基于网络的中国棉花生长指数研究应用系统的设计与实现

王庆喜++毛树春++李亚兵++雷亚平 +韩迎春 王国平 芦建华 +杨北方 杜文丽

摘要：中国棉花生长指数（CCGI）模型是一种表述棉花生长和过程产量形成变化的数量指标，为评价棉花生产、生长和产量提供准确的数据。为了推广中国棉花生长指数模型和数据的使用，制定了数据标准，构建了棉花生长指数数据库，设计和实现了中国棉花生长指数研究与应用系统。该系统采用JAVA、JSP和S2SH框架技术，运行在TOMCAT服务器上，具有功能齐全、性能稳定、使用范围广、系统界面友好、安全性高和可移植性好等特点，为政府、企业、协会和植棉者提供了信息和技术支持。对于促进棉花生长指数的使用和影响具有重大现实意义，提高了我国棉花信息化水平。

关键词：棉花；中国棉花生长指数；监测预警；系统设计

中图分类号：S126文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2017）03-0163-03

收稿日期：2015-12-09

基金项目：国家棉花产业技术体系（编号：CARS-18-17，CARS-18-21）；公益性行业（农业）科研专项（编号：201203096）。

作者简介：王庆喜（1979—），男，河南内黄人，硕士，讲师，主要从事农业信息化、机器学习等研究。E-mail：qingxiwang1111@163.com。

通信作者：毛树春，研究员，博士生导师，主要从事棉花栽培学和信息学研究。E-mail：maosc@163.com。

棉花长势监测预警技术是中国农业科学院棉花研究所毛树春团队和全国棉花科技界从1997年至今连续多年研究取得的成果，成为决策咨询支持、科技服务、生产管理指导的重要支持工具，满足了经济全球化和市场国际化的多市场主体的新需求，也是农业科技面向国民经济主战场研究的一个典型范例。系列计算机软件著作权“中国棉花生长指数研究与应用系统V2.0（2014SR074668）”“中国棉花生产监测预测及实证信息平台V2.0（2014SR186098）”和“中国棉花栽培技术监测应用技术指导系统V2.0（2014SR178983）”等系统记录了棉花长势监测预警技术的系列技术成果，为信息化服务棉花产业、提高棉花产业竞争力和决策咨询支持能力、科技界赢得产业的话语权，搭建了一个全新的公共平台。

棉花生长周期长，生产和生长过程在不断变化，并且过程产量或生长产量也在不断发生变化，中国棉花生长指数模型[1-3]记录棉花生长状况的全过程，为评价一年的棉花生产、生长和产量提供准确的数据。中国棉花生长指数研究与应用系统是棉花长势监测预警技术平台的一个子系统，该系统使用计算机技术管理中国棉花生长指数的信息化数据，并能通过网络以文字和图片的形式发布信息，为棉花产业界、棉花生产者和消费者、植棉者和棉农在内的政府、企业和协会等的管理、生产、经营、研究等提供信息和决策支持。

1关键技术

1.1中国棉花生长指数（CCGI）

中国棉花生长指数为中国棉花生产、管理、经营、研究和决策提供棉花产中数量指标的信息服务[2]，根据提供的信息服务，其主要作用有：一是监测和评估，对生产和长势的连续跟踪，主要包括种植品种、播种意向、播种面积、5—9月棉花的农艺性状等；二是种植管理指导，对播种、生育期的及时管理提出指导意见和建议，并且为不同生长期和不同区域的棉花提供有针对性的技术指导；三是根据种植面积和棉花农艺性状，评估生长产量，预测最终产量。

经过多年研究与实践发现[1]：与产量相关性强的五大棉花农艺性状为：5月单株真叶数、6月单株真叶数、7月单株果节数、8月单株成铃数和9月单株成铃数，可以用其评估棉花的过程产量，并发现其关系可以使用公式表示，其公式如下：

Y=-13.9795+3.09X1+4.71X5-0.093X2X3-0.152X2X5-0.027X4X5-0.0094X3X2。

式中：X1、X2、X3、X4、X5分別表示5月单株真叶数、6月单株真叶数、7月单株果节数、8月单株成铃数和9月单株成铃数。

CCGI是棉花生长数值与上年同期数值之比的百分率，可以根据上一年的产量评估当年的生长产量，预测未来产量。CCGI简单方便、容易获取、可操作性强并且灵敏度高。

1.2CCGI的科学含义

CCGI的生物学含义如下[1-3]：CCGI值越大表示棉花长势越好，单产水平越高，反之单产越低。当CCGI值为100时，表示当前年份的棉花生长状况与上一年相当，因此单产与上一年相当；当CCGI值小于100时，表示当前年份的棉花生长状况差于上一年，因此单产水平低于上一年；当CCGI值大于100时，表示当前年份的棉花生长状况好于上一年，因此单产水平高于上一年。

1.3信息采集方法

根据统计学理论，结合生态学与中国棉花生产布局结构特点，围绕任务目标，按照代表性和典型性原则进行实际抽样[1]。信息采集抽取样本县150～171个，每样本县抽取样本乡镇2～3个，每乡镇抽样2～3个村，每村定户采集20户，每户采集棉花个体20～40株，概率置信水平达到95%以上。采集数据和信息主要包括基本信息、家庭经营信息、棉花生产信息、棉花生产技术信息、中国棉花生长指数信息、气候资料、辅助信息。

1.4信息技术

中国棉花生长指数研究与应用系统主要采用JAVA和JSP以及Struts2、Hibernate和Spring框架技术，采用JQuery EASYUI制作人机接口，图表采用JFreeChart工具生成，开发环境是Eclipse和Tomcat，数据保存在MySQL数据库中。

JAVA[4]是一种面向对象的程序设计语言，具有通用性、高效性、平台移植性和安全性；JSP是一种可以动态网页编程技术，它通过在HTML中夹杂JAVA代码构成；Struts2[5]实现了MVC设计模型，可以减少基于MVC开发的时间；Hibernate是一个对象关系映射框架，它封装了JDBC，使得可以通过使用对象编码来操纵数据库；Spring简化企业应用开发，为J2EE应用程序开发提供集成的框架；jQuery EasyUI[6]是一组基于jQuery的UI插件集合体，帮助Web开发者轻松打造出功能丰富并且美观的UI界面；JFreeChart是一组功能强大、灵活易用的Java绘图API，使用它可以生成多种通用性的报表，包括柱状图、饼图、曲线图、甘特图等，它能够用在Web等中制作自定义的图表或报表，并且得到广泛的应用；Eclipse是一个开放源代码的、基于JAVA的可扩展开发平台；Tomcat服务器是一个免费的开放源代码的轻量级的Web应用服务器，在中小型系统中被普遍使用；MySQL[7]是在Web应用方面最好的关系数据库管理系统应用软件之一，其体积小、速度快、并且成本低。

2系统分析与设计

2.1用户分析

中国棉花生长指数研究与应用系统的用户大致可以分为2类：信息的管理者和信息的使用者。信息的管理者包括信息采集员、信息审核员和系统管理员。系统的使用者又可以分为2类：注册用户和匿名用户，其中政府、企业、协会以及植棉者和棉花研究者都可以通过注册成为注册用户，也可以匿名使用系统。本系统中，中国农业科学院棉花研究所具有管理权限，负责数据的审核、修订、发布及其系统管理，与其合作的研究所、农场和棉农等负责信息的录入。信息发布后提供给政府、涉棉企业和协会、棉花研究者和种植者，他们通过系统获取中国棉花生长指数的有关信息，为政策制定、棉花及棉花制品的经营、种植管理等提供信息支持。

2.2系统功能

中国棉花生长指数研究与应用系统的主要功能根据用户不同而不同（图1）。

2.2.1信息采集员

采集信息并录入到系统，采集和录入的信息主要包括：5月单株真叶数、6月单株真叶数、7月单株果节数、8月单株成铃数和9月单株成铃数等。除此而外还有地区、农场、植棉者等信息。

2.2.2数据审核员

对信息采集员录入的信息进行审核，对于异常信息反馈给信息录入员或直接在系统中修订，为了提高审核工作的效率，系统可以设置数据异常规则，对于不符合规则的数据视为异常数据，直接用红色标注。

2.2.3系统管理员

（1）信息发布。在数据审核员审核和修订数据后，即数据无异议和问题后，系统管理员可以发布数据，发布后的数据对于注册用户和匿名用户是可见的。

（2）区域信息的添加、修改和删除。管理不同级别的区域信息，并且维护区域之间的隶属关系，比如是同级关系还是包含关系。

（3）地块信息的添加、修改和删除。管理和维护信息采集的地块信息，并且管理地块所属区域的信息。

（4）研究报告的管理。系统管理员上传和管理中国农业科学院棉花研究所的针对棉花的研究报告，并把研究报告发布给信息获得者。

（5）管理指导意见和建议的管理。系统管理员添加棉花生产管理的指导意见和建议，为植棉者和棉农提供技术支持。

（4）登录、退出和修改密码。

2.2.4匿名用户

（1）全国、流域、省份、县的CCGI年变化信息浏览。

（2）全国、流域、省份、县的CCGI年变化比较信息浏览。

（3）全国、流域、省份的CCGI区域变化比较信息浏览。

（4）原理研究信息浏览。

（5）管理指导意见和建议信息浏览。

（5）CCGI在全国的应用信息浏览。

（6）CCGI在各地的应用信息浏览。

2.2.5注册用户

（1）注册、登录、退出和修改密码。

（2）信息浏览和下载。注册用户比匿名用户多了数据下载，系统给注册用户提供CCGI图表、研究报告、生产管理指导意见等数据和信息的下载。

2.2.6其他功能

（1）CCGI自动计算。根据采集的农艺性状数据、棉花在不同区域的种植面积以及上一年的数据，自动计算当前的CCGI。CCGI计算的值一共有6个：5月份至9月份的CCGI值以及CCGI年均值。

（2）图表的生成。图表主要包括：CCGI走势图、CCGI年份走势对比图、CCGI地区走势对比图以及CCGI等值线图和生成图对应的表格，上述图表的生成是信息获取者浏览的基础。

2.3数据库构建

（1）地区数据库：管理和维护包括流域、省份、亚区和县团在内不同层次的地区数据，并且管理地区之间的隶属关系。

（2）地块数据库：记录了棉花信息采集的地块信息，主要包括地块名称、所属地区、经纬度、所属人、面积等信息。

（3）农艺性状采集数据库：是信息采集员负责采集和录入的信息，是系统核心数据，主要记录了某地块在某年某月的某项数据。

（4）各地棉花种植面积数据库：记录了各个县团的棉花种植面积，是计算中国棉花生长指数必不可少的数据。

（5）CCGI数据库：根据农艺性状采集数据、各地棉花种植面积以及上一年的农艺性状采集数据系统会自动计算中国棉花生长指数，计算成功后的CCGI数据记录在CCGI数据库中，其数据格式为（地区，年份，5月CCGI值，6月CCGI值，7月CGI值，8月CCGI值，9月CCGI值，CCGI平均值）。

（6）技术支持数据库：记录了中国农业科学院棉花研究所根据需要发布的技术支持信息，此数据库信息会分门别类地在系统中展示给用户。

（7）CCGI分析与研究包括数据库：管理和维护CCGI分析报告以及与CCGI相关的棉花研究报告，此数据库数据也会在系统中展示给用户。

（8）系统用户数据库。管理系统的各类用户以及用户权限，本数据内容由系统管理员负责管理。

2.4系统设计

2.4.1系统流程设计

系统操作流程涉及到的系统用户有信息采集员、信息审核员、系统管理员、注册用户和普通用户。信息采集员负责棉花生长指数相关信息的采集和录入；在信息录入系统后，信息审核员对录入信息进行审核和修订，系统提供根据规则的数据异常提醒；在信息审核和修订后，系统管理员可以根据需要发布信息；信息发布之后，匿名用户和注册用户可以通过系统浏览自己需要或感兴趣的信息。每一個节点都可以向上一个节点反馈信息，比如注册用户可以把自己的想法、建议和意见等反馈给系统管理员。系统流程如图1所示。

2.4.2系统架构设计

系统架构设计支持个人台式电脑、笔记本电脑、平板电脑和智能手机等设备访问本系统，为了能够保证大量用户并发使用，WEB服务器采用集群，并在服务器前端采用负载均衡。系统架构如图2所示。

3系统应用

3.1产业界应用

我国虽然是棉花生产、消费与出口大国，但是在棉花产业信息方面却十分落后。我国棉花产业信息特点如下：（1）时效性差，不能满足时代需要；（2）对棉花趋势预测误差较大；（3）存在严重的不对称，政府与产业部门，棉花生产者、研究者和经营者之间都存在着明显的信息不对称。中国棉花生产指数研究与应用系统使用信息化手段采集、加工、诊断和发布棉花信息，具有较强的适时性和实用性，为政府、企业、协会和棉农植棉科学管理、经营和种植提供了及时性的依据，提高了我国棉花的信息化水平，提高了产业决策的科学化水平。

[FK（W17][TPWQX2.tif][FK）]

3.2期货和现货反应

棉花的生长产量、过程产量和最终产量对棉花的消费和贸易、国内外的期货、现货价格和股市影响重大。CCGI跟踪棉花生长变化，测算生长产量，跟踪过程变化，并及时发布相关数据和信息，用于指导棉花消费和贸易。

3.3植棉者和棉农

CCGI评价棉花全生育期，根据棉花生长状况，提出针对性的管理措施，对棉花种子播种、管理、销售、棉花生长和产量等方面进行监测。总之，中国棉花生长指数研究与应用系统为植棉者和棉农在优良品种的选择、播种技术、中期管理、收获、销售、灾害预防和救治等方面提供技术支持。

4系统效果和评价

系统开发完成后部署到Tomcat服务器，经过长期使用，验证了系统的稳定性和可靠性，总结系统的特性如下：

（1）功能齐全，性能稳定。系统实现了CCGI研究与应用的各个方面，为CCGI的研究和应用提供了信息化平台；采用先进且成熟的S2SH以及JQuery EASYUI等框架，性能稳定。

（2）[JP2]使用范围广。系统采用B/S/S体系结构，使用网页浏览器即可使用该系统，适合任何有Internet网络的地方使用。[JP]

（3）系统界面友好。界面简单大方、操作方面。

（4）安全性高。系统对操作功能进行了权限审查保护，提供了较高的安全性。

（5）可移植性好。系统开发采用了JAVA技术，因此具备一次编译、处处运行的特性，为系统提供了较好的可移植性。

中国棉花生长指数研究与应用系统为CCGI的研究和应用提供了信息化手段，提升了我国棉花预警的能力，变茫然为理性，变被动为主动，提升了棉花产业的科学种植、科学决策和科学经营的能力。

参考文献：

[1]毛树春. 中国棉花生产景气报告：2004[M]. 北京：中国农业出版社，2005：68-72.

[CM（29][2]毛树春. 中国棉花景气报告：2009[M]. 北京：中国农业出版社，[CM）][HJ][FL）][LM]

[KH*4D]

[HT8.][KG1*2/3]2010：70-72.

[3]毛树春. 中国棉花景气报告：2013[M]. 北京：中国农业出版社，2014：38-45.

[4]Sheng X F，Shan L. Meta-search based specialistic intelligent web information retrieval system[J]. Computer Engineering and Design，2004，25（1）：69-73.

[5]Daniel B，Richard S，Robert G B. SSH the secure shell：the definitive guide[M]. USA：OReilly Media Inc，2005：168-172.

[6]尹婷，赵思佳. 基于jQuery框架的AJAX网站设计模式的研究[J]. 湖南环境生物职业技术学院學报，2010，16（3）：1-4.

[7]The Apache Software Foundation. Apache tomcat 7 user guide[M]. Fultus Corporation，2011：204-207.