基于GIS的食用豆信息系统的设计与实现

康晓洁， 张蕙杰， 龚 谨， 诸叶平

(1.中国农业科学院农业信息研究所/农业部农业信息服务技术重点实验室，北京 100081)

食用豆是指以食用籽粒为主，包括食用其干、鲜子粒和嫩荚为主的各种豆类作物［1］。近年来随着人们生活水平的不断提高，食用豆作为优化居民饮食结构和改善食物营养结构的重要食品，消费需求量呈现稳步增长的态势，有力推动了食用豆产业规模的不断壮大。当然，中国食用豆产业发展仍存在着政策关注不够、生产波动大、产后深加工水平低下等一系列问题，影响了食用豆豆农的种植积极性和食用豆产业的健康良性发展［2-6］。为此，农业部、财政部建立专项资金支持食用豆产业技术体系的建立，进一步推动食用豆产业做大做强。依托国家食用豆现代农业产业技术体系的建立，本研究选取不同豆种的食用豆主产区作为固定观察点对其生产贸易情况进行详细的跟踪调查，旨在通过全面调查掌握中国食用豆产业的相关基础性数据，并以此数据建立食用豆信息管理系统，对其进行规范管理、信息查询、系统分析，从而实现迅速准确地调阅及生成食用豆相关信息。与此同时，由于食用豆生产、加工、销售、贸易和地理空间有着密切联系，数据大都具有空间内涵，因此在对数据进行分析时加入空间信息可以使数据分析更加透彻［7-8］。地理信息系统(Geographic information system，简称GIS)是采集、存储、管理、检索、分析和表达空间数据的计算机系统。将GIS功能融入到食用豆信息系统，使地理信息系统与管理信息系统功能融合在一起，地理空间信息渗透到数据分析中，从而深度挖掘出更多直观有用的信息，为国家食用豆技术产业体系提供更多辅助决策，对推动食用豆产业及技术体系发展，调整中国农业产业结构，促进农业产业升级具有重要意义［9］。并为将来建立食用豆灾害预警、产品质量安全追溯系统提供基础［10-11］。

1 系统结构

1.1 系统总体结构

系统总体结构按照逻辑结构分为四层:人机交互层、业务逻辑层、技术支撑层和基础数据库层。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;业务逻辑层实现数据业务的逻辑处理，包括地图数据业务、产业数据业务以及数据统计业务;技术支撑层包括系统中用到的组件技术;基础数据库层包括全国1∶4.0×106电子地图的空间数据、属性数据以及食用豆产业基础数据(图1)。

图1 系统结构图Fig.1 The structure graph of the system

1.2 数据库设计

根据系统的需求，数据库分为食用豆产业数据库和空间信息数据库。食用豆产业数据库主要存储食用豆产业相关基础性数据，即从观察点获得的调查数据。系统采用Microsoft access数据库，数据库访问采用标准化查询语言SQL来实现。空间信息数据库采用超图提供的全国1∶4.0×106电子地图。食用豆产业数据库通过地区代码字段与地理信息数据库建立联系，通过字段名称的统一，为今后数据库的修改、扩充提供了便利条件(图2)。

图2 食用豆产业数据库Fig.2 The database of edible beans industry

2 系统功能实现

根据目前国家食用豆产业技术体系需求，系统涉及的食用豆资源主要包括绿豆、芸豆、蚕豆和豌豆。涉及的数据主要包括豆农家庭成员情况、豆农家庭基础设施情况、食用豆种植情况、豆种使用情况、食用豆种植技术服务情况、食用豆销售情况、食用豆加工情况、食用豆贸易情况、国家政策服务情况以及豆农其他谷物种植情况。系统在实现对数据规范管理的情况下，支持多条件查询食用豆资源各种信息。GIS以组件的形式嵌入系统中，支持食用豆资源各种信息空间可视化，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［12］。基于GIS的食用豆信息系统将以全新的方式来管理和利用食用豆产业基础数据，规范数据管理，挖掘数据的潜力，提高数据的利用价值。

2.1 数据存储和管理

在数据存储和管理功能上，系统对用户进行分组授权，根据数据安全级别和功能复杂程度的不同，把用户分为普通管理员和用户，分别登陆系统［13］。管理员负责数据存储、管理和修改。食用豆产业技术体系示范点刚刚建立，随着食用豆产业技术体系研究的深入，收集到的食用豆资源会逐渐增多，数据量会逐渐增大、数据涉及面也会越来越广，将变化了的和新收集到的数据进行及时编辑和更新，保证食用豆产业基础数据库数据的实时性和可靠性，是系统进行数据分析、辅助决策的关键［14］。为使系统直观、易操作，数据更新模块采用内容查询方式更新，将食用豆产业数据库中的数据表表名作为“查询内容”，将各张表中的户号设为关键字，在系统中查询到所要修改的内容直接修改保存。系统在存储和更新方式上实现手动输入和Excel导入。

2.2 数据查询

借助于GIS的功能，系统实现两种查询方式:一种是从地图到属性数据查询，一种是从属性数据到地图查询。在系统中，GIS二次开发方式采用了超图基于共相式GIS内核进行开发的组件式GIS二次开发平台SuperMap Objects.NET 6R，在共相式GIS内核(UGC)中实现GIS的核心技术，在UGC外建立访问数据的接口标准和技术框架(SuperMap SDX+)，支持多种数据格式访问，实现空间数据存储技术、空间索引技术和数据查询技术［15］。从地图到属性数据查询，用户可在地图上点击任意区域，系统通过SDX+建立空间数据库和食用豆产业基础数据库的联系，返回食用豆资源属性信息。从属性数据到地图查询，用户通过选取食用豆资源某一方面或几方面的信息作为指标，系统通过ADO接口访问Access数据库实现属性数据库连接，将指标数据作为字段添加到地图属性数据库中，通过接口连接UGC内部，将指标在地图上显示［16］。

2.3 统计分析

统计分析是指运用统计方法，按照从定性—定量—定性分析的顺序，对收集到的数据资料进行整理归类并进行分析，最终形成分析报告的过程，从而达到对研究对象更为深刻的认识。通过对食用豆生产、销售、加工和贸易数据进行量化，进而通过区别数量的界限确认质的变化，揭示食用豆生产、销售、加工和贸易发展状况和规律。针对调查数据特点，可实现的指标有平均数、标准差、相关系数，可描述数据的集中趋势、离散程度和相关强度。为使统计分析结果以图表形式直观显示，系统中使用了TeeChart组件技术。

2.4 专题图分析

专题图是为适应某种专门需要而着重显示制图区域内某一种或某几种自然现象或社会经济现象的地图。专题图不仅可以使数据可视化，而且用来做专题变量的属性数据的变化分布状况和规律以及发展变化趋势都将会一目了然。食用豆生产、销售、加工和贸易行为都和地理信息有着密切联系，通过专题图对调查数据进行分析，将属性数据和地理数据相结合，在挖掘属性数据之间关系的同时对数据的空间分布情况有了更深的了解，从而挖掘出更多的直观有用的信息完成辅助决策［17］。根据属性数据性质，系统实现了单值专题图、分段专题图和统计专题图功能以及各种图形渲染风格(大小、颜色、线型、填充等)。单值专题图和分段专题图是针对单一数据指标制作专题图进行分析，所不同之处在于单值专题图将数据指标相同的归为一类并设定一种渲染风格，着重表示现象质的差别;分段专题图将数据指标以某种分段方式分成多个范围段，不同范围段设定不同的渲染风格，着重表示现象量的差别。同时分段专题中的过滤功能可以使用户方便地查询到不同数量级在地图上的空间分布情况，有助于实现食用豆生产、销售、加工和贸易区域发展状况的分析。统计专题图的特点是可以基于一个数据指标或多个数据指标制作专题图，从而可以实现一次性对一个数据指标进行统计分析和对多个数据指标进行统计分析。

下面以2011年和2012年云南大理白族自治州洱源县、大理市、祥云县和弥渡县观察点食用豆播种面积和食用豆新品种使用情况的调查数据为例，使用系统专题图分析功能对数据进行分析。

图3为所调查农户在2011年和2012年主要作物播种面积专题图。总体来看，两年里食用豆的播种面积在各个县都占主要地位，仅在2011年弥渡县和2012年大理市食用豆播种面积位居第二，由此可知食用豆为当地重要的粮食作物之一。从纵向来看，2012年洱源县食用豆播种面积变化较大，将近减少7.5 hm2。其他三县基本保持不变。但是通过图中可以看到，洱源县其他作物播种面积也大幅下降，说明2012年洱源县农业生产可能由于自然灾害等原因呈现下滑趋势。从横向来看，2011年大理市食用豆播种面积居四个县之首，依次是洱源县、弥渡县，祥云县;2012年大理市食用豆播种面积仍居首位，依次是弥渡县、祥云县，洱源县，说明食用豆在4个县的播种面积年际间变化相对不大。

图3 作物播种面积专题图Fig.3 The thematic map of crop sowing area

图4为2011年和2012年豆农在种植食用豆时使用新老品种播种面积专题图。从纵向来看，祥云县和弥渡县在2011年新品种使用量均在90%以上，但是在2012年新品种使用量大幅下降;洱源县和大理市两年内新老品种使用情况基本保持一致，使用老品种所占比例远远大于新品种，说明四个县的食用豆新品种推广工作还有待进一步加强。

图4 新旧品种播种面积专题图Fig.4 The thematic map of new and old seed sowing area

图5为2011年和2012年导致豆农在食用豆种植中不使用食用豆新品种的各种原因的比例图。从纵向来看，主要影响豆农使用新品种的因素在洱源县、弥渡县和祥云县基本没有太大变化，大理市变化较大。从横向来看，2011年豆农在上一年留种是导致豆农在食用豆种植中不使用新品种的主要原因，这一因素的影响力在祥云县最为突出，其次是弥渡县、大理市和洱源县。没有其他品种好和新品种价格是次之的影响因素。2012年上一年留种依然是影响洱源县、祥云县和弥渡县的主要因素，但是大理市的豆农却有较多人是出于隔年换的想法使用旧品种，说明不同地区食用豆新品种使用的影响因素存在一定差异。

图5 影响食用豆新品种使用专题图Fig.5 The thematic map of factors influencing new edible bean varieties use

图6为2011年和2012年豆农选择食用豆新品种时重点关注的新品种各种性能的专题图。从横向来看，2011年4个县的基本情况大致相同，豆农重点关注的新品种性能依次为新品种的高产、不易感染病害、不宜感染虫害的能力以及未来食用豆质量好、售价高，关注最低的是新品种的抗旱能力;2012年新品种高产特性依旧是豆农最为关心的，同时豆农对新品种抗旱能力的要求有所提高，而对未来食用豆是否质量好、售价高的关注度有所降低。这可能与2012年食用豆生产受降水等自然条件影响较大有关。

图6 新品种性能关注专题图Fig.6 The thematic map of the concerns with new variety performance

以上对食用豆播种面积和食用豆新品种使用情况的部分数据分析表明:在云南大理白族自治州4个县食用豆的播种面积较大，为当地主要粮食作物之一。但食用豆新品种的使用情况不容乐观。食用豆所用品种基本来自于豆农自产自留的种子，种子更新换代极慢。通过对图4的分析了解到，新品种本身性能没有得到良好的体现和种子价格太贵是造成这一现象的主要原因;通过对图5的分析了解到，豆农对新品种性能最为关心的依然是新品种的高产性能，其次才是产品质量和销售前景，这也是造成食用豆质量不稳定的主要因素。种子作为特殊和不可替代的农业生产资料，是发挥农业科学技术作用的载体，它体现了农业科技水平的高低。因此，针对目前食用豆新品种的使用情况，必须加大配套技术的使用以体现食用豆新品种的新特性，同时加大对食用豆产业的扶持力度，对豆农使用新品种进行资金补贴，提高其使用新品种的积极性;同时增强豆农对食用豆质量的重视意识，食用豆的优质是开拓食用豆市场、扩大食用豆贸易、实现食用豆更高经济效益的基础，是增强豆农种植食用豆积极性和推动食用豆产业发展的重要保障。

3 结论

在国家食用豆现代农业产业技术体系建立初期，设计并实现了基于GIS的食用豆信息系统。系统将管理信息系统技术和地理信息系统技术相结合，实现对食用豆生产、销售、加工和贸易数据规范管理、信息查询、统计分析和专题图分析。利用该系统对云南大理白族自治州洱源县、大理市、祥云县和弥渡县调查数据的整理、输入、查询和分析，实现了从调查材料输入到有效信息输出的过程。系统具有较高的数据规范能力，高效快速的数据操作大量减少了人力的消耗，同时在数据检索和分析方面融入了地理信息系统，实现了数据二维表格分析以外的数据地图分析，为提高数据的利用价值提供了技术支撑。通过对4个县食用豆种植和食用豆新品种使用情况的数据分析，得出了云南大理白族自治州食用豆种植及食用豆新品种目前发展状况，对食用豆产业体系在云南的新品种推广发展提出了建议。同时，食用豆生产周期较长，制约食用豆产量增长的因素也很多，如气候、虫害、自然灾害等，而且食用豆市场供求形势的变化也非常快，因此建立食用豆信息化网络，将信息化服务贯穿于食用豆生产、销售、加工和贸易的全过程，遍及食用豆灾害预警、产品流通、产业效益、产品质量安全等各个方面，将是未来国家食用豆产业技术体系的一项重大任务。基于GIS的食用豆管理信息系统为将来建立食用豆信息化网络提供了基础。

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