GIS 在农作物与地理环境系统中的应用

第一章 绪论

1.1 选题的目的与意义
1.1.1 选题的目的
信息科学技术是 21 世纪的主导技术之一，它已应用在社会生产的各个领域，极大地促进并推动了相关产业的蓬勃发展。地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是以由计算机系统、地理数据库和用户组成，通过对地理数据的采集、存储、管理、处理、检索等生成并输出各种地理信息，是分析和处理海量地理数据的通用技术从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划工程设计和规划等提供管理决策服务。近年来，将 GIS 技术应用于农业的生产管理，用先进的信息技术提升改造传统农业，大力发展农业信息化已成为我国发展现代化农业的重要战略。用信息技术武装农业的生产管理，必须以各种作物和农业环境信息的获取为基础，进行农业决策支持系统和专家系统的开发，才可实现农业生产效率的提高和资源的优化配置。农田作物与环境信息主要由地理环境、土壤环境、气候、水环境以及作物生长状况等相关信息构成。这些信息的准确获取对研究作物的生长情况以及管理人员实施管理都有着重要意义。在作物的生长过程中，它必然受到大气、水、土壤、光、热等自然环境的影响，在其生长阶段中所表现出的生理生态特征，以及其所处的环境因子参数这些就构成了研究作物的信息范围。因此要研究作物的长势情况首先需要准确及时地获取作物与环境信息。
另外，作物与环境信息的获取是实施精细农业的前提，在精细农业中占有举足轻重的地位。由于精细农业是基于信息和先进技术为基础的现代农田“精耕细作”技术（汪懋华 1999），因此，精细农业的实施必须以农田信息获取为基础和支撑，准确感知田间小区的水肥信息、作物长势信息、病虫草害信息等相关信息并结合专家知识分析判断最终确定出该小区所需肥量、水量、药量，实现按需投入的目标。最后，作物与环境信息的获取对预防农业灾害意义重大，如根据以往田间的病虫草害发病情况信息，结合植保专家的知识经验，可提前预测灾害的发生并采取措施。随着农业信息化的发展，在科研和实际生产中我们获得了海量的作物与环境信息，但是现实情况是我们对于这些农业信息的利用率很低，费时费力得到的数据的价值得不到最大发挥。造成这个情况的主要原因是由于作物种类的差异，地理位置的不同，作物与环境信息的监测中使用仪器的差别，采集获得的数据在计算机上存储和访问方式的不一致（杜克明 2007），这些都给作物与环境信息的有效存储和使用带来了难题。
因此我们要提高农业信息的利用效率，从纷繁复杂的农田监测信息中发掘对农业决策具有指导意义的信息，必须构建一个支持决策分析的数据存储环境用来将作物生长图像信息、生理和生态信息、气象和土壤信息进行统一存储。本文选题的目的是构建一个基于 GIS 的作物与环境信息系统来实现对作物与环境数据的统一存储和访问，制定统一的数据标准，并通过网络将其发布，以此来建立一个共享的作物与环境信息的数据平台。基于这样的平台，农业领域的专家可以方便的进行数据的深入分析，进而依据分析的结论来远程、实时、异地的指导栽培、灌溉、施肥、植保等农作措施。
1.1.2 选题的意义
中国是一个拥有 13 亿人口的发展中农业大国，农业在中国历来被认为是安天下、稳民心的战略产业。目前，我国的土地资源开发导致资源越来越少，与此同时，不可遏止的人口增长比例也使得其与土地资源的矛盾愈演愈烈，只有通过提升我国农业的发展水平才能缓解矛盾，才能促进经济发展和小康的实现。农业的发展水平取决于生产效率、农资利用率等因素，为了减少我国农业的盲目开发造成的生态负荷，笔者认为，我们需要将目前的粗放型农业逐步改进为集约型，通过科学的农业管理实现我国农业发展水平的飞跃，以更好的迎接未来为我国农产带来的调整。当今农业发展的必经之路是依靠高科技的管理系统来实现科学化的监测和管理，包括 GIS 和 ICS（智能控制系统）等。这些系统可以实现作物栽培的管理、生长形势、作物生长的环境特征监测等实时的管理以及为以后的决策提供参考建议。
考虑到农业生产过程中存在较大的地理差异，要想实现快速有效的处理来自不同地理环境下的大量农业数据，必须将 GIS 应用到农业的生产过程中，这样才能保证采集到的农业基本数据的可靠性，并且可以得到一个可信赖的农田信息管理系统。如果不能及时获的可靠的农田数据，就不能做出准确的农业生产决策，更谈不上农业生产管理的现代比。信息技术的发展使使农田管理工作能够更加迅逐和便捷，向着定量化，精确化方向发展。本研究就依农田基本数据的管理和服务入手，研究信息技术在农田信息化服务中的应用。面对复杂多变的环境数据，传统的数据管理系统已经无法应对来自时空的特异性、环境的特异性等大量的数据存储，而 GIS 的应用就为此提供了强有力的技术支持（黄敬峰 2000）。作物与环境信息系统在日常的监测活动中产生了大量数据，这些数据有些是以文档的形式进行存储，有些以数据文件的形式存储在硬盘或磁盘等媒介上，一些则存储在普通的数据库中。
这些数据除了分布凌乱，在数据的组织上也不统一，这必然给农业专家及农业管理人员观察分析作物与环境信息带来诸多困扰。而数据的使用者不得不花大量时间进行数据的统一整合，这显然是对宝贵的科研时间的浪费和挤占。将农田环境与作物信息从海量数据中提取出来，对分散在各处、不便于访问的各类农田监测数据进行处理，从而构建一个基于地理数据库的可以共享数据的 GIS 系统，方便科研人员联机查询和分析数据，并利用这些信息评判当前的农田环境状况和作物生长态势，预测作物未来可能发生的各种营养缺乏状况、病虫草害情况、果实品质和产量情况等，为指导今后的农田管理及灾害预防提供支持。笔者将其应用于研究中的空间数据收集和分析，实现“作物一气象环境一预测”的管理系统，同时可以实现作物区域数据的图形化查询与制图。

1.2 国内外研究进展
地理信息系统起源于上世纪 60 年代，在 70 年代得到了巩固与发展，到了 80 年代已经实现了推广和应用，90 年代得到蓬勃的发展和广泛的运用，广泛的应用于社会生产和生活的各个方面。地理信息系统目前已经实现了将地理学、遥感、统计等学科融合在一起处理空间信息数据，为农业的精准发展提供了可靠的技术支持。
 
   1.3 研究内容与方法 .......................14-16
第二章 系统总体设计 .......................16-19
    2.1 系统需求分析 .......................16-17
        2.1.1 功能需求分析 .......................16-17
        2.1.2 数据需求分析 .......................17
    2.2 系统设计原则 .......................17-18
    2.3 系统总体结构 .......................18
    2.4 本章小结 .......................18-19
第三章 桌面端二次开发 .......................19-37
    3.1 数据访问协议 .......................19-20
    3.2 驱动建树开发 .......................20-29
    3.3 工作空间开发 .......................29-32
    3.4 菜单条的开发 .......................32-33
    3.5 功能区的开发 .......................33-35
    3.6 权限分配的开发 .......................35-36
    3.7 本章小结 .......................36-37
第四章 网络端 Flex 二次开发 .......................37-45
    4.1 Flex 开发架构 .......................37-38
    4.2 MapGIS K9 IMS Flex 环境配置 .......................38
    4.3 地图显示实例开发 .......................38-40
    4.4 地图查询实例开发 .......................40-41
    4.5 地图编辑实例开发 .......................41-43
    4.6 地图统计分析实例开发 .......................43-44
    4.7 本章小结 .......................44-45
第五章 系统应用与测试 .......................45-57
    5.1 前期准备 .......................45-48
        5.1.1 创建地理数据库 .......................45-47
        5.1.2 绘制实验区平面图 .......................47
        5.1.3 数据录入 .......................47-48
    5.2 系统功能模块展示 .......................48-53
    5.3 网络端展示 .......................53-56
        5.3.1 MapGIS IGServer 配置 .......................53-55
        5.3.2 网络端功能 .......................55-56
    5.4 本章小结 .......................56-57

结论

本研究对 GIS 技术在作物与环境信息管理中的应用进行了有益的探讨和尝试，研究的主要结论与成果如下：
（1）基于 GIS 的作物与环境信息系统的总体要求：系统具有广泛的可用性，用户可以通过简单操作即可满足对田间基本情况、历史数据的读取与查看，完成对图形编辑以及查询和维护等功能。
（2）开发了一个基于 MapGIS K9 的作物与环境信息管理系统。该系统可以完成对地图的显示、漫游、缩放和定位；实现图属联动，能够根据图元查找到属性，通过属性对图元的查找和定位；属性数据与地图图元的绑定；各类专题图的生成等功能。
（3）通过基于 Flex 的二次开发完成了对地图显示、查询、编辑以及统计开发，使不同用户通过 Internet 可以轻松的访问地理数据库。
（4）创建了中国旱区农业节水研究院传感器网络试验区的地理数据库，将传感器和气象站收集的数据录入该地理数据库中，绘制了改试验区的平面图，并且在该系统中得到验证，经验证该系统可以方便的查询与管理数据，并且通过网络将数据实时的共享。

参考文献

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杜克明.2007.农业环境无线远程监控系统的研究与实现[硕士论文]北京:中国农业科学院
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