基于WebGIS的移动土壤墒情监测系统设计

黄 浩，马友华，江朝晖，王 强，尹成龙（.安徽农业大学 资源环境与信息技术研究所，安徽 合肥006；.安徽农业大学 农业信息学安徽省重点实验室，安徽 合肥 006；.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 006；.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 006）

基于WebGIS的移动土壤墒情监测系统设计

黄 浩1，马友华1，江朝晖2，王 强3，尹成龙4
（1.安徽农业大学 资源环境与信息技术研究所，安徽 合肥230036；2.安徽农业大学 农业信息学安徽省重点实验室，安徽 合肥 230036；3.安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥 230036；4.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036）

使用WebGIS技术，结合墒情分析算法，构建了滁州市墒情监测系统。主要包括数据采集系统、墒情信息数据管理、数据统计分析、墒情监测等功能。用户可以以电子地图的方式，直观方便地查询所在地区的土壤墒情，对不同作物进行墒情分析。

土壤墒情；WebGIS；墒情监测

我国是世界上13个贫水国之一，伴随着近年来我国经济和现代化建设的飞速发展，工业污水大量排放，造成水资源污染严重、植被破坏、水土流失以及水资源的不合理开采和利用等，加剧了我国水资源的供求矛盾。我国又是农业大国，而农业是目前世界上最大的耗水行业，并且受季风气候影响，年降水量分配和地区分布不均[1-3]。以上现象已经成为制约我国社会和经济发展的重要因素。土壤墒情是反映土壤含水量的重要指标之一，土壤墒情的准确、连续监测在当今水资源短缺的情形下具有重要的意义。

目前，国内外墒情监测方法可以分为3类[3]：① 固定站测墒，在目标监测区域内建立多个固定墒情监测点[3]，组成土壤墒情监测网络，再利用空间插值等算法获得区域土壤墒情。②遥感测墒，利用卫星和机载传感器探测土壤水分[3]。③移动式测墒，使用便携式监测仪器在不同采样点进行测墒，通过地统计分析和数理统计获得区域内土壤墒情[4]。遥感测墒可以进行大范围的土壤墒情监测，但受遥感数据精度影响，其测墒准确度不是很高；固定站测墒方法虽然精度较高，可以进行连续监测，但投资较大，且大部分是结合现有的水文站点建设，分布不均，能直接为墒情服务的站点较少；移动式测墒投入成本低，应用灵活，是对固定墒情监测站的有效补充[5]。以滁州地区为研究对象，采用便携式土壤墒情监测仪采集数据，结合当地已有的固定测墒站进行土壤墒情监测，利用GIS软件获得整个监测地区的墒情信息，旨在建立既可节省投资又可进行较为精确的区域性土壤墒情监测系统，为滁州地区的墒情监测工作相关决策提供科学依据。

1 系统结构与设计

固定墒情监测站建设周期长，投入资金大，在滁州地区建立满足需求的固定监测点是一个长期的过程。因此，本研究使用便携式土壤墒情监测仪来弥补固定墒情站数量的不足，在此基础上构建了滁州市移动墒情监测系统。

移动墒情监测系统由数据采集系统和数据管理分析系统2部分组成，包括墒情监测仪、网络传输部分、服务器上位机接收程序和服务器数据分析管理软件。

本系统使用墒情监测仪采集数据，采用GPRS网络将数据发送至服务器数据库，以Web程序开发了数据管理分析系统，可以进行相关数据分析并利用GIS的空间分析功能获得监测区域的墒情信息。

2 数据采集系统

2.1 工作原理

便携式土壤墒情水分监测仪主要由土壤水分传感器、GPS信息接收模块、微处理控制器模块、键盘/显示模块、GPRS/GSM通信模块、可充电电源和相应软件组成[6]，如图1。

土壤水分传感器采集土壤水分数据，将其转换成电信号，经A/D转换输入到微处理控制器。通过GPS接收模块获取时间和坐标信息，通过TTL逻辑电平控制，利用GPRS模块将数据传输至数据库。微处理控制器统筹上述各模块工作，并负责原始水分数据的校正处理、GPS信息解析、数据打包和通信联络[6]。

2.2 数据采集

为保证在日常工作中快速准确地测定土壤墒情，前期准备工作不容忽视。

图1 土壤墒情水分监测仪架构图

1）选定相对固定的墒情监测区域。为准确测定土壤墒情，需要根据当地的土壤类型、土壤质地和种植作物类型来确定相应的墒情监测区域。

2）土壤容重、田间持水量测定。根据选定的墒情监测区域，采用环刀法等方法测定土壤容重和田间持水量。

3）设置好当地短信服务号码和上位机程序IP地址和端口号。墒情信息采集主要由相关工作人员根据工作需要到达墒情监测区域，在墒情仪中输入此区域的监测点编号、区域土壤容重和田间持水量3个参数，按20 cm、40 cm、60 cm或其他不同深度要求采集土壤水分。仪器会根据采集的各个深度的土壤含水量，测算出相应的质量含水量和相对含水量，并同时采集监测点的经纬度信息，通过无线传输网络将以上信息传输至服务器的上位机程序。同一墒情监测区域内，取4个不同的位置测定，将测定数据传送至服务器数据库，数据库自动加权平均，计算得到当天同一监测点编号平均后的数据。

3 数据管理分析系统

系统在Windows Server2008操作平台下，以SQL Server 2005存储数据，使用Supermap IServer 6R平台发布空间数据，建立基于WebGIS的墒情监测系统。主要应用于土壤墒情监测的信息化、数据管理和统计、墒情分布图绘制和墒情报告的生成。

系统数据库由空间数据库、基础数据库和墒情评价模型库组成，可以接收便携式墒情仪监测数据、固定站监测数据、烘干法手动录入数据，为墒情信息分析提供基础数据。对墒情信息进行分析，使用空间分析算法绘制墒情等值线（面）图；采用B/S架构，以网页形式展示，提供等值线（面）图查询、过程线绘制等多项功能，依托数据库技术以及GIS技术，结合地区空间数据库和作物墒情评价模型库，将墒情监测结果向用户展示。系统架构如图2所示。

图2 墒情监测系统架构图

3.1 GIS框架的选择

Supermap iClient 6R for Javascript是Supermap公司的一款在服务式GIS架构体系中，面向 HTML5应用开发，支持多终端、跨浏览器的客户端开发平台，脱离客户端插件的限制，可灵活构建多终端、跨浏览器的服务式 GIS 应用。它具有强大的地图化功能，包括绘制专题地图、缓冲区分析、地图编辑、地图目标查找、地图显示、图层控制、空间选择、地理编码、扩展地图库和示例数据等[7]。

3.2 系统算法特点

基于移动采集的墒情算法在同步算法设计时，考虑到采样点GPS定位数据的校准问题，采用合理抽稀的方式，多次采样数据自动平差，将小范围重复采样数据进行平均计算，使得采集结果更加可信。同时，在墒情计算时，考虑了作物不同生育期的实际需水要求，墒情计算结果更加真实有效。

3.3 主要功能开发

项目的重点在于将墒情监测的点信息转化为面信息，依托WebGIS开发框架提供的插值算法进行开发。实现过程如下：

1）根据用户选择的时段，从相应的库中检索出符合要求的监测数据，并根据库中记录，将监测点实时标记到地图中；

2）将测值存入一个中间数据集，并传递给空间插值算法；

3）给插值算法设定起始值、步进值等相关参数，生成插值中间结果；

4）对插值中间结果绘制等值面（线）；

5）生成一个剪裁面，对绘制结果进行剪裁，将剪裁结果显示给用户。

3.4 系统功能模块

系统包含以下几个模块：墒情采样点信息、墒情评价体系、卫星图地形图模块、气象服务模块以及数据管理系统，主界面如图3所示。

图3 滁州市土壤墒情监测信息系统主界面

3.4.1 墒情采样点信息

移动式墒情仪采集的数据会根据经纬度坐标自动在滁州市行政区划图上生成监测点，在各个监测点中可以查看到每个点位的监测数据以及各个深度的历史曲线，如图4。

图4 监测点详细信息

3.4.2 墒情评价体系

墒情分析管理系统可以根据各个监测点位的数据，对数据进行分析和判断。本系统以滁州市为例，以安徽省主要农作物各个生育期的墒情指标为评价依据，系统会根据所选择的起始时间自动判别所选择作物在该时间段的生育期，以此阶段墒情判断指标为依据，生成等值面（线）图，或某种作物的墒情简报，包含墒情数据的各种数理统计信息、覆盖面积等。

3.4.3 卫星图地形图

系统可以叠加区域的遥感图和地形图，辅助用户更加直观地找到需要关注的区域以及查看当地的地形，帮助决策。

3.4.4 气象服务

降雨量、温度等气象信息与农业生产息息相关，并影响土壤含水量。系统集成了气象预报服务，通过访问气象预报网站实现气象数据的查询。

3.4.5 数据管理系统

数据管理系统设置了权限管理，不同级别的用户拥有不同的管理权限，需使用密码才可登录，为数据安全提供保障。数据管理系统可以修改、删除相应的监测数据，录入监测数据，计算作物评价指标以及发布信息。

4 系统应用

土壤墒情监测是农业现代化建设的一个重要组成部分，传统的粗放管理向精细化农业的转型，需要增加土壤墒情监测和信息化技术。本项目的研发，填补了以往墒情监测只考虑土壤情况，而忽视作物实际需求的状况，是土壤墒情监测成果应用的一次有益尝试，是土壤墒情监测成果推广的一个重要手段，有着非常大的推广前景。

本系统的应用，加大了土壤墒情测报频率和范围，利用这些墒情数据可以准确作出旱情分析，生成墒情简报，及时上报各级抗旱管理部门，为科学抗旱减灾提供决策依据。系统有效解决了目前滁州市的墒情监测问题，既节约了成本又可较为精确地进行区域性土壤墒情监测，满足滁州市土壤墒情预测监测的需求。该系统已经用于滁州市防旱指导工作，运行稳定，使用方便。

系统现阶段只能分析判断出时下的墒情结果，还未实现作物墒情预报，需要加大这方面的研究，使墒情监测系统更加完善。

[1] 袁远．北京市家庭生活用水规律与模拟模型研究[D]．北京:北京化工大学,2004

[2] 潘忠文．我国水权制度重构[D]． 哈尔滨:东北林业大学,2003 [3] 杨卫中,王一鸣,高晶．墒情监测系统开发及应用[A]//2010年学术年会论文集[C]．天津:中国农业工程学会电气信息与自动化专委会,中国电机工程学会农村电气化分会科技与教育专委会,2011

[4] 杨绍辉,王一鸣,孙凯,等． 土壤墒情(旱情)监测与预测预报系统的设计与开发[J]．中国农业大学学报,2007,12(4):75-79 [5] 郑徽平．移动墒情监测系统的结构、设计与应用[J]．安徽农学通报,2009,15(17):128-129

[6] 江朝晖,檀春节,支孝勤,等．基于频域反射法的便携式土壤水分检测仪研制[J]．传感器与微系统,2013,32(1):79-82

[7] 刘冠华．基于MapXtreme的城市供水管网信息管理系统的设计与实现[D]．上海:同济大学,2008

P208

B

1672-4623（2016）02-0082-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.028

黄浩，硕士，研究方向为农业信息化。

2015-06-30。

项目来源：国家科技支撑计划资助项目（No.2012BAD15B03）;安徽省科技攻关计划资助项目（No.1501031102）。