库尔勒香梨种植信息提取与管理系统设计研究

陈换美，郭振华，张 锋，许 方

（1.巴音郭楞职业技术学院 机械电气工程学院，新疆 库尔勒 841000；2.金风天翼风电有限公司）

库尔勒香梨种植信息提取与管理系统设计研究

陈换美1，郭振华1，张 锋2，许 方2

（1.巴音郭楞职业技术学院 机械电气工程学院，新疆 库尔勒 841000；2.金风天翼风电有限公司）

农业信息化的蓬勃发展，催生了果园信息化管理。在这样的背景下，“3S”技术已广泛应用于农业生产的各个领域，同时降低生产成本，产生了巨大的经济价值和生态价值。本文从“3S”技术的概念、功能及其在果园农业的应用现状进行深入阐述，结合库尔勒香梨的自然生态条件和经营现状，分析了“3S”技术在库尔勒香梨种植中应用的可行性，并对库尔勒香梨果园信息提取与管理系统进行了总体设计，对系统各功能模块做了简单介绍。

“3S”技术；精准农业；信息化管理；库尔勒香梨

信息化在农业中的广泛应用，使农业信息化得到了蓬勃发展，并在发达国家形成一些特征：即形成以国家为主体的完善信息体系，健全的信息化制度，发达的信息化农业设施以及完善的农业和农资市场信息化服务体系。农业信息化高速发展的同时，果园的信息化管理在悄然兴起。发达国家在农业信息化管理方面发展比较成熟，并已经在果园管理方面得到应用。我国的农业信息化起步较晚：1979年，我国首次在农业上应用遥感技术；1981年建立中国农业科学院计算中心，开始以计算、数学规划和统计应用为主的农业科研工作；1998年12月，国家科技部召开全国农业信息化科技工作会议[1]。经过30多年的发展，我国已将数据库、专家决策系统、地理信息系统等技术应用诸多的农业领域，对推动农业的信息化发展起到积极作用。李想[2]从系统的技术体系、系统目标、系统构成及实施过程方面，探讨了基于GIS的果园信息化管理系统的设计。董希玲、杨爱洁、刘燕德等[3-5]分别基于NET技术、GPS技术对果园管理系统进行了研究，实现了对果园温度、湿度、光照等数据的动态监测和远程管理。由此可见，我国在果园信息化管理方面尚处于初级阶段，大部分研究局限于引用单一技术进行果园信息采集处理。构建的数据库缺乏统一的规范，应用面受到较大限制，缺乏“3S”技术的有效融合。本文旨在深入了解“3S”技术在库尔勒香梨种植过程中的应用价值，剖析“3S”技术在库尔勒香梨种植过程中的应用现状及发展前景，以期为调整库尔勒香梨生产布局，使香梨种植向适宜区和最适宜区转变提供思路，为库尔勒香梨实现规模化种植、信息化管理提供思路，有利于提高库尔勒香梨在行业内的知名度，实现库尔勒香梨的健康可持续发展。

1 “3S”技术

“3S”技术是全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）、遥感技术（Remote Sensing，简称RS）和地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）的统称。

1.1 全球定位系统（GPS）

全球定位系统（GPS），又称为全球卫星定位系统，是一个由24颗导航卫星组成的导航系统。导航卫星可以对地球上大部分地区实施精准定位，用户通过GPS接收机即可获得测试点的位置、速度、时间等数据信息。

1.2 遥感（RS）技术

遥感技术（RS）是非接触地快速、大面积观测地物状态的现代化手段，是运用卫星、飞行器等手段收集地面目标的电磁辐射信息，结合物理、数学和地理学等相关理论方法揭示目标性质、形象、分布和动态变化的现代探测技术。

1.3 地理信息系统（GIS）

地理信息系统（GIS），也被称为“资源与环境信息系统”。GIS可以在计算机系统的支持下，实现对地球表层空间的地理相关数据进行采集、管理、运算、分析。

1.4 “3S”技术

“3S”技术是将GPS、RS、GIS三者集成，实现从数据获取到模拟展示一体化。“3S”技术并不是简单的将GPS、RS、GIS三者组合，依据其应用水平集成方式分为2种：（1）相互之间调用一些基本功能实现系统间的互操作，主要应用在低级阶段；（2）GPS、RS、GIS三者不只是相互调用，而是一个有机整体，可以实现协调应用，对获取的数据可以实时动态更新，实现分析判断与现场勘察的实时化动态化，并为决策提供技术支持。

“3S”集成技术集成了RS、GPS、GIS三者的优势，在集成体系中，GPS和RS负责获取信息和实现空间定位；GIS对获取的信息进行分析和管理。目前“3S”技术已经在环境监测、水利工程、土地利用的动态监测等方面应用，并取得很多成功经验。

2 “3S”技术在林果种植中的应用

虽然“3S”技术理念推广已久，但我国大部分地区农业生产过程仍是粗放经营模式，并没有实施按需调控，增加生产成本的同时造成了环境污染。近年来，随着“3S”技术应用研究的不断深入，一批研究成果得到推广。在田间作物机械上安装GPS，可以实现精确定位，通过自动导航，实现田间农机精准灌溉、喷药、施肥等作业；GIS可以将大量相关信息进行分析、管理，提供决策；RS可应用于农田信息的精准采集[6]。通过将三者高效结合，提高了农业生产资料的利用率和准确性，对于减少农田环境污染、降低农业生产成本具有一定作用。

2.1 变量施肥

变量施肥是以“3S”技术为核心，将土壤不同面积单元的产量信息与土壤性质、农田的生态条件、温湿度条件及障碍因子等进行叠加分析，根据农作物的生长模型、营养平衡的条件，施肥专家系统输出科学的施肥方案，对于农作物的合理追肥具有重要意义。变量施肥在对土壤进行科学施肥的同时，精准的满足了作物对营养的动态需求，实现农艺和农业机械的有机紧密结合。结合“3S”技术，变量施肥已经得到实际应用，并取得了一定的经济和社会效益。如：新疆棉花生产上应用平衡施肥WebGIS专家系统后，氮肥利用率提高了10%。金之庆等建立了水稻精准种植信息系统后，在应用试验中发现，化肥施用量减少15%，单产提高8%。水肥耦合的理论也在精准灌溉的同时得到应用，提高了肥料的利用率。

2.2 防治病虫害

目前，农作物病虫害的防治主要依赖农药。农药在使用过程中，不仅残留于农产品表面，一部分甚至渗入农产品内部，直接进入食物链。大量农药的使用，会降低农产品质量，甚至发生食物中毒事故。应用“3S”技术的时效性、定量化性和高精度性，能够及时预测病虫害的发生，并给出防治方案，指导农技工作者及时防控，使用尽量少的农药达到理想的防治效果。“3S”技术在暴发性、迁飞性农业病虫害，特别是蝗虫发生动态检测方面具有广阔的应用前景。GIS能够预测病虫害的传播风险，并建立动态模型，通过对病虫害适生性进行分析，达到提高植物检疫的工作目的。

3 “3S”技术应用于库尔勒香梨种植管理的可行性

3.1 系统需求分析

库尔勒香梨生产存在的主要问题有：果农技术水平较低，接受新观念、新技术的能力较差；缺乏健全而有力的推广体系，果农难以及时获得新成果、新技术、新知识等信息；单产低、质量差导致库尔勒香梨生产效益低；果实着色差、果形不够端正、果实病虫害严重，农药和有害元素检出率高，一些农药和有害元素存在严重超标；另外果园管理分散，果树生产管理方式落后，都是库尔勒香梨存在的问题。针对这些问题，充分利用现代测绘技术、计算机与网络技术，综合运用土壤学、气候学、果树学等知识建立智能、先进的信息化服务系统，为库尔勒香梨园信息化、科学化生产与管理提供技术支撑。基于“3S”技术、数据库技术、计算机技术和网络技术为支撑，设计与开发库尔勒香梨园信息化管理与服务系统。

3.2 可行性分析

充分收集与整理库尔勒香梨园信息化管理所需信息，归纳分类并设计适于查询、修改、扩展的数据库结构框架，建立示范区果园综合信息数据库，实现果园信息的快速查询与发布；基于Arc Engine中的三维控件构建果园的三维虚拟场景，利用摄像机录制果园在不同季节、不同时期（花期、果期等）的真实场景，并为果树附上属性，实现库尔勒香梨园三维展示、果树信息的快速查询；基于网络技术开发网络通讯工具，实现果农与专家在线交流；最后，基于VB+ AE为开发工具，研发库尔勒香梨园信息化管理与服务系统。通过系统研发，为库尔勒香梨园信息化、科学化生产与管理提供技术支撑。

库尔勒香梨园管理信息系统是以库尔勒香梨果园的管理为研究对象，一方面，果农可以根据自己的账号登录系统，全面了解果树资源信息、果园管理知识及果园的土壤、气候、农药施用、地形等方面的信息；另一方面，职能部门及科学研究单位可以根据账号登录系统，通过综合分析各种信息，制定预防、指导等决策，正确引导果农合理管理果园。

4 系统总体设计

4.1 系统总体设计

系统使用对象主要面向果农与相关职能部门，果农主要进行查询、浏览和技术咨询，职能部门（管理员）主要进行数据的录入与更新、决策和在线答疑等操作。农情数据采集终端综合应用GPS技术、嵌入式技术、多通道多传感器数据采集技术、3G通信技术、GIS技术以及RS技术开发。农情数据采集终端通过监测仪器、外围传感器获得信息数据，利用无线网络将获取的信息上传到精准农业管理系统服务平台，服务平台对信息入库、统计分析、决策等进行处理，并最终以统计图表和地图的形式展示出来，指导农业生产（图1）。

图1 系统总体设计

4.2 系统功能模块设计

根据用户需求和系统的总体结构设计，本系统主要划分为以下几个模块（图2）：系统管理模块、基本信息模块、GIS功能模块、多媒体播放模块、决策服务模块、在线咨询模块、数据库维护模块。（1）GIS功能模块。该模块是系统的主要功能模块，充分结合了“3S”技术。实现自治区、州（市）、乡镇、村和果园多级地图浏览、统计分析以及虚拟果园三维场景展示等功能。地图包含行政区界线图、遥感影像、库尔勒香梨种植区分布等，可以实现库尔勒香梨园分布专题图制作，查询库尔勒香梨种植面积、库尔勒香梨种类及产量等属性信息；市级地图包含矢量行政界面图、库尔勒香梨种植分布区等图件，可以实现与省级地图同样的功能；乡镇地图包含矢量界面图、土壤有机质采样点分布图、土壤含水量采样点分布图，其中土壤样本是实地采集获得，并在实验室内测定土壤的有机质和含水量，通过IDW插值实现制作土壤有机质或含水量等值线图等功能；村级地图包含行政界线图、库尔勒香梨果园分布图；果园地图是通过GPS实地测量获得果园边界和每一颗果树的位置坐标绘制而成，可以查询每棵果树的坐标、树高等信息，并可以进行增删、更新等操作。（2）基本信息模块。该模块实现果园基本信息的录入、更新、浏览、查询等功能，通过条件引导和模糊查询的方式帮助用户对兴趣信息的获取，并以报表的形式打印出来。所有的数据信息存储于SQL Server数据库之中，并通过ADO进行连接。基本信息包括果园信息和果树信息，其中果园信息包括果园编号、所有人、果园面积、施肥和喷药种类、生产成本等信息；果树信息包括果树编号、树龄、种类、位置及图片等信息。（3）系统管理模块。系统管理模块包括系统登录、用户管理和系统帮助3个子模块。登录模块获取用户名及密码，并通过调用数据库中存储的信息进行检验，当用户名及其密码正确时，能成功登录系统。用户等级可分为游客、管理员和专家用户3种，游客只能查询数据、浏览地图等操作；管理员可以进行数据的增删、用户管理，本地数据库维护等操作，专家用户具有远程数据库维护权限。用户管理模块实现用户的增删、密码修改和信息更新等功能。帮助模块介绍系统的各个功能模块，帮助用户熟悉系统的基本操作。（4）多媒体展示模块。该模块用于果园真实场景、果园管理、果树整枝调控、果树图片等媒体数据的增删、浏览和播放。系统根据用户输入的果园或果树编号查询指定的视频或图片，也可以在地图浏览或三维场景展示中点击相应的果园或果树查看，并在相应的控件中播放。（5）决策服务模块。该模块分为决策模块和服务模块2个子模块，决策模块包括病虫害症状、发生规律和防治措施查询，果园土壤墒情、土壤养分快速诊断、统计分析等决策支持功能，并均可调用本地数据库和远程数据库中的信息。服务模块包括天气查询、行政代码查询，计算器、日历和通讯录等基本服务功能。（6）在线咨询模块。用户可以通过专家咨询模块对遇到的问题及时有效的解决。该模块包括发送邮件、在线留言、即时聊天和相关技术网站浏览等功能。发送邮件是基于SMTP通讯协议开发；在线留言是通过远程数据库链接，用户的留言及时存入远程数据库中，专家查看后及时回复，并将回复信息及时传送给用户；即时聊天模块实现用户与专家的即时聊天。用户可通过浏览技术网站及时了解果树市场、管果园理、病虫害防治等信息。（7）数据库维护模块。该模块分为本地数据库维护和远程数据库维护2个模块，用户角色为管理员时可以进行本地数据库的维护操作，角色是专家用户时可以操作本地和远程数据库。

5 问题与展望

通过查阅国内外研究现状，目前“3S”技术在果园信息管理方面已得到初步应用，但应用水平较低、功能简单化，缺乏系统切实的基础研究，系统的推广应用阻力较大。因此，“3S”技术在库尔勒香梨园信息化中的应用研究，在理论、方法和技术等方面均有很大的发展前景。（1）加强“3S”技术集成研究。在加强“3S”技术集成应用促进果园信息化进程的同时，应进一步加强其与物联网技术、网络技术等高新技术的融合应用，实现果农对信息果园的基本需求。（2）探讨高精度和普适性的土壤养分和含水量估测模型。研究区位于沙漠绿洲地区，土壤类型为单一的沙壤土，所建立的估测模型具有局限性，根据前人研究发现，不同地区、不同土壤类型土壤的高光谱反演指标存在差异，所建立的估测模型也不尽相同，因此应探讨更加高效、普适性更强的土壤指标估测模型。

[1]王建强，王丽梅.3S技术在精细农业发展中的综合应用探讨[J].水利科技与经济，2008（3）：235-236，244.

[2]李想，杨联安，叶银迪，等.嵌入式GIS技术在农业上的应用[J].中国农学通报，2015（27）：271-275.

[3]董希玲，刘俊峰，陈其林.基于.NET的果园管理系统的构建[J].安徽农业科学，2010（10）：5482-5484.

[4]杨爱洁，沈焱鑫，金丹娜，等.基于无线传感器网络的果园数字信息采集与管理系统[J].农业工程，2011（1）：37-41.

[5]刘燕德，吴滔.基于无线传感网络的果园环境实时监控系统设计[J].湖北农业科学，2011（21）：4469-4472.

[6]张广波.基于3S技术的苹果园信息提取与管理系统开发[D].山东农业大学，2015.

2016-10-12