基于移动终端的农情信息采集系统分析与设计

付永华

（郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450015）

基于移动终端的农情信息采集系统分析与设计

付永华

（郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450015）

在探讨我国粮食生产隐患和农业信息管理意义的基础上，调研了国内外农业信息采集现有方法、技术和应用现状，并了解了基于移动终端的农情信息采集的需求分析，给出具体的信息采集流程，设计了系统的总体框架和逻辑结构，探讨了其中的关键技术。

农情；移动终端；信息采集；诊断

粮食安全生产、产量保障是我国的一项基本国策，但关于土壤污染、灌溉水源污染等影响粮食生产的报道屡见不鲜，且粮食的产量也值得忧虑，因水土流失、耕地占用、经济作物种植等因素，粮食产量在未来可能会下降。随着信息技术融入各个行业，很多领域都将信息管理作为质量保障、产量提高的重要支撑，农业领域也是如此。对于农业信息来说，一个挑战是大多数的信息来自于地域广阔、地形复杂、农作物交杂的农田，甚至包括与农田相关的土壤信息、灌溉水域信息、病虫害信息等。然而，快速、精确的获得农情管理的相关数据是及时诊断、高效反馈的基础，是提高农业科学管理与决策的基础，这就需要更高要求的农情信息采集技术。

1 采集终端研究与应用现状

1.1 国外研究与应用现状。在数据采集领域，国外研究的重点有如下4点：采集软件的研究；采集数据整合；空间信息组织与外在体现；无线短距传输和集中上传技术。而研究的内容，也从简单的数据采集发展到数据管理，甚至具有一定的分析、诊断和决策功能。其应用主要体现在两方面。一是森林资源调查，上个世纪九十年代末，欧洲一些国家，利用野外电子数据记录设备采集森林资源数据，包括植物种类、分布情况、生长状态等数据。二是基于专用采集器的农业资源采集，如美国的佐治亚大学，利用专用资源采集器，设计实现了一整套农业资源采集系统，这套系统因为使用了专门的采集器，所以能比较全面的采集与农业相关的数据，比如农田的面积、种植的作物、农田周围的水源、农业通道等，而且在视觉效果上也利用不同颜色比较显示，具有一定的可视化功能。这套系统甚至能够提供一定的规划功能和部分建议决策等。

1.2 国内研究与应用现状。虽然国内采集终端的研究比较晚，但是在很多领域都有应用。如在农业信息采集方面，尚没有综合性的系统，主要是一些针对性的系统。比如已经投入使用的蝗虫灾害预防系统，就将地理信息采集技术、定位技术融合在一起，从蝗虫卵虫到幼虫到成虫，全程采集监控。这个系统目前已经在北方大部分地市级城市推广使用，且包含了地图功能，也能可视化显示蝗灾情况，对于及时有效的治疗蝗虫灾害，提高粮食产量有一定的作用。在采集终端方面，我国也专门开发了针对农业的掌上电脑数据后期处理系统，可以实现农业信息的即使采集，最重要的是，能够实现农业信息和计算机数据的有效融合。中国林业研究所研发了橡胶施肥管理系统，该系统分为三个模块：橡胶信息采集模块、生长现状管理模块和施肥决策与管理模块。这个系统是精准农业管理的代表作，它通过橡胶林中的摄像头、水分感应器、养分分析器等设备，全面的采集橡胶园从外到内的各种数据，展示橡胶的生长情况，并且根据数据分析，给出何时施肥、施什么肥的建议决策[1]。

不管是国内还是国外，目前采集终端的应用是非常广泛的，技术融合度也很高，但是最大的缺点是一直采用比较专用的终端采集设备，虽然使得系统的应用更加专业，但增加了开发的成本，也没有考虑到采集人员的专业素养问题。

2 农情信息采集系统分析

对于农情信息采集系统来说，基本数据是核心，任何决策的制定都必须依赖大量真实数据的分析。因此，数据的采集过程是十分重要的，采集系统应当易携带、易使用。本系统的重点就在于采集系统的开发，充分利用全球卫星定位系统的支持，利用智能设备的便携性，从时间和空间两个维度上采集农情信息。系统开发过程严格按照软件工程的流程进行，各种分析、建模一应俱全，保证开发过程的顺利进行。

2.1 基本农情信息需求。本系统是一个专业性很强的系统，出了软件开发相关知识，还必须掌握大量的农业知识，首先要明确什么是农情信息。一般来讲，农作物生长过程中的各种数据都可以认为是农情信息，这类信息很多、很复杂，作为农业主管部门必须依赖这类信息进行管理，对农民的劳作进行指导。

2.2 农情采集流程分析。农情检测是一系列操作的集合，一般来讲由多个系统协作完成，其中地理信息系统是最重要的核心部分。经分析，得出信息采集的主要步骤如下：第一步是创建地图，农田信息的抽象描述必须用地图来实现。因此，一个强大的电子地图系统是农情采集的重要组成部分。到达农田后，打开当前地图，将地图的比例尺调到最大，显示详细的农田信息。只有地图足够详细、足够精确、才能够进行后续操作。由于采集过程时间较长，应特别注意智能设备的续航情况，地图信息在保证清晰准确的基础上，应尽可能地采用比较省电的方式进行显示[2]。第二步是切割定位，根据农田的具体情况，还应该对其进行进一步的细分，在地图上对农田进行切割、标注、重新定位等操作。这样处理之后，既有宏观上的全局地图，也有细节表现能力更强的特定区域地图，便于进行后续操作。第三步是移动导航，在采集过程中，定位操作需要GPS系统来实现，GPS系统会传输大量信息，很多是采集系统不需要的，因此应当进行适当的过滤操作。第四步是空间计算，农田的空间信息需要根据GPS系统的基本信息通过计算得出。第五步是数据录入，在进行数据的采集和录入时，不光要有基本信息，还应当将多个基本信息组合起来生成更高层次的信息。例如，首先采集多个点上的信息，之后将点连成线，得到线性信息。在将线扩展为面，得到平面信息，最后将多个平面信息组合为空间信息。最终得到的是全方位的，立体交叉的农田信息。第六步是数据持久化，智能设备的存储能力有限，因此采集到大量信息后，必须通过无线网络及时地传输并存储在中心数据库中，便于数据的后续处理。

3 农情信息采集系统设计

3.1 总体框架。本文设计的系统实际是一个软件、硬件、网络技术与数据库技术的集成体，其采集终端可以是现有的普通智能移动终端，比如手机。定位技术主要采用GPS技术，在移动终端上，集成了GPS模块，可实时获得空间信息，而且是立体信息。上传与下载协议的支持，可以让采集终端从服务器上下载现有农情信息甚至是地理信息，在采集了新的农情信息之后，直接在本地存储并显示新的结果，当然，也会启动传输协议，将新的农情信息上传到服务器中[3]。整个系统的架构图如图1所示。包括采集终端模块、定位模块、数据通讯模块、卫星通信模块、交互模块、存储与管理模块等部分组成。其中，采集终端模块将定位、数据通讯和交互功能融为一体。有的部分通过专业的软件实现，但其他功能则可以借助移动终端本身具有的功能，比如现在的手机拥有较为高清的摄像头，可以充当采集终端。在这种设计下，如果没有特殊的采集终端，只需要在通用的智能移动终端上下载相关软件就行了。

图1 农情采集系统总体框架

图2 采集移动终端逻辑结构图

3.2 移动终端逻辑架构。根据前文需求，设计移动终端工作时的逻辑过程如图2所示。首先根据定位技术，加载需求采集的农情的地图信息，然后利用终端的采集模块，采集原始数据，这些数据可以是图片、声音，也可以是直接录入的文字，最后将原始数据转换成可以融合到地图上的数据对象。这些数据对象是可以叠加的，比如一块麦田上面，显示农作物基本信息、归属单位、干旱情况、地理位置等。

4 关键实现技术

4.1 地图载入功能模块。地图载入包括打开本地地图和在线连接服务器端地图两种方式。如果终端所在地移动服务商信号较弱，可以调用本地地图数据；如果移动信号较好，就可以通过GIS服务器，利用网络地址对数据进行发布和传递。需要进行交换的系统数据主要包括三大类：物理格式的数据即TIFF光栅背景图像，DBF、SHP文件数据的矢量图形，以及属性数据。这三类数据可以作为导航和查询的数据层。地图载入的全过程体现为数据格式的读取、坐标变换和自适应屏幕显示。该模块不仅可以提供释放、漫游、自由缩放和平移等基本功能，还可以对管理层的属性进行相应的设置。比如查询层要设计关于POI的数据查询，同时显示实现加载点shapefile后的记录，所进行的操作过程如下：（1）使用名字查询对象的下拉框。（2）使用回车，DBF文件搜索名称与字段。（3）查询到一个匹配被分配到的记录数。[4]（4）利用记录号找到相应的几何点SHP文件，确定其坐标，使用过GDI在PDA屏幕绘图。

4.2 经纬度面积计算。在农田信息采集过程中，关于地块的面积、形状和其他信息，直接影响着农作物的生产、施肥和其他业务的进行。目前常用的计算方法有求积仪法、网格法、解析法和光学求积法，这些方法利用实时位置信息的GPS接收机，通过坐标变换代表该地区的元计算程序而编写建立[5]。

4.3 数据采集模块实现。该模块包括四个方面。一是移动定位，该模块采用串口通讯技术来实现数据的采集，把GPS接收机导航定位接收到的数据利用串口与采集设备进行数据通信；采集设备对接收到的数据进行分析后产生空间定位数据并显示在地图上，实现导航功能。在本文中，该系统实现了GPS功能和基于GPSID连接的GPS定位数据采集功能，通过NMEA0183命令解析方法，允许开发人员使用NMEA命令，从而降低了开发难度。二是专题采集和轨迹采集，对于该系统中采集到的数据，本文采用.NET Compact Framework进行数据存储。其中专题采集是根据预先设定的不同主题，对不同的收集元结构进行定义，并记录其属性信息，存储在SQL Server数据库中，用户通过客户端代理远程访问数据，而GPS轨迹采集是指沿着轨迹自动记录GPS位置数据信息，系统可以根据GPS轨迹的数据计算轨迹面积，同时实现RDA和无线数据传输功能。三是RDA远程数据同步功能，使用windows CE数据库引擎，管理存储设备，跟踪相关数据的记录、更新、删除等操作。RDA数据库引擎通过SQL Server CE Client Agent实现数据存储和应用。处理SQL服务器向客户端代理服务器的HTTPC SQL CE发送的请求，实现必要的信息传输。四是无线数据传输功能，在有线连接和WIFI网络不可使用时，系统的数据传输会通过Http Web Request自动连接到GPRS。该设备能使用TCP Client和UDP Client，与Connec⁃tion Manager Api连接。通过GPRS把收集的数据上传到服务器，采用标准的TCP/IP协议编程，完成客户端与服务器端应用程序之间的交互。

综上所述，论文基于移动终端，设计了一个农情信息采集系统。相比其他系统，论文系统的分析和设计基于四点考虑，一是农情信息的庞大与复杂；二是农情信息采集地非常广泛；三是收集工作人员的专业素质性不高，无法进行高难度操作；四是系统覆盖面比较广，必须考虑低成本设计。因此，论文系统设计的采集终端，可直接运行在普通的移动终端上，仅作为一个桌面软件使用。有待于进一步研究的有两个方面：一是多格式农情数据的进一步融合，二是农情纵向信息展示，即农情信息生命周期展示。该系统将有效保障粮食安全，为提高粮食产量奠定技术基础。

[1]李惠贤.广西农情信息采集现状及对策[J].广西农学报，2010（2）：81-83.

[2]陆明，李茂松，申双和，王春艳.图像识别技术在作物农情信息反演中的应用[J].自然灾害学报，2011（3）：18-24.

[3]宋健，梁勇，陈竞平，王慧平，孟志军.小麦农情信息管理系统的设计与实现[J].农机化研究，2014（2）：85-89.

[4]李厚朴，边少锋，刘敏.地图投影中三种纬度间变换直接展开式[J].武汉大学学报（信息科学版），2013（2）：217-220.

[5]王丽爱，谭昌伟，马昌，童璐，杨昕，崔怀洋，郭文善.农情信息遥感监测预报模型构建算法研究进展[J].江苏农业科学，2013（11）：1-5.

TP311.52

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1671-0037（2014）08-46-2

付永华（1979-），男，讲师，硕士，研究方向：信息管理。