面向农户的农作物分布与配套服务GIS系统构建

刘红宇;叶凯溪

【摘 要】开发面向农户的农作物分布与配套服务的GIS信息系统有利于实现农户们生产前信息交换、更合理地使用土地资源和安排生产,为增长增收提供基础保障.在基于农户需求调查结果基础上,设计开发了面向农户的农作物分布与配套服务的GIS信息系统,系统包括人机交互层、数据层、功能处理层和表现层,辅助实现农户通过地名、坐标等搜索方式查找到自家地块所在点,以及与自家种同类农作物的其他农户分布信息.

【期刊名称】《广东农业科学》 【年(卷),期】2015(042)006 【总页数】6页(P141-145,封3) 【关键词】农户;农作物分布;GIS系统 【作 者】刘红宇;叶凯溪

【作者单位】广西财经学院信息与统计学院,广西南宁530003;广西财经学院信息与统计学院,广西南宁530003 【正文语种】中 文 【中图分类】S29

当前，农业信息化的发展空前繁荣，许多农业信息系统为农民的耕种、收播和销售提供了多种支撑渠道，但果蔬、家禽等生鲜农产品相对过剩、滞销的现象还时有发生，一方面有自然灾害因素，另一方面也有农作物分布与配套服务信息的信息交换

不对称等因素。从已有的农业信息系统看，大多是面向农产品经销商、农业管理者的农产品销售信息管理系统，属于“生产后”的信息交换；对于直接面对农户的“生产前”信息交换平台相对较少，特别是鲜见针对农作物分布的信息系统。农民作为生产者而言，如果不在生产前掌握农作物的分布信息，根据存量情况动态调整生产，则一旦出现农产品过剩，往往只能“贱卖”来降低损失，无益于农户增收。因此，在种植前期获得同类农产品的其他农户的种植规模、分布地区以及市场需求、价格等信息尤为必要和重要，是农户科学地调整自己的种植计划，从生产源头上尽可能避免滞销、“贱卖”的可能。开发面向农户的农作物分布与配套服务的GIS信息系统可以有利于实现这种生产前信息交换，更强调人性化，区域农业现代化由农业单一目标规划模式转变为向强调农业系统生态环境与可持续发展[1]。 与其他面向用户的信息系统一样，农产品信息系统的真正价值并不在于技术水平的高、精、尖，而在于用户的直接体验，系统是否能为用户带来有价值的信息交换、是否能尽可能长时间地使用户保持使用。基于此，农户的信息系统的需求分析尤为重要。根据本研究的课题组对广西（武鸣、阳朔、宾阳、贵港）、广东（湛江）、河南（信阳）、湖北（黄冈）等4 省208户农户进行入户调查和访谈，对当前农户的信息素养水平、信息获取有效渠道、信息需求特点的综合分析，结果发现： 1.1 系统需满足农户手机客户端的访问需要

相对于电视、基于web的网络媒体，手机是农户群体中覆盖面最广泛、最便捷、最普遍的终端。随着智能手机价格的亲民化，目前几乎人手一台的智能手机成为农户通讯交流的设备，在所调研的农户中，智能手机的覆盖率达到了100%（每个农户家庭的主要劳动者中至少有一个使用智能手机）。特别是对于80后、90后等新生代农户而言，利用手机获取种植信息、了解市场价格、购买农资产品、推销自家农产品已普遍。而80后、90后逐渐成为决策、管理自家耕种生产的“决策者”，成为农户群体中的核心力量。因此，系统设计需考虑手机终端的访问特点，

信息呈现与模块设计应更注重与手机呈现的特点相匹配，以“短、平、快”为主。 1.2 信息系统的内容呈现需与农户所拥有的地块直接联系

在对“你对现在的农业信息平台不满意的地方是什么？”“你最希望的得到的耕种信息是什么？”两个问题的回答中，农户反映了当前农业信息平台主要发布的是“大范围”、“大市场”的信息，与自家所处的地区联系不够密切。例如，秋冬种植马铃薯的农户很希望知道周边的几个市、县有多少农户种植同样的产品，产量与质量是否优越于自家。同时，特别是针对自家地块的适宜品种、种植效率等都希望得到科学分析和种植指导，而不是仅凭个人经验或者“跟风”种植。 1.3 信息系统需提供化肥、农药、销售等配套服务信息

在可以查询到自家地块适宜种植的作物品种的同时，农户希望可以配套提供种植的技术信息，如化肥、农药、护理技巧以及即时的市场需求等信息。农户提出最好能实现“一次搜索，就呈现比较全面的信息”，避免多次搜索带来的繁复。目前，虽然农民都基本掌握了智能手机的使用技巧，但对于复杂的检索所需的信息素养还有待提高，因此，系统开发必须考虑当前农户信息素养的基本水平，避免使用复杂的、多次的链接和架构，尽可能将化肥、农药、销售等配套信息简要呈现给农户。 综上分析，农户的需求总体上已经凸显对“精细农业”的需求，尽管农户对“精细农业”的概念并不熟悉，但“深耕细作”一直是我国农民的生产追求。农业是对资源环境依赖性相当强的产业，在有限的土地上提高产量和质量是农户的根本追求。基于此，鉴于国内外已有的研究与实践，农业信息GIS系统可以实现“精细农业”概念的是良好选择，开发面向农户的农业信息GIS系统就可以满足当前农户信息获取的基本需求[2-4]。

面向农户的农作物分布与配套服务的GIS系统，以地理空间数据库为基础，对农业空间相关数据进行采集、管理、分析、模拟和显示等[5]，为农户所需的信息查询提供先进的技术支持。综合比较分析了国内同类农业GIS信息系统的架构[5-8]，

本系统按照逻辑结构[3]由人机交互层、数据层、功能处理层和表现层等4层构成（图1）。 2.1 人机交互层

人机交互层是用户与系统的交互界面，实现数据的输入，查询，统计分析，结果显示以及数据，图表查询结果输出。本系统在引擎设计使用相对坐标而不是绝对坐标，实现游戏显示对不同的移动终端（如：不同型号手机、pad）屏幕大小和输入方式的自适应设计，满足不同农户、不同访问终端的访问需求。 2.2 数据层

数据层包含基础图片数据库、影像数据库、属性数据库和全国1∶4.0×106电子地图的空间数据属性数据。属性数据库与空间数据库之间利用MAPX实现挂接。其中，基础图片数据库是包括地貌、行政区域、农作物等图片数据；影像数据库是保存各种经过遥感、CAD、PHOTOSHOP等技术处理后的图像数据，系统开发人员可以直接使用；属性数据库由农作物生长相关的自然条件、人工条件、农作物品种等基础信息数据组成，包括以下几类基础数据：

（1）农作物生长自然条件数据：包含气候、土壤数据。气象数据记录不同年份全年逐日的气候数据，分别是日最高温和最低温、日照时长、降水量、每年出现的自然灾害数据。土壤数据主要存储土壤特征信息，包括土壤类型、土壤元素、土壤肥力、有机物含量、含水量、土壤咸度、pH值等。

（2）农作物生长的人工条件数据：包含影响农作物生长的人工条件因素数据。如，肥料种类及其有效养分含量、农药种类及用法、灌溉、劳动力数据、病虫妨害技术等数据。

（3）农村种植及销售信息数据：存储农作物种植面积、产量、种植地、采收情况、商场批发均价、销售均价、销售品种、销售量、销售渠道、销售运输情况等数据。 （4）农作物基础信息数据：存储不同农作物品种的生长特征，包括农作物名称、

品种类型、品种种类、抗病性、抗自然灾害性、生长期天数、繁衍特征、生长环境特征、对应农机服务类型等数据。

（5）用户数据：存储注册用户编号，用户名、联系方式等用户信息。

此外，空间数据库主要存储所描述区域的空间地理位置信息，本空间数据库中的数据是对非立体的地图通过GIS系统进行投影坐标的处理之后获得的空间数据。 2.3 功能处理层

系统的功能处理层是整个系统的核心部分，主要实现对系统中的地图图片数据进行地图的数字化；对系统中收集的与农作物相关的属性数据数据进行分析处理；对系统收集的农作物区域地理位置的空间数据进行分析处理；并对系统中的属性数据与空间数据建立相关联的关系以实现农作物的属性数据与空间数据能同步显示；实现用户查询信息功能和系统维护功能。

基于需求分析和GIS信息系统的特点，农作物分布GIS系统需要实现四大功能： （1）农作物分布信息的输入与存储功能：用数字化仪或扫描仪把地图、图片（航空摄影照片）和规划图等输入计算机，并可对其进行修改或增补内容，建立农作物分布的地理空间数据库[9]。

（2）综合分析功能：可以进行传统的统计分析或对空间定位数据的特定统计分析，例如从农作物分布的统计分析，推算农资配置、产量分布及销售的管理和服务信息。 （3）农作物分布数据查询功能：对农作物空间定位数据或属性数据分别查询或一一对应查询，对多个数据层进行简单或非常复杂的查询。

（4）输出功能：把经过分析做出的结果（文字报告或图形）以地图或其他图形通过显示器、打印机或绘图仪表达出来，直观形象，可视性强[10]。

用户可通过搜索自家地块所在的地址来访问系统的GIS地理空间数据，了解农作物分布的种类、数量、地点、地貌等基础信息，进而推算出化肥、农机等农资的配置需求和农作物产量，提前做好生产、收割和销售等一系列准备工作。使农民和农

业管理部门较系统、较全面地掌握农作物生产分布情况，解决农作物分布、分级、统计和制图等问题，实现农作物分布情况的信息化管理，可以直接应用于农业普查、农业规划、农业优化管理和监测等环节，提高指导生产、管理生产、服务销售的效率。 2.4 表现层

表现层的功能是对用户要获得的最终结果进行可视化显示，主要包括：（1）具体农田上的农作物分布地图的查询显示；（2）适合农作物的生长条件显示；（3）农作物的栽培技术、病虫防治结果显示；（4）农产品种类、农资需求、农作物产量的结果显示；（5）农产品销售量、市场价格、销售渠道等的结果显示；（6）农经统计指标发展趋势分析、比较分析的结果显示。

数据的显示方式并不是单一的文字输出，本系统表现层的数据输出形式主要有：地图的图片输出、图表输出以及图标与文字同时输出。

系统在实现对数据规范管理的情况下，支持多条件查询主要农作物分布信息。GIS以组件的形式嵌入系统中，支持主要农作物信息空间可视化，使原来管理信息系统中很多抽象的数据与地理位置建立联系，直接显示在地图上，方便用户在地图上直接操作MIS，使信息查询统计变得更加简单、直观[11-12]。 3.1 系统主界面

系统主界面用Frame方式包含了两个部分，其中菜单区域作为一部分，下面的工作区域是一部分。菜单区域放置用户经常使用的系统功能，是分配给当前用户所有的界面，资源分为多级；工作区域分为左边的图层区与右边的地图区。用户当前使用的功能，点击菜单区域后，工作区域就会转到相关工作页面供用户使用。用户点击目标点查找后，系统工作区域转到输入X、Y坐标查找相应地点功能页面（图2）。

3.2 农作物数据管理界面

作物数据界面以表格的形式展示当前系统的数据库状态，在数据库中，所有有关农作物信息，如地名、种植作物、作物品种、种植面积、种植时间、肥料与药物施用量等都可以加入到系统数据库中，数据的录入依托EXCEL、数据库等强大的数据管理软件，可以达到高效的数据管理。图3示例为宾阳各地作物种植概况。 3.3 农作物信息类别创建界面

作物信息类别创建界面允许用户加入任何与农作物有关的字段，然后通过实时经纬度坐标将字段与地点关联起来，加入的字段可以是：（1）具体农田上的农作物分布地图；（2）适合农作物的生长条件；（3）农作物的栽培技术、病虫防治结果；（4）农产品种类、农资需求、农作物产量的结果；（5）农产品的销售量、市场价格、销售渠道等结果。宾阳各地农田的字段设置如图4所示。 3.4 农作物分类信息查询界面

本系统增加了用户移动访问的功能，通过移动GIS嵌入GIS、GPS定位、无线通信等多种技术进行综合集成，以人为核心，以实现处理动态数据的功能[13]。农作物分类信息查询界面可以通过对单个或多个字段进行查询，如对作物品种字段作为查询目标，系统则列出相应品种的作物，是哪些田地在种植，并在工作区地图中用高亮标出；通过高级查询，还可以实现组合查询功能，通过此功能，我们可以便捷地了解到如哪些县市在某一种植范围内作物每年的收成情况。查询功能页面与高级查询面板如图5所示。 3.5 农作物信息输出界面

作物信息的导出可以将农作物数据导出为表格、数据库形式，或是导出实时系统地图供其他衍生系统进行读取分析，也可以将内容进行打印、动态视频制作。地图信息导出界面如图6所示。 4.1 宾阳县示例

我们选取广西南宁市宾阳县的五个乡镇进行了初步的农作物采集、录入与分析查询。

各乡镇的农作物信息在系统中呈现如图7所示。

将数据加载入系统中，选择所有字段显示，我们在地图上就得到了每个地区的农作物基本信息显示（图8，封三）。 4.2 系统测试

测试方面，系统对图层的放大、缩小、移动地点，通过坐标点查找地点等各种系统功能均正常，并实现了响应速度小于50 ms、数据输出与查看正常、数据调动与显示正常需求定义的目标。 4.3 用户体验

针对用户体验对系统进行操作测试与优化，根据管理系统的操作习惯和用户主要使用WINDOWS系统的操作习惯，以及整个GIS系统的主要使用方式，对用户的操作、数据展现的明晰程度、功能操作以及提示方面进行了优化，使得系统界面友好、系统使用更加便捷，功能实现更加直接，系统适用于各级农业管理部门。

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