農(nóng)田地膜使用信息監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：開展農(nóng)田地膜信息監(jiān)測對科學使用地膜和治理農(nóng)田白色污染具有重要意義。針對山東省農(nóng)田地膜使用監(jiān)測管理情況，利用信息技術與機器學習方法等手段，提出基于Springboot+Mysql+Mybatis為系統(tǒng)架構的山東省地膜監(jiān)測系統(tǒng)研究模式，監(jiān)測系統(tǒng)的功能涵蓋地膜使用監(jiān)測網(wǎng)絡的全部內容，包括地膜生產(chǎn)企業(yè)、地膜生產(chǎn)使用、回收與殘留等全產(chǎn)業(yè)鏈關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)報表的接收、上報、數(shù)據(jù)審核校驗。同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合分析，上報情況的統(tǒng)計，生產(chǎn)企業(yè)、監(jiān)測點、審核單位和質量控制單位的基礎信息管理，依托地膜使用監(jiān)測上報數(shù)據(jù)，利用R語言對殘留量與各類因子進行相關性分析以及方差分析，進一步精準農(nóng)田地膜殘留量預測模型設計。以2021年山東省農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測信息為依據(jù)，試運行系統(tǒng)，覆蓋全省16地市122縣，可實現(xiàn)地膜全產(chǎn)業(yè)鏈監(jiān)測與信息共享，為地膜科學使用與管理提供技術支撐。

關鍵詞：地膜殘留；功能設計；數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)上報；污染防控

中圖分類號：TP3; S223.5" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0302?06

Design and implementation of monitoring system for farmland plastic film use information

Xu Jing1， Sun Chitao2， 3， Wang Peng2， Yin Hang2， Mi Qinghua3， Liu Pingzeng1

（1. School of Information Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China;2. College of Water Conservancy and Civil Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， 271018， China;3. Key Laboratory of Agricultural Film Application， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tai'an， 271018， China）

Abstract： Conducting monitoring of agricultural film information is crucial for the scientific use of plastic mulch and the management of agricultural plastic pollution. In response to the monitoring and management of plastic mulch use in Shandong Province， this study leverages information technology and machine learning methods to propose a monitoring system architecture based on Springboot+Mysql+Mybatis. The system's functionalities encompass the entire network of plastic mulch usage monitoring， including the reception， reporting， and data verification of key business data reports across the full industry chain encompassing plastic film production companies， usage， recycling， and residues. It also facilitates comprehensive data analysis， statistical reporting， and basic information management of production enterprises， monitoring stations， audit units， and quality control units. Utilizing R language， the system employs data from the plastic mulch usage reports to conduct correlation and variance analyses on residue levels and various factors， further refining the prediction model for residual amounts of agricultural film. With the plastic mulch residue monitoring data from Shandong Province in 2021 as a basis， the system was pilot tested， covering 16 cities and 122 counties across the province， enabling comprehensive monitoring and information sharing across the entire plastic mulch industry chain and providing technical support for the scientific use and management of plastic mulch.

Keywords： residual plastic film; function design; analysis of data; data reporting; pollution control

0 引言

農(nóng)田地膜覆蓋栽培技術具有增溫、保墑、抑制雜草、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。目前，農(nóng)田地膜大多以聚乙烯為原料，在自然條件下很難降解，該技術在應用過程中存在重使用、輕回收的現(xiàn)象，導致地膜殘留逐年加重，由此引起的土壤結構、根系發(fā)育、作物生長等一系列問題逐漸引起人們的重視。山東是農(nóng)膜使用大省，2022年，全省農(nóng)膜總用量為254 kt，占全國總用量的10.69%。其中地膜使用量為86 kt，覆蓋面積1 519.3 khm2，分別占全國的6.41%，8.70%。針對地膜殘留數(shù)據(jù)開展高效收集方法和統(tǒng)計分析研究具有重要意義。

在殘膜高效識別方面，陳墨[1]通過對目前棉田殘膜量的研究方法進行對比后提出一種圖像識別方法，并設計出一款自動識別春耕后棉田土壤中白色碎膜的重量與自動分析數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。Levin等[2]利用地膜的光譜輻射特性和AIS-ES光譜影像來分析地膜的識別精度，最高可以達到90%。哈斯圖亞[3]、羅琪[4]提出了人工測量、無人機遙感，高光譜成像等田間殘膜污染評估方法。在地膜殘留量影響因素分析方面，杜澤玉等[5]通過選擇研究對象為河西走廊張掖綠洲105個監(jiān)測點，結果表明，西北地區(qū)的地膜殘留量高于東南地區(qū)，總體呈高斯模型分布。地膜殘留量受地膜覆蓋方式、地膜覆蓋年份和主要作物的影響是決定性的。主要作物為玉米時，地膜殘留量最多。宋占麗等[6]針對不同地域不同種植作物等進行地膜殘留取樣和影響因素分析，確認主要影響因子。Li等[7]使用隨機抽樣家庭調查數(shù)據(jù)探索地膜使用和回收的關鍵影響因素，采用二元logistic回歸模型分析了地膜使用和回收的特點。Zhang等[8]采用農(nóng)場調查、問卷調查和樣方抽樣的方法，在新疆維吾爾自治區(qū)的現(xiàn)場調查了殘膜狀況及其影響因素。結果表明，地膜厚度、覆蓋時間和作物類型都會影響地膜殘留。膜厚與殘膜量呈顯著負相關，而覆蓋年限與殘膜數(shù)量呈顯著正相關。

目前，高效、精準統(tǒng)計地膜使用數(shù)據(jù)信息仍存在較大困難。為進一步治理農(nóng)田地膜殘留污染，提升耕地質量，2021年山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳制定了《山東省農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測實施方案》，并在全省16個地市117個縣設置815個地膜殘留監(jiān)測點，使用現(xiàn)場采樣、人工調查等方法統(tǒng)計殘膜數(shù)據(jù)，殘膜數(shù)據(jù)的收集匯總和整理等環(huán)節(jié)尚未實現(xiàn)信息化。此外，在農(nóng)田地膜使用、回收和殘留殘膜污染監(jiān)測方面，相關關鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)存在分布零散、孤立、無法及時分析確定監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常等問題[9]。

為全面掌握全省農(nóng)田地膜使用現(xiàn)狀，本研究擬設計一套具有數(shù)據(jù)上報、統(tǒng)計及分析等功能的地膜監(jiān)測分析系統(tǒng)，以提升山東省農(nóng)田地膜生產(chǎn)、使用、回收和殘留數(shù)據(jù)分析效率和動態(tài)監(jiān)測水平，實現(xiàn)農(nóng)田地膜污染源在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的可監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享，為農(nóng)田地膜污染綜合治理提供技術支撐。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)總體架構

山東省農(nóng)田地膜監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋了地膜生產(chǎn)企業(yè)、地膜生產(chǎn)使用、回收與殘留等全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表的接收、上報、數(shù)據(jù)審核與校驗、上報情況統(tǒng)計、數(shù)據(jù)綜合分析與決策等主要功能。系統(tǒng)框架包括數(shù)據(jù)應用層、數(shù)據(jù)接口層和數(shù)據(jù)采集層（圖1）。此系統(tǒng)使用Java、Python和R語言實現(xiàn)，通過系統(tǒng)完成地膜從生產(chǎn)、銷售、使用、回收、殘留等地膜全周期數(shù)據(jù)匯總與分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)聯(lián)動以及數(shù)據(jù)溯源。同時依托地膜監(jiān)測上報數(shù)據(jù)，進行地膜殘留因素分析，研究分析監(jiān)測點地膜殘留量年際間變化情況，為加強地膜殘留污染的監(jiān)管、防控及綜合決策提供科學依據(jù)和技術支撐，可滿足不同角色工作任務需求。

1.2 主要流程設計

根據(jù)山東省農(nóng)田地膜使用調查工作開展情況，確定自下而上的數(shù)據(jù)上報傳輸流程。傳輸過程可劃分為5個級別/節(jié)點，即鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）、縣級、市級、承擔單位、省級審核單位。在流程設計中首先明確了省級—承擔單位—市級—縣—鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）5級組織結構，之后創(chuàng)建了各級別用戶，完善包括監(jiān)測點在內的各單位基礎信息，規(guī)范報送制度，根據(jù)各類需求指標設計系統(tǒng)上傳報表，并規(guī)定每個級別需要處理的數(shù)據(jù)報表，按照登錄角色進行各級別業(yè)務流程處理。根據(jù)審批流程設計（圖2），系統(tǒng)引用activity流程引擎，通過這些API接口平臺可以快速與地膜系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)系統(tǒng)間業(yè)務數(shù)據(jù)的雙向交換、業(yè)務處理流程等功能?？梢詭椭脩魧崿F(xiàn)非常靈活的流程設計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉規(guī)范化。通過系統(tǒng)整體功能設計，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)匯總、信息共享、查詢?yōu)g覽等功能。

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 系統(tǒng)總功能結構

依據(jù)山東省農(nóng)田地膜殘留調查工作的需求分析調研和現(xiàn)有的系統(tǒng)開發(fā)技術，對地膜殘留監(jiān)測系統(tǒng)進行分析設計，完成系統(tǒng)整體架構設計。系統(tǒng)功能設計為：系統(tǒng)管理、報表上報管理、任務發(fā)布管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、政策法規(guī)5個功能模塊（圖3），系統(tǒng)根據(jù)不同用戶對象提供不同的功能，通過分配不同的角色進行功能權限控制。

2.2 數(shù)據(jù)上報管理設計

報表上報管理與報表接收管理相對應，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)向上傳輸?shù)闹匾δ堋Ｔ趯崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，各級單位都必須確保報表數(shù)據(jù)的真實準確，因此，各級單位的領導需對本級上報數(shù)據(jù)負責，從而形成了報表上報的審批責任制。與此對應，報表上報管理功能[10， 11]主要包括上報申請、上報審批、報表上報、被退處理、未過審批處理、上報歷史瀏覽（圖4）。實現(xiàn)地膜殘留監(jiān)測點數(shù)據(jù)填報和地膜生產(chǎn)、使用和回收等多張數(shù)據(jù)填報功能。系統(tǒng)支持單筆錄入和模板導入功能，同時數(shù)據(jù)上報過程中增加了權限控制、數(shù)據(jù)完整性和一致性校驗的邏輯。

在該模塊中，輸入數(shù)據(jù)有“報表信息”“修改數(shù)據(jù)”“查詢條件”，輸出數(shù)據(jù)有“待審核報表”。同時該模塊還涉及“待報報表”“已過審批報表”“未過審批報表”“被退報表”“已上報報表”五個數(shù)據(jù)存儲文件。分類管理數(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)的跟蹤和查驗。

2.3 任務（信息）管理設計

為實現(xiàn)信息共享，以便各級政府部門能夠及時掌握山東省地膜殘留整體情況，需對地膜殘留指標的統(tǒng)計結果進行對外發(fā)布。由于新的情況以及工作的需要，經(jīng)常要新增加報送報表和新的指標，頒布新的運行制度，每月都需要向各鎮(zhèn)鄉(xiāng)監(jiān)測點發(fā)布相關報表的總體報送情況。只有省局擁有發(fā)布權限，但鎮(zhèn)鄉(xiāng)可提出在轄區(qū)內發(fā)布信息的申請，由省局審批。所有發(fā)布信息的審批權限都在省局領導。信息發(fā)布管理主要包括發(fā)布申請、發(fā)布審批、正式發(fā)布、發(fā)布信息瀏覽（圖5）。

發(fā)布申請：省局運管用戶和鎮(zhèn)鄉(xiāng)監(jiān)測點用戶通過發(fā)布申請將需要發(fā)布的信息提交省局運管負責人審核。發(fā)布審批：省局領導最終決定相關信息是否能夠對外發(fā)布，若不批準，該項業(yè)務完結。正式發(fā)布：僅省局運管用戶擁有該權限。省局領導批準發(fā)布后，由省局運管用戶進行發(fā)布操作，核定信息發(fā)布對象，同時歸檔保存。發(fā)布信息瀏覽：是對歷史發(fā)布信息操作即內容的存檔記錄，可在此快速查詢。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析設計

2.4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能設計

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析包括三部分功能（圖6），分別為圖表統(tǒng)計、圖形統(tǒng)計展示和數(shù)據(jù)挖掘分析。對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行明細以及概要方面的統(tǒng)計，通過相關的數(shù)據(jù)篩選之后進行數(shù)據(jù)的圖形化展示。根據(jù)歷史統(tǒng)計的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的算法思想進行地膜殘留因素挖掘和殘留預測。

系統(tǒng)對完成審核的上報數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的清洗、轉換和治理，并按照業(yè)務需求進行邏輯分析，通過系統(tǒng)集成的開源框架ECharts和Python算法專用的包scikit-learn和pandas，把地膜生產(chǎn)分布、地膜使用量分布、地膜回收和處理分布以及地膜殘留分布、地膜殘留影響因素分析，監(jiān)測點分布統(tǒng)計，上報數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計等一系列分析數(shù)據(jù)通過ECharts插件直觀、生動、個性化的實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化圖表展示。同時系統(tǒng)又集成了在線報表設計功能，方便用戶靈活的提取上報的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)原理如圖7所示。

2.4.2 數(shù)據(jù)相關性分析

在數(shù)據(jù)分析模塊中，需要采用相關性分析方法[12， 13]，對地膜監(jiān)測點上報的殘膜數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗，終止異常數(shù)據(jù)傳輸，對通過校驗的數(shù)據(jù)進行篩選、分類，采用多變量相關性分析、方差分析、線性回歸分析等方法實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能。

目前，對數(shù)據(jù)之間進行相關性分析主要采用皮爾遜（Pearson）系數(shù)或斯皮爾曼（Spearman）等級相關系數(shù)。本研究采用皮爾遜相關系數(shù)進行分析。皮爾遜相關系數(shù)定義為兩個變量之間的協(xié)方差和標準差的商。

1） 殘膜數(shù)據(jù)影響因子分析?；谏蠄笙到y(tǒng)的農(nóng)田地膜殘留量及監(jiān)測點基本信息，對數(shù)據(jù)進行篩選、分類和整理，對因變量殘留量與其他自變量（地塊與住處距離、耕地面積、播種面積、第一茬覆膜量、第一茬播種面積、覆膜年限、地膜使用周期、成本、殘膜回收量等）進行相關性分析（皮爾遜相關系數(shù)、斯皮爾曼等級相關系數(shù)）和方差分析（自由度、平方和、均方、F值、P值以及殘差）并繪制矩陣散點圖及分布圖（圖8）。從表1可以看到，殘留量與覆膜年限呈正相關，與地膜使用周期呈負相關。

2） 殘膜數(shù)據(jù)多因素方差分析。利用R語言軟件中的Aov函數(shù)構造方差分析，Summary函數(shù)可用于獲得描述性統(tǒng)計，提供數(shù)字變量的最小值、最大值、四分位數(shù)和平均值以及因子向量和邏輯向量的頻率統(tǒng)計。根據(jù)運行出來的結果判定相關性高低，殘差（Residual）是真實值與預測值之間的差，五個分位的值越小模型越精確，結果如表2所示。

由上述整體相關性分析以及方差分析結果可知，因變量殘留量和覆膜年限、種植作物、土壤質地以及灌溉方式呈強相關，與地膜使用周期呈弱相關。殘膜數(shù)據(jù)的相關性分析可為后續(xù)地膜殘留量預測模型構建提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

管理員登錄系統(tǒng)，進入系統(tǒng)主頁面（圖9），用戶可以根據(jù)自己的習慣設置主頁面展示內容，如任務辦理、監(jiān)測點分布圖、上報數(shù)據(jù)匯總、地膜殘留因素分析以及監(jiān)測點地膜殘留量、地膜生產(chǎn)企業(yè)分布、地膜使用情況等。

3.1 數(shù)據(jù)上報實現(xiàn)

數(shù)據(jù)上報模塊包括數(shù)據(jù)填報、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)匯總查詢，實現(xiàn)地膜監(jiān)測點數(shù)據(jù)填報和地膜生產(chǎn)使用和回收等多張數(shù)據(jù)填報。系統(tǒng)支持單筆錄入和模板導入功能，數(shù)據(jù)填報填寫完畢點擊“立即提交”，數(shù)據(jù)進入5級審批流?？梢赃M行單筆審核也可以批量審核，審核回退是逐級退回，同時數(shù)據(jù)上報過程中增加了權限控制、數(shù)據(jù)完整性和一致性校驗的邏輯。

3.2 數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)

在數(shù)據(jù)分析功能實現(xiàn)環(huán)節(jié)主要集成Python中機器學習算法專用的包scikit-learn和pandas，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析中的影響因子分析和算法模型構建。通過集成ECharts插件和在線報表設計插件，將數(shù)據(jù)分析技術與圖形技術結合來清晰有效地對分析結果信息進行解讀和傳達。如任務完成情況、監(jiān)測點分布圖、上報數(shù)據(jù)匯總、地膜殘留因素分析、監(jiān)測點地膜殘留量變化、匯總分析全省“一張圖”、影響因子分析與地膜殘留預測等一系列功能，能夠多方位、多角度、全景展現(xiàn)各項指標，實時監(jiān)控，動態(tài)一目了然（圖10、圖11）。

3.3 軟件實現(xiàn)

采用Springboot+Mybatis+Mysql+Thymeleaf的開發(fā)框架，用IntelliJ IDEA工具進行軟件開發(fā)，Web應用服務器采用Tomcat。該系統(tǒng)服務器端核心程序建立在J2EE平臺上，主要采用MVC設計模式。模型層使用Mybatis來負責對實現(xiàn)業(yè)務的實體類進行操作以訪問數(shù)據(jù)庫，控制層使用 Springboot框架，主要負責業(yè)務中的流程管理、實現(xiàn)業(yè)務邏輯。視圖層使用模板引擎Thymeleaf實現(xiàn)與用戶的交互。數(shù)據(jù)庫采用Mysql數(shù)據(jù)庫。

3.4 系統(tǒng)功能應用驗證

系統(tǒng)試運行期間系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)展示如圖12、圖13所示。

本系統(tǒng)于2022年10月初進行了試運行，山東省農(nóng)田地膜監(jiān)測項目組成員聯(lián)合全省16個地市122個縣、區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局的相關工作人員按照要求進行系統(tǒng)功能測試，參與系統(tǒng)試運行用戶數(shù)量達到130。工作人員全面測試線上數(shù)據(jù)模板上報、逐級審批、數(shù)據(jù)驗證、實時數(shù)據(jù)進展跟蹤、數(shù)據(jù)多維度匯總等功能，系統(tǒng)試運行期間整體功能完善、穩(wěn)定。對于省地膜生產(chǎn)企業(yè)、產(chǎn)量、銷售、使用和回收處理以及土地農(nóng)膜殘留等相關數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功能設計的多方位分析、交叉數(shù)據(jù)驗證和數(shù)據(jù)的深度挖掘等和預期效果一致。

4 結論

為提升山東省農(nóng)田地膜使用信息上報以及數(shù)據(jù)分析效率，利用信息技術與機器學習方法等現(xiàn)代信息技術，提出基于Springboot+Mysql+Mybatis為框架的山東省農(nóng)田地膜殘留監(jiān)測與分析系統(tǒng)。

1） 本系統(tǒng)采用Java、Python和R語言等軟件工具，系統(tǒng)完成地膜從生產(chǎn)、銷售、使用、回收、殘留等地膜全周期的數(shù)據(jù)監(jiān)測與匯總分析、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、數(shù)據(jù)聯(lián)動以及地膜全周期的數(shù)據(jù)溯源。

2） 通過對上報的農(nóng)田地膜殘留基本信息篩選、分類，并對因變量地膜殘留量與自變量進行多變量相關性分析、方差分析、線性回歸分析，最后構建擬合度較高的回歸模型，通過數(shù)據(jù)挖掘的算法對地膜殘留進行預測分析，為政策制定和實施提供科學依據(jù)。

3） 系統(tǒng)試運行后功能測試顯示系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠滿足實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和多維數(shù)據(jù)分析的需求，為地膜使用和殘留監(jiān)測提供有效的技術支持。

隨著系統(tǒng)的不斷應用和數(shù)據(jù)的積累，可持續(xù)優(yōu)化模型，提升數(shù)據(jù)質量。同時，隨著地膜產(chǎn)業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的不斷完善，系統(tǒng)可實現(xiàn)地膜從生產(chǎn)、銷售、使用、回收、殘留全產(chǎn)業(yè)鏈的地膜溯源，為農(nóng)田地膜污染綜合治理提供更強有力的技術支撐。

參 考 文 獻

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