可視，便于后續(xù)的操作和分析。

利用大數(shù)據(jù)、遙感、地理信息系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位、網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)技術(shù)[2]，結(jié)合耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與管理相關(guān)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，按照“一庫+三系統(tǒng)”的總體設(shè)計(jì)思想，以耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為核心，以日常地球化學(xué)調(diào)查項(xiàng)目操作流程為向?qū)ВㄔO(shè)耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)在線耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查協(xié)同工作、構(gòu)建在線式耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查流程、數(shù)據(jù)及成果的多部門共享，使得不同的用戶角色協(xié)同參與到耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查的工作中，建立透明的、公開的、多角色多權(quán)限的管理平臺。

4 主要的功能說明

4.1 耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價外業(yè)采集系統(tǒng)

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價外業(yè)采集系統(tǒng)包括外業(yè)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)。外業(yè)采集系統(tǒng)要求基于Andriod 系統(tǒng)開發(fā)，支持主流Android 版智能手機(jī)與平板電腦，系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)耕地質(zhì)量地球化學(xué)信息的外業(yè)采集工作，系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)功能包括地圖顯示、導(dǎo)航定位、信息采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)設(shè)置等。外業(yè)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)要求基于網(wǎng)絡(luò)B/S 結(jié)構(gòu)開發(fā)的管理系統(tǒng)，支持主流瀏覽器，系統(tǒng)主要對外業(yè)采集數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)，以便外業(yè)及內(nèi)業(yè)人員對外業(yè)數(shù)據(jù)采集情況及進(jìn)展進(jìn)行實(shí)時查詢與統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能包括：地圖瀏覽、空間定位、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置等。

4.2 耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價數(shù)據(jù)管理的對象包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量地球化學(xué)評價數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)、空間數(shù)據(jù)庫、GIS 等技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)，系統(tǒng)在PC 端運(yùn)行，系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)為：數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)共享、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置等（如圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能

4.3 耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價信息查詢與可視化平臺

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價信息查詢與可視化平臺是對耕地質(zhì)量地球化學(xué)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、查詢、可視化的信息平臺。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)、空間數(shù)據(jù)庫、電子地圖、遙感等技術(shù)研發(fā)，包括桌面網(wǎng)絡(luò)端和移動端兩個軟件系統(tǒng)。兩個版本系統(tǒng)的功能基本相同，移動版本基于Android 系統(tǒng)，增加了移動定位等功能。信息查詢與可視化平臺的主要功能包括：信息發(fā)布、地圖顯示、信息查詢、信息顯示、統(tǒng)計(jì)分析、空間定位（移動版）、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置等[3]。

5 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新

（1）基于移動平臺的信息采集和多源數(shù)據(jù)集成與融合技術(shù)；（2）基于云計(jì)算技術(shù)的信息并發(fā)處理、數(shù)據(jù)同步與管理技術(shù)；（3）基于JavaBean 的動態(tài)頁面生成技術(shù)（autoform）；（4）大型數(shù)據(jù)庫、天地圖等技術(shù)支持下的數(shù)據(jù)采集、處理與管理等一體化。

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價信息查詢與可視化平臺，前端采用Vue 框架，信息展示與交互均基于綁定的數(shù)據(jù)，具有快速的局部刷新渲染機(jī)制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單清晰易于維護(hù)更新。具有較為良好的用戶提示功能，操作簡單。后端采用SpringMVC、MyBatis、Shiro 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)后臺的權(quán)限管理控制以及安全的后臺訪問接口。

耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為一個C/S 系統(tǒng)，使用C#+ArcEngine 技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，以DevExpress14.1 作為界面組件。利用C#的反射與委托等特性，以面向接口的形式進(jìn)行代碼編寫，以動態(tài)庫的形式管理各個功能模塊，大大減少了各個模塊的耦合性，提高了代碼編寫與管理的效率。

6 GIS 技術(shù)的應(yīng)用對耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價的提升

6.1 應(yīng)用于耕地使用政策的改進(jìn)

我國人口眾多，而耕地面積總量少，人均耕地不足，如何更高效率的利用現(xiàn)有耕地產(chǎn)生更多糧食或其他經(jīng)濟(jì)作物是國家一直在考慮的事情。隨著我國人口的快速增加，糧食的供需矛盾日益突出，當(dāng)耕地面積無法繼續(xù)擴(kuò)充時，耕地質(zhì)量的利用效率就更加明顯。階段性地對耕地質(zhì)量進(jìn)行評價，可以有效監(jiān)測國家和該區(qū)域內(nèi)的耕地?cái)?shù)量以及質(zhì)量的變化，幫助國家了解耕地情況，以便于針對性地改進(jìn)當(dāng)?shù)氐母毓芾碚?，來保障后續(xù)的耕地資源合理管理和利用。不同的土壤性質(zhì)，適合種植不同的作物品種，對耕地品種和質(zhì)量的了解，能夠幫助國家有針對性地選擇作物品種，制定耕地使用計(jì)劃時就不會盲目，便于合理使用耕地，提高當(dāng)?shù)禺a(chǎn)糧食的產(chǎn)量。國家通過對耕地質(zhì)量的了解，可以確定耕地質(zhì)量變化的原因，針對性地對局部土壤進(jìn)行改良和維護(hù)。如果土壤有所污染，國家可以通過GIS了解到土壤污染的原因，進(jìn)行土壤污染的防控和治理。

6.2 幫助進(jìn)行土地整治與規(guī)劃

耕地質(zhì)量的監(jiān)測與評價是一項(xiàng)長期性的基礎(chǔ)工作，依靠人力來記錄和測算我國耕地質(zhì)量的狀況和地理的變化是不實(shí)際的。長久的監(jiān)測需要耗費(fèi)大量的人力物力，計(jì)算數(shù)據(jù)龐大容易出錯。但是耕地質(zhì)量的監(jiān)測和評價又影響著我國后續(xù)耕地政策的變化，因此如何在測算耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)的過程當(dāng)中減少人力物力的損耗，還要保證測算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，是當(dāng)務(wù)之急。在國家進(jìn)行土地規(guī)劃時，GS 也能提供更為精確的土地?cái)?shù)據(jù)，幫助國家盡快了解土地類型，進(jìn)行合理的土地規(guī)劃與整治[4]。

6.3 提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度

為了更為客觀地顯示耕地質(zhì)量的最終評價，通常會采用綜合評價法來測定耕地質(zhì)量。綜合評價法是指對耕地的自然條件、利用方式還有經(jīng)營方式進(jìn)行考察，經(jīng)過綜合量化的測算得到的綜合評價結(jié)果，能夠更加全面地反映耕地質(zhì)量。然而對耕地所擁有的自然條件進(jìn)行評價時，如果沒有采取合適的計(jì)算模型，得出的結(jié)果將會有所偏差。土壤類型、土地地形等都需要實(shí)地考察綜合評價，簡單的人工測繪無法提供更為細(xì)致的數(shù)據(jù)，滿足評價要求。但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展，GIS 技術(shù)系統(tǒng)能夠幫助構(gòu)建虛擬的地理模型，使得數(shù)據(jù)可視化。以機(jī)器代替人工，使得基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)整理測算等任務(wù)由更為精密不易出錯的計(jì)算機(jī)代替，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性，其計(jì)算結(jié)果也更為細(xì)致、具體。

7 結(jié)語

基于GIS 的耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價，是測繪地理信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)于耕地質(zhì)量調(diào)查評價的典型應(yīng)用，利用安卓手機(jī)App 代替原來手工紙質(zhì)采集方式，無論是數(shù)據(jù)填寫還是數(shù)據(jù)整理過程，工作效率都得到了極大的提高，采用信息化采集方式也極大地減少了因人工填寫而造成的錯誤，減少了復(fù)核審查的時間，隨著數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及查詢與可視化評價等信息化系統(tǒng)建設(shè)，建立數(shù)據(jù)共享平臺，并利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析展示，實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理和成果數(shù)據(jù)的查詢、利用及綜合評價的目標(biāo)，為政府職能部門對各級耕地宏觀管理和規(guī)劃提供地球化學(xué)依據(jù)，為耕地可持續(xù)利用服務(wù)，對于調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展現(xiàn)代山地特色優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、促進(jìn)科學(xué)合理施肥及土壤污染治理具有重要的參考輔助意義[5]。