WebGIS架构棉花估产辅助决策系统的设计*

钱育蓉，冷洪勇，魏心雨，杨启萌，毛福江，王淑媛

（新疆大学软件学院，新疆 乌鲁木齐 830004）

WebGIS架构棉花估产辅助决策系统的设计*

钱育蓉，冷洪勇，魏心雨，杨启萌，毛福江，王淑媛

（新疆大学软件学院，新疆 乌鲁木齐 830004）

新疆是国家棉花主产区，提高种植监管的现代化、信息化水平对稳定棉花产量、价格具有引领和示范作用。将WebGIS架构、3S技术与棉花估产建模技术相结合，辅以实地调查和基于植被指数的棉花遥感估产模型，以玛纳斯为县级试验区，将植被叶片病虫害受损度计算、面积和产量估测以及棉花病虫害专家诊疗等模块纳入棉花估产辅助决策系统，在Web Service架构下实现了棉花的长势、种植面积及其空间分布的电子地图展示，以期辅助棉花产量和价格的评估，为新疆地区棉花生产的实时监测和管理提供辅助决策依据，准确、快速、及时地监测和预报棉花主产区的生产状况，也同时为我国棉花价格和市场稳定提供科学依据。

遥感；辅助决策；估产；WebGIS；专家诊疗

新疆具有日照时间长、昼夜温差大、人口密度低、人均耕地面积高等诸多优势，十分适宜棉花种植生产，是我国最大的商品棉生产出口基地[1]，其棉花种植面积、总产、单产和商品调拨量连续21年稳居全国首位[2]。然而受棉花种植面积减小、灾害及病虫害等原因影响，近年来棉花产量与预测产量出现较大误差，引发市场投机炒作和价格异常波动[3]，棉价的暴涨、暴跌，不仅极大的损害棉农切实利益，对纺织企业甚至社会的稳定都带来了巨大的影响，因此，及时、动态、准确的预测棉花产量，辅助政府部门开展新疆棉花的种植、监测和管理，不仅对棉农的生产计划、纺织企业的生产安排、国家的宏观调控有着直接的作用，还有利于保障我国棉花产业安全、优化种植业布局和促进新疆社会稳定。

随着3S技术（RS、GIS、GPS）的不断发展，对植被生产力与生物量的研究已经从小范围、二维尺度的传统地面测量发展到大范围、多维时空的遥感模型估算[4-5]。基于3S数据构建棉花遥感监测和估产模型（CYE－DSS）将遥感技术和地理信息系统等信息化手段相结合，实现从信息获取、信息处理到信息应用的一体技术，具有宏观、快速、经济、信息量大的特点。考虑到新疆的棉花种植机械化程度高、耕地平整连片、条田建设规范、统一种植与栽培管理，并且棉花生长季节以晴天为主，阴雨天少，灌溉农业和管理宜于控制，具有开展以遥感应用为核心的精准农业的优势。本研究综合运用3S、WebGIS和系统建模等技术估测棉花的种植面积与产量，进行大面积范围内的实时长势监测，尝试能够为新疆棉花产量价格估测以及区域化综合管理提供辅助决策依据。

1 CYE-DSS的设计目标

目前，利用3S手段开展的小麦、玉米、水稻等农作物方面遥感监测估产的研究较多[6]，但对棉花识别模型和生产力估测主要集中在研究领域，虽然对新疆棉花的遥感监测和估产研究已经取得了不少成果[7-8]，但这些研究成果还未被推广和应用，专业的遥感处理软件和技术知识门槛使得广大的棉花种植管理人员无法共享科学研究和进步的果实，必须将这些专业的技术和知识打包，以模块和专业服务的方式提供，不但能使得非遥感估产专家们及时了解棉花长势和价格，以辅助管理和决策人员正确判断棉花市场和价格，还能在棉花估产模型的构造、软件服务平台的搭建及产业化等方面开展进一步探索和尝试。

基于3S的棉花估产辅助决策系统是利用专家辅助决策理论来实现的图文数据分析综合信息服务解决方案，本项目首先解决基于3S数据的棉花遥感估产模型的构建和验证问题，继而面向数据和应用进一步优化基于Web Service的棉花遥感信息辅助决策模型（遥感监测和估产），综合运用3S技术将棉花的估产、监管和决策辅助等功能集成，基于B/S架构实现了试验区的棉花估产辅助决策系统，该系统可以方便棉花管理决策人员开展棉花种植面积、长势、产量的集中管理，可在新疆棉花种植核心区推广，以辅助棉花种植者、农业部工作人员开展棉花种植的决策和管理工作。

图1 基于J2EE架构的分布式WebGIS体系结构

2 分布式WebGIS架构

目前，提供3S遥感模型服务的开发越来越多，其相关产品种类也层出不穷，比较专业的产品分别是ArcGIS系列、Maplnfo系列、uDig系列、Intergraph系列和Supermap系列等，这些产品从桌面应用到Web服务都有完整的解决方案，考虑到J2EE规范提供了一个多层结构的分布式应用程序模型，具有重用组件的能力，基于XML/GML的数据交换、统一的安全模式和灵活的事务控制，应用逻辑按功能划分为组件，各个应用组件根据他们所在的层可以分布在不同的机器上。本研究在J2EE框架下搭建基于Web Service的多层分布式体系架构，采用如图1所示的分布式云服务体系结构。

3 四层结构的CYE-DSS设计

基于Web Service技术的WebGIS体系结构具有分布式、可互操作、方便集成现有GIS资源的优点，有良好的扩展性，本研究拟基于此采用如图2所示的典型结构，它包括四个层次：表示层、Web应用层、Web服务层、功能实现和数据层。其中Web服务层是系统应用集成平台的核心层，相当于原多层体系结构的业务层[9]。

3.1 表示层

主要由多个GIS应用和Web浏览器组成，通过Internet与应用系统平台连接，面向用户提供访问服务接口，实现GIS数据的展现，完成地图的浏览、放大、缩小、GIS的查询和分析结果表现，并支持GIS分析结果的输出。

3.2 Web应用层

主要由防火墙、负载均衡器 （Load Balancer）、Web服务器簇和Service客户端等组成。该层可根据当前Web服务器的负载动态调整均衡网络或服务请求，并隔离内外网以起到系统保护的作用，本研究中还负责调用与遥感生态模型相对应的 Web Service来进行业务处理并返回结果。

3.3 Web服务层

是分布式WebGIS的核心，由UDDI注册中心、服务总线（Service Bus）、Web Service容器、应用服务器和服务代理（Service Broker）组成，实现业务逻辑，接受来自客户的请求，进行分析并搜索调用相应的Web服务。

3.4 功能实现和数据层

包括已有并开放的数据库、GIS资源和服务，在原有体系的基础上进行Web Service封装，使之符合Web Service调用规范。该分布式计算平台将棉花监测Web Service发布到公共注册中心，对于仅供内部使用的Web Service则发布到内部注册中心。当有外部用户请求Web Service时，Web服务器转发请求给Service客户端。

图2 分布式WebGIS棉花监测体系结构

图3 包含棉花种植信息的玛纳斯电子地图

图4 基于数字图像的棉花病害率辅助决策模块

图5 研究区样点经纬度和NDVI截图

4 CYE-DSS的实现

为了验证基于WebGIS的CYE-DSS设计，本研究选取天山北坡中段的优质棉花产区--玛纳斯县作为县级实验区，该地区光热水土条件十分优越，规模植棉历史已有60多年，被农业部授予 “中国优质棉花之乡”，2013年的棉花平均单产达到350kg/667m2以上，最高的六户地镇陈家渠片可以达到500kg/667m2，创出当地植棉历史新高。

针对当前棉农和棉花管理者在棉花估产和辅助决策管理方面存在的显示问题，基于WebGIS的棉花估产辅助决策系统主要实现了以下几个方面的功能：（1）通过WebGIS实现了研究区电子地图的发布，包括地图的缩放、面积量算、图层控制、地图输出以及属性信息和空间信息查询等功能 （如图3）；（2）内嵌了基于数字图片的植被叶片受损度批量计算模块，可客观、准确地依据真彩色数码相片自动计算叶片长、宽、面积以及受损率，以辅助棉花管理人员进行决策；（3）能够精确显示鼠标悬停点的经纬度信息，实现棉花种植区的精确管理；（4）对采样点数据进行专题图分析，使用户了解样区中各样点属性的分布情况；（5）对不同的用户（管理者和棉农）设置不同的权限，并提供相应属性数据的增、删、改功能。

5 讨论

针对棉花估产和决策管理的信息化、自动化程度低的现象，试图探索实现一种基于WebGIS的棉花估产辅助决策系统，不仅能够基于3S技术实现棉花产量的预估，还能够综合已有信息辅助管理专家开展棉花种植的监督、管理和决策。但是由于人力、财力、时间以及技术储备知识等方面的局限，和已有的研究相比，CYE-DSS还存在进一步完善和改进的空间：（1）遥感图像导入CYE-DSS之前还需预处理。由于遥感图像在用于棉花估产之前需要进行一系列的预处理操作，如：辐射校正、大气校正、几何校正、掩膜、镶嵌、植被指数计算等环节，均涉及复杂的计算和迭代，在WebGIS的服务器端实现上述预处理操作会增加服务器端计算负担，造成客户端响应时间长并带来较差的用户体验，因此，CYE-DSS在导入电子地图之前需要利用专业遥感处理软件将研究区遥感图像进行预处理，在今后的工作中需要进一步优化服务器端以将更多的专业处理放在服务器端，以减少CYE-DSS的运行维护工作量。（2）CYE-DSS缺乏对移动客户端的支持。随着移动互联网和社交网络的兴起，广大棉农、管理人员和专家若能利用智能手机终端开展棉花的估产和病虫害专家诊断工作，并利用社交网络开展棉花种植、病虫害防治等信息的共享和交互，将会使新疆地区的棉花种植和管理的信息化程度大大增加，不仅能使棉农增收、加强灾害应对能力，还能够进一步提高管理效率和信息化程度，为实现“集中管理、统一筹划、信息共享、高效决策”预期目的奠定坚实基础。

6 结论

将网络计算技术引人农业信息服务，可以将零散资源整合成极大规模的数据库云，既可轻松实现无限存储、超级运算、高效快速传输、资源共享等传统技术无法实现的功能，又可以有效发挥乡镇互联网覆盖率已经超过99%的优势，实现多种资源的便捷获取和全面共享，提高农业信息服务的水平和质量。一方面，通过3S技术快速、准确的掌控棉花种植信息，不但可以缩短产量预估周期、提高管理决策效率，还能通过专家决策辅助系统来指导生产、物流、仓储等下游环节，降低经营成本、减少人力、资金和物资投入；另一方面，基于WebGIS的CYE-DSS的建设不但有利于农业综合信息服务平台的搭建，可降低农业信息化的建设成本，加快农业信息的共享、共建和管理，还可以有效促进棉花种植业劳动力的合理分布，指导劳动力市场的良性运转，进而拉动新疆棉花种植业劳动力市场的的合理分配和劳动密集型就业。最后，考虑到新疆棉花产量及价格与国际棉花价格期货市场相关，CYE-DSS通过遥感估产模型实时估测棉花产量，不但有利于准确把握棉花期货价格，还能指导棉花中下游生产加工企业的生产性投资，减低企业投资风险，为农业订单式生产提供科学依据。

[1]孔杰，张胜，赵淑琴，等.2006—2012年新疆北部棉区高密度植棉模式下杂交种主要经济性状优势分析[J].新疆农业科学，2013，50（9）：1569-1576.

[2]梁山.新疆欲大幅削减棉花种植面积 [N].上海证券报，2015-3-13，A06版.

[3]卢凌霄，刘慧.推进棉花目标价格改革研究[J].价格理论与实践，2015（1）：21-23.

[4]辛海强，冯志敏.棉花种植区卫星遥感监测研究[J].测绘与空间地理信息，2014，37（2）：25-27.

[5]刘姣娣，曹卫彬，李华，等.基于植被指数的新疆棉花遥感估产模型研究 [J].石河子大学学报 （自然科学版），2011，29（2）：153-157.

[6]蒙继华，吴炳方．基于卫星遥感预测作物成熟期的可行性分析[J].遥感技术与应用，2013，28（2）：165-173.

[7]高中灵，徐新刚，王纪华，等.基于时间序列NDVI相似性分析的棉花估产[J].农业工程学报，2012，28（2）：148－153.

[8]任玲，曹卫彬，李江全，等.基于GIS平台的兵团棉花遥感监测数据库的设计[J].农机化研究，2011（7）：114-117.

[9]邹鹏，蒋平安，张土前.基于WebGIS的新疆耕地资源数据库系统的设计与实现[J].新疆农业科学，2012，49（8）：1525-1530.

2015—04—28

国家自然科学基金项目（61462079、61363083、61262088）；自治区高技术科技计划项目（201412111）；新疆青年博士科技人才创新项目（2013731004）；新疆高校科研计划项目 （XJEDU2012I10）；新疆自治区自然科学基金（2013211A011、2011211A011）。