基于空间信息的水产养殖信息管理平台的设计与实现

谢 奎，程家骅，刘 军，肖计划，傅雪军，张寒野

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090；2.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；3.北斗导航位置服务（北京）有限公司，北京 100191；4.江西省水产技术推广站，南昌 330046）

中国是世界第一的水产养殖大国，也是世界唯一的养殖产量超过捕捞产量的国家［1］。2016年中国水产养殖产量为5 142.4万t，占全世界水产养殖总产量的60%以上［2］。水产养殖作为渔业生产的一个重要组成部分，在渔业生产中具有举足轻重的地位。由于在发展过程中存在鱼苗、饲料以及渔药的不合理投入，管理机制不健全、生产环节缺乏全面监督，缺乏对市场信息的及时掌握等问题［3-5］，导致生产成本高、回报率和市场竞争力低，使水产养殖业的进一步发展受到严重制约。因此，为了增强水产养殖业的市场竞争力、提高生产效率和水产养殖信息化与可视化管理水平，需要对水产养殖的各个关键环节进行实时动态监控，从而制定合理的养殖规划，进行科学的决策。

遥感具有探测范围广、获取资料速度快、时相多等特点，可在短时间内获得大范围地面信息，并能够实时、动态记录地表变化，为跟踪观测提供了条件，成为水产养殖动态监测的重要数据源［6］，通过对遥感影像进行信息提取能够快速获得所需水产养殖的专题信息，并结合GIS技术对养殖面积、养殖密度进行监测，还可以对养殖区进行规划和管理。帮助养殖场选址，决定养殖品种。例如杨宁生等［7］以对虾养殖的基础地理数据和实时生产数据为基本数据源，采用B／S为主、C／S为辅的网络结构模式进行开发，构建了基于WebGIS的对虾养殖管理平台；段金荣等［8］针对太湖渔业资源，建立了基于GIS的太湖渔业资源管理信息系统，从业者能够及时了解渔业资源的发展动态和最新资讯，同时管理部门能够根据渔业资源数据的分析和统计结果，做出相应的统筹安排；年雁云等［9］利用ArcGIS Server和 GP服务的渔业分析模型设计了基于WebGIS渤海渔业服务系统；曹顺先等［10］分析了经济型、标准化、生态节水型以及循环型池塘养殖模式水环境管理标准及差异，将WebGIS技术与多种技术集合应用，构建水环境综合管理的信息平台，对不同类型池塘养殖模式进行多样化管理，对水环境动态监测与监控。以上学者从养殖品种、养殖地区等不同角度对GIS技术在水产养殖中的应用进行研究，但迄今对于利用遥感影像信息提取进行大范围、多尺度的水产养殖信息管理方面研究尚未见报道。

本文以国产高分一号遥感影像为数据源进行全国范围内养殖水域的提取，并基于OpenLayers、Geoserver、PostgreSQL等 技 术 进 行WebGIS开发，建立了一个生产、经营、管理一体化的全国性水产养殖信息管理平台。该平台具有养殖水体资源管理、养殖生产管理、市场信息管理等功能，以期为水产养殖从业人员和渔业行政管理部门进行生产与管理提供有效的时空信息支持。

1 系统设计

1.1 设计目标

水产养殖信息管理平台的总体目标是建立一个集生产、经营、管理于一体的全国性、综合性信息管理平台，不仅能够从空间上对养殖水体的基本情况、地理环境进行全面、准确的掌握，直观了解其分布现状与布局规划，还可以实现养殖过程的可视化与动态管理，准确掌握养殖生产数据以及监管数据，增强水产养殖生产过程的自动化、信息化水平，促进传统水产养殖的升级与改造，提高水产养殖生产效率，降低生产成本，规范生产管理，实现水产养殖业可持续发展［11］。主要目标有：

1）养殖水体资源管理。标识与录入养殖水体的具体信息；提供水产养殖区域分布、变化的查询等功能。

2）养殖生产管理。水产养殖户或养殖企业上传养殖生产台账；各级渔业管理部门查询管辖区内的养殖生产信息。

1.2 系统架构

本系统在进行总体设计时基于可操作性、安全性、集成性和扩展性等原则，并考虑到技术不断完善、养殖信息不断更新等问题，自底向上进行开发，采用目前主流的B／S（浏览器／服务器）的3层分布式框架结构［12-13］（图1）。

以遥感影像数据、基础地理信息数据、属性数据等构成的数据层（data layer）作为系统的底层，负责属性数据和空间数据的管理与维护，为整个系统提供数据支撑，包括国产“高分一号”遥感影像及以其为数据源提取的养殖水域分布数据、全国省级和县级行政边界、水系和交通等矢量数据以及水产养殖的各种属性数据；以Web服务器、地图服务器等构成的逻辑层（logic layer）是整个系统的核心，同时也是连接表现层与数据层的纽带；以水产养殖信息管理平台构成的表现层（presentation layer）作为数据显示和功能操作界面，也是用户通过前端浏览器与后台服务器进行交互操作的场所。

1.3 系统功能设计

水产养殖信息管理平台的服务对象有两种：一是水产养殖从业人员，为他们提供生产台帐的录入以及市场行情等相关信息，如鱼苗培养、饲料投喂、药品投放、生产成本及产品销售等信息，帮助他们提高生产效率和市场竞争力；二是渔业行政主管部门，提供水产养殖业的基本情况，如品种分布、养殖产量、市场信息等，从而增强对整个水产养殖业的生产和市场等宏观信息的掌握，以便对水产养殖业的管理政策及时调整［7］。根据系统设计目标并基于模块化思想，从功能角度将水产养殖信息管理平台分为四大模块：空间数据管理、水产信息管理、系统管理与维护、外部接口。针对每一模块进行详细的设计，使其实现相应的功能，形成一个既分离又相互联系、功能庞大的信息系统，方便各个模块的相互调用［14］（图2）。

图1 系统体系结构Fig.1 Web structure of the system

图2 系统功能模块图Fig.2 Function module structure of the system

1.4 数据库设计

水产养殖是一个涉及到生产、管理、交易等各个方面的系统工程，数据来源复杂，数据量庞大，因此要实现对水产养殖信息的动态监管与可视化管理，必须要建立完善的数据库来对信息进行收集、存贮和管理［15］。数据包括遥感影像、矢量数据和属性数据3类，其中矢量数据包括瓦片地图、全国行政区划图、通过外业采集和内业数字化的塘口矢量分布图等；属性数据包括养殖户基本信息、塘口信息、渔船信息、市场信息以及用户信息等。

基于数据库构建的标准化、规范化、安全性及实用性等原则，在数据库构建之前对采集到的原始数据经过统一的编码准则进行加工处理和入库管理，并对外提供数据接口。同时，为更好地对数据进行管理与访问，提高数据运算与传输效率，采用混合存储模式对数据进行存储［16-17］。

2 关键技术

2.1 水产养殖区域提取

随着遥感技术的发展，日益丰富的遥感数据为水产养殖信息提取提供了新的契机，利用遥感影像能够快速地提取所需水产养殖的专题信息，并结合GIS技术对养殖区进行管理。该系统以GF-1遥感影像数据作为基础数据，采用人机交互的目视解译和自动提取分类相结合的方法对水产养殖区域进行提取，以获取所需的水产养殖区域分布数据。系统采用GF-1卫星的L1级影像，附带有理多项式（RPC）定位模型，仅经过辐射和传感器校正，但仍含有地形起伏和透视成像的变形。在进行解译前，采用PCI Geomatic等数字摄影测量软件，在数字高程模型（DEM）的支持下，对大区域的多景GF-1影像进行单片区域网平差处理，提高RPC模型的精度。然后进行正射校正和匀色镶嵌，得到大范围几何与色调统一的多波段、高分辨率正射影像。鉴于GF-1遥感影像同时具备全色数据与多光谱数据，采用ERDAS软件对多光谱影像与全色影像进行融合处理，得到的影像不仅具有多光谱数据的光谱特征，同时保留了全色数据的空间细节，既可以对目标特征进行增强，又能够提高影像解译能力［18］。

基于2m分辨率的GF-1多光谱正射影像在ArcGIS环境中进行养殖水体的目视解译，获得研究区域的水产养殖区域分布信息。

2.2 地图切片

水产养殖信息管理平台所用到的GF-1号遥感影像数据较大，传统的方法难以对其进行有效的处理，因此采用地图切片技术，以瓦片为单位对其进行组织。

实验教学仪器设备的维修是设备管理的重要工作，随着设备的使用，难免会出现设备损坏的情况，这就需要我们对实验设备进行维修和保养，做好仪器设备的维修能够提高设备的使用年限，也能够保证实验教学的顺利开展。实验设备的维修应有维修记录表，每次维修详细记录，方便今后查阅。

在本系统中，以5种缩放等级分别生成地图切片，以便实现地图的缩放平移等功能，相邻两级缩放水平的精度是相差2倍的整数倍。由于地图切片生成的文件数量较多，因此为了更好地进行切片的发布与管理，分别对每一级切片建立一个目录，采用“L-级别号”命名，每一级目录中再分别按行号建立子目录，命名为“R-行号”，将以“C-列号”命名的切片存放于对应行的子目录中，用户根据所需空间范围获取地图瓦片数据，实现对局部地图的快速访问。由于采用了以空间换取时间的策略，预先对地图进行缓存，读取静态图片，然后在客户端拼接浏览，从而快速提供地图服务［19］，提高了地图绘制与传输的效率，解决了客户端请求地图时的渲染效率及浏览器兼容性问题，从而给用户带来更好的体验。

2.3 OGC W*S地图服务发布

OGC（open GIS consortium，Inc.开放地理信息系统联盟）主旨是在分布式环境下实现地理空间数据和地理信息处理资源的共享。OGC规范中最重要的3个地理信息服务实现规范：网络地图服务（web map service，WMS）、网络要素服务（web feature service，WFS）、网络处理服务（web processing service，WPS）［20］。

WMS是利用具有地理空间位置信息的数据制作地图的一项服务，它将地图定义为地理数据可视化的表现，WMS标准规范提供了3个操作：Get Capabilities返回服务级元数据，它是对服务信息内容和要求参数的一种描述；Get Map返回一个地图影像，其地理空间参考和大小参数是明确定义了的；Get Feature Info（可选）返回显示在地图上的某些特殊要素的信息［21］。

WFS是基于矢量数据共享和互操作的标准，提供要素级的地理数据的服务，采用GML描述地理要素特征，WFS标准规范提供3个操作：Get Capabilities、Describe Feature Type和 Get Feature。WFS的服务请求处理过程分为几个步骤［22］：①客户端向WFS请求一个包括WFS支持的所有操作的描述及它提供的所有特征类型的列表在内的功能文档；②客户端为获取一个或多个要素类型的定义生成WFS请求；③基于特征类型的定义，客户端生成一个特定的请求；④该请求发送到Web Server；⑤调用WFS去读取和处理请求，并且提供服务；⑥WFS完全处理请求完毕后，将会生成一个状态报告，并反馈客户端。

WPS是一个泛化的接口，每一个WPS的实现都能够定义自己支持的处理及与其相关的输入和输出，可以看成是一个Web服务的抽象模型。WPS可以包装其它现有的符合OGC标准的服务。

水产养殖信息管理平台采用GeoServer开源地图服务发布所需的、遵循OGC规范的W*S服务，其中GF-1遥感影像数据遵循WMS规范，浏览器客户端首先向WPS服务器请求DescribeProcess方法对输入接口进行解析，然后再请求Execute方法进行数据的传递并执行服务；根据空间结果数据属性对Mapfile文件进行自动配置，并通过 Geoserver发布为 WMS服务，WMS服务加载于OpenLayers中，完成结果可视化［23］，用户只需向WMS实例发送带有图层名称的请求，同时提供地图绘制参数，就可以获得相应的地图数据［24］；利用GF-1遥感影像提取的水产养殖区域分布数据则遵循WFS规范，基于OGC WFS规范语义，要素服务可向用户提供矢量数据格式描述的单个地理要素的空间数据或要素集的空间数据查询服务，查询结果根据WFS标准以地理标记语言GML或KML标记语言封装的XML文档返回，并可以实现单个地理要素的编辑、删除和添加等数据操作［25］。

3 系统开发及功能实现

3.1 系统开发环境

该系统的开发环境如表1所示。

表1 水产养殖信息管理平台开发环境Tab.1 Development environment of aquaculture information management platform

3.2 系统主要功能的实现

1）空间数据管理

空间数据管理以GF-1遥感影像为背景数据库，通过图层控件实现多种比例尺的地图缩放与漫游、矢量数据叠加显示与操作；也可实现折线距离量算及封闭水产养殖区域的面积量测［26］；还可以进行专题图制作，将数据图像化反映出水产养殖区域的现状及其分布以及水产养殖各种要素的动态变化和发展规律，为决策者提供简单、有效的参考信息。

2）水产信息管理

水产信息管理是该系统最重要的模块，主要包括养殖水体资源管理、养殖生产管理、市场信息管理等功能。

养殖水体资源管理负责在电子地图上显示各类水体的分布情况，标识与录入每块水体的性质、承包人、养殖种类等信息，通过点击矢量图上的养殖水体，即可查看该水体的详细信息，或者根据养殖户姓名、所在位置、塘口编号等查询条件实现对塘口空间位置的快速定位，并突出显示；查询与统计各级行政区划内和指定面积内的养殖水体分布状况、变化趋势，生成各类统计图表，如折线图、饼状图、雷达图等，体现数据的分布、聚集趋势，为数据的分析与挖掘提供形象的表达方式；此外对于各个乡镇历年养殖面积和养殖产量等数据都进行统计入库，制成统计报表，并且可以用于制作统计年鉴，用户可用不同的查询条件对各种统计数据进行查询，对比分析水产养殖历年变化情况，为渔业行政主管部门提供更加直观的参考数据。

养殖生产管理主要负责上传养殖生产台账，包括苗种投放、养殖、生产投入、出塘、销售等信息，帮助用户分析养殖生产状况，及时把握生产情况，科学组织养殖生产，实现对水产养殖进行溯源管理。

市场信息管理主要是面向水产交易市场，提供终端信息查询，发布品种、规格、价格、公司介绍等水产品商贸供求信息，并根据品种等关键字查询、显示分布，定位所处位置，进行水产品入市合格控制、市场价格辅助管理、交易信息查询，完善信息化市场；同时面向终端消费者发布水产品共有信息：包括来源、检疫、加工、消费等透明化服务，为消费者提供消费信息［27］。

3）系统管理与维护

包括系统用户管理、数据维护以及日志管理。用户分为系统管理员与普通用户，系统管理员负责对日常事务管理、系统数据维护、用户注册、登陆权限以及其信息修改；普通用户具有对系统的一般操作权限。这样做可以进行合理的管理及资源分配，提高系统的安全性和数据的完整性。

4 小结

本研究从水产养殖的实际需求出发，通过对WebGIS的体系结构进行深入分析与研究，设计一套以GeoServer、PostgreSQL和 OpenLayers为核心的水产养殖信息管理WebGIS平台，很好地实现了养殖水体资源管理、养殖生产管理及市场信息管理等功能。既能满足渔业管理部门对水产养殖区域的管理，也能满足水产养殖业用户的使用要求。

该系统以高分一号遥感影像为数据源提取了全国范围内的水产养殖水域分布数据，并在此基础上构建水产养殖信息管理系统，随着系统的推广与普及，使全国性的水产养殖监测成为可能，实现水产养殖产业精准数字化管理。

水产养殖信息管理系统仅是一个基础性系统，下一步的工作将在现有研究基础上对该系统进行进一步的改进与完善，将养殖环境监测系统、水生动物病害专家系统及智能决策系统等模型系统引入到该系统中，扩展系统服务的广度和深度，从而更好地为水产养殖业服务，提高我国水产养殖综合效益和发展水平。