福建省农业技术推广信息化展示平台设计与实现

阙 翔，陈日清，刘必雄，罗 超，李梦航，苏少强

(1.福建农林大学计算机与信息学院，福建 福州350002； 2.生态与资源统计重点实验室，福建 福州350002；3.智慧农林福建省高校重点实验室，福建 福州350002)

0 引言

农业技术推广服务是构筑农业科技与农民的桥梁，是农业科技成果向生产力转化的催化剂，也是实现中国特色现代农业的重要支撑，有效地推广服务可以促进农业增产增收、提高农民技术水平及改善农业生产环境[1-4]。然而，中国农业科技推广服务体系发展相对滞后，传统的推广服务缺少网络信息平台的支撑，农业信息化服务能力不强，推广方式单一，运行机制不灵活，服务效率较低，已经难以满足农民或企业对多样化技术服务的需求[5-6]。

农业技术推广综合传播、替代、学习和博弈论为一体，是一种有意识的社会影响形式，即通过传播将新技术替代旧技术，并且在传播中各技术需求主体学习提高并相互博弈，是一个较长且复杂的过程[7-8]。其基本特征是向农户提供信息输入，主要内容涵盖农业技术成果(优良品种、化肥、农药、农业机械、饲料等)、农业生产操作方法及工艺(栽培、养殖技术、病虫害防治措施等)和农业政策咨询等[8-9]。由于国家或地区之间在自然条件、政策法律、农民素质和人口社会等各方面状况不同，各国采用的推广模式差异显著。美国实行联邦政府主导、州立大学农学院为主体、县政府参与的农业技术推广体系[10]。日本主要以农业协会为主为农户提供信贷、购买、销售和加工等“一站式”服务[11]。法国则主要采用公私结合的推广体系。传统的推广服务方式包含培训和访问(Training and Visit，T&V)、农民田间学校形式(Farmer Field Schools，FFS)、农民到农民(Farmer to Farmer Extension，F2FE)和收费服务等。虽然这些方式已在不少国家或地区应用(如由世界银行的推动T&V已在70多个国家中应用)，但大多数推广的效率和效果并不是很理想[12-13]。

随着大数据、云计算、3S及电子通信等技术的发展，农业技术推广信息化服务也已经进入快速发展阶段[3，14-19]。加快“互联网+农业”信息服务平台建设，提高农业资源利用率，降低成本、改进生产效率和提升农产品品质，已成为越来越多国家的共识[3，20-21]。网络信息服务可促进信息传播，改善反馈机制和鼓励农户参与度，成为有效的手段，许多基于移动电话、计算机、广播和视频的方式正蓬勃发展，为农业增长和发展做出贡献，如农业服务热线、现场参与的视频等[22-23]。中国也逐渐重视运用信息技术提高农业技术推广效率，构建了包括12316在内的“三农”服务平台，但由于信息推广服务模式朝着多元化服务、嵌入性转变，技术服务的主体和参与者不断增多，且用户对信息化服务质量、内容和需求在不断提高，目前仍主要存在以下问题[3，24-26]。①现有的系统难以满足新的技术推广模式和多元化服务的需求。②随着农业物联网等技术的应用，推广服务相关的数据来源、类型和主题等变得广泛，数据量也不断增大，给技术服务信息的展示、管理及维护等带来了困难。③各产业及地区之间的推广信息服务存在发展不平衡问题[3]。

本研究针对上述问题，并结合福建省茶叶、蔬菜、食用菌和再生稻4个特色产业，着力构建推广信息服务云平台及其展示系统，提高区域农业技术推广服务的质量和效率。旨在实现以下目标：①设计开发福建省农业技术推广信息化服务云平台体系结构；②分析和构建遵循统一资源分类编码规范的WebGIS推广服务展示系统，解决多源异构和实时数据的动态管理和集成展示问题；③建立展示系统后端数据管理与服务模块，充分发挥区域特色产业优势，促进新品种、新技术和新成果的有效推广，使其发挥更大的社会经济价值。

1 农业技术推广服务云平台设计

1.1 基于H3C云平台的农业技术推广服务体系结构

云计算是一种基于互联网的计算方式，其共享的软硬件资源和信息是被虚拟化的，具有弹性、可动态扩展和可伸缩等特点，能够以按需、自助等方式向客户提供计算机各种终端和其他设备或软件等信息技术服务[27]。H3C云自动化系统(Cloud Automation System，CAS)是H3C公司(中国)研发的以云计算为基础的管理平台，其云虚拟化管理系统(Cloud Virtualization Manager，CVM)具备高可用性、动态资源调度、容灾与备份和集群文件系统等特点[28-29]。CAS提供底层的软件环境，包含云资源管理、权限分配管理、操作系统、分布式存储和计算框架，云平台中的存储和计算资源、网络资源可根据数据量或运算量的增长进行平滑升级，为各种农业技术推广应用提供高效的计算、存储和网络带宽等软硬件支撑。

福建农业技术推广信息化服务云平台的设计，不仅需要解决“最初一公里”即准备什么内容向产业专家、政府、企业和农户展示，也要构建“最后一公里”，即如何让农户或企业更好地接受新品种和新技术的普及。本研究通过构筑“大学(科研单位)、政府、企业、农户”四位一体的科技信息推广通道，探索建立“科研试验基地、区域示范基地、基层推广服务站点、农户”有机结合的新模式。基于H3C CAS云平台，本研究设计了推广服务体系结构(图1)，其以技术推广信息集成和展示服务为主线，构建数据中心、推广调度控制中心、远程视频会议系统、数据采集系统和推广展示系统等信息化服务模块，通过信息推广通道将科研试验、示范、培训、指导及咨询等服务信息顺畅地呈现给农户，促进农业知识和技术普及应用于农业生产产前、产中和产后的全过程活动。平台支持福建12316农业技术服务，和国家云平台数据接入与共享，具有信息丰富、传递快捷、形式多样和覆盖面广等特点，可满足及时性、互动性和个性化等需求[22，30]。

图1 农业技术推广信息化服务体系结构Fig.1 System structure of agricultural technology extension information service

1.2 信息资源分类与编码技术

随着农业技术推广服务内容、数据和规模不断扩大，推广展示系统的业务逻辑和服务方式也逐渐增多。若只根据服务内容或推广模式本身来构建系统，而忽略对数据信息资源分类管理，则当推广方式或服务内容改变时，系统有可能面临数据结构复杂、管理混乱，甚至无法更新、维护等问题。本研究根据福建省特色农业技术服务及产业数据特征，建立规范化的资源信息分类与编码，分类代码由6段12位组合表示(表1)，以再生稻产业禾谷类稻属汕优63品种为例，其行业总类为种植业(代码为3)、大类为粮食作物(代码为1)、中类为禾谷类(代码为11)、小类为稻属(代码113)、细类为品种(代码为11)、单元信息(代码为001)，组合后代码为311111311001。利用此统一的信息资源分类和编码规范，可对作物类型、作物品种、病害数据和病害处方等16类推广服务数据执行高效、快速、便捷地分类、分级管理。此规范的资源分类编码结构清晰，不仅是数据存储管理的基础，也是实现数据高效展示与服务的关键之一。

表1 信息资源分类与编码示例

1.3 “GIS+”模式的信息展示与应用

JONES GE等[31]在1997年时就指出GIS将在农业技术推广中有很多可能的应用。它可以综合空间数据、社会经济数据、土地利用和环境等数据，支持数据标记、量测和空间分析等，可以给用户提供很大的控制权，能够很好地分析和表达空间关系，有效管理大量复杂的数据，帮助农民个人或企业解释和运用数据，更好地诊断问题和辅助决策，为农户提供新的信息服务，逐渐成为一些农业技术推广的决策支持工具[32-35]。

本研究结合GIS时空数据融合应用背景，提出“GIS+”的农业技术信息资源综合管理服务模式(图2)。其支持基础地理数据、专家信息数据、植物虫害数据、农业综合信息等多源、多类数据集成与管理。利用H3C CAS云服务平台进行数据处理、融合、分析和挖掘，通过遵循规范的信息资源分类与编码集成到基于网络地理信息系统(WebGIS)的农业技术推广“一张图”的展示系统中，向企业经营、个人应用、基地示范和农户在/离线学习等提供高效、实时、全天候的新型数据应用和服务。

图2 “GIS+”模式在农业技术推广展示系统中的应用Fig.2 Application of“GIS+”mode in display system of agricultural technology extension

1.4 基于模型视图控制器(MVC)的响应式结构

虽然“GIS+”模式的农业技术信息化推广服务适用于各特色产业的多类型、多主题和多源异构数据的信息展示，但与一般推广信息系统相比，其对动态响应和可视化的要求较高，仍需要构建各类数据资源对象到GIS前端展示之间的映射关系。在各农业技术产业多元化及特色化信息服务中这种映射关系十分重要，因为其是决定新模式中科技信息推广通道是否顺畅的关键所在。若不采用响应式开发模式，则当数据规模不断增大时，推广信息通道则很可能变得复杂混乱、难以更新和维护。

模型视图控制器(Model View Controller，MVC)是一种经典的响应式应用程序设计模式，其将业务逻辑、数据访问与用户接口等分离，降低了模块之间的耦合，具有较高的灵活性、伸缩性和扩展性[36]。ASP.NET是微软提供的建立和部署及执行Web应用程序的平台，其提供一个MVC模式实现的基本环境[37-38]。本研究基于ASP.NET的MVC框架处理上述问题，其中view为视图层，包括公共模板、用户管理、地图图层和新闻等视图，主要负责向各产业的科研试验基地、区域示范基地和推广站点呈现农业技术服务相关的数据；controller为逻辑控制层，主要负责向各视图准备相应分类编码的展示数据，实现数据准备、计算及响应控制等；model为业务实体模型层，代表存储数据的对象，是支持推广服务业务基本信息结构。通过遵循统一资源分类编码技术实现的MVC响应式展示系统逻辑关系清晰、数据流明了，不仅能充分利用MySQL数据库及.NET的对象关系映射(Object Relational Mapping，ORM)、数据库连接池等技术建立数据库及其缓存提高系统服务效率，还可使系统具备高可维护性、可移植性与扩展性的特点。

2 系统实现

根据农业技术推广服务内容，遵循统一的资源信息编码规范，采用基于Restful API调用方式，实现包括产业信息、农业专家、病害防治等10类数据表的动态管理，完成茶叶产业3 612条、食用菌产业3 360条、蔬菜产业5 371条、水稻数据1 721条的录入与动态管理，存储约75 GB相关数据。通过数据接口与服务，支持福建省农科院、福建省农业厅和国家农业数据云服务平台的数据接入，并可将获取的JSON格式数据与规范编码的数据格式进行转换，其也支持包括视频流、网络地图等标准数据服务，可将多源异构数据集成到基于MVC的展示系统的实体模型对象中，并为农业技术推广服务的“一张图”提供支撑。

2.1 基于WebGIS的农业技术推广展示系统

系统实现了“GIS+”的农业技术信息分层管理与服务模式，其前端采用OpenLayers开源库接入谷歌、天地图、百度等提供的网络地图服务(Web Map Service，WMS)，并结合产业专家、植物品种等农业综合服务信息，利用Javascript API完成web页面的逻辑交互。后端运用基于微软的.NET技术的MVC框架，使用C#编程语言实现各类推广服务信息通道。在信息安全方面，数据传输采用MD5加密技术，较大程度上保证了数据的安全性。系统支持用户选择图层飞行定位到要素，方便浏览要素的基本或服务信息，具备调整图层要素的显示、隐藏及透明度等功能。利用分类编码关联地图分层管理与交互应用的方法，可有效集成矢量、栅格和专题等地图图层，实现多产业、多主题和多服务对象的科学快速可视化，支持茶叶、蔬菜、食用菌和再生稻4个产业的5个科研试验基地、20个区域示范基地和80个推广站点及相关信息(包括图片、文字、视频等)的在线浏览与动态管理，为农户学习、企业经营和个人应用等提供服务。

通过GIS地图图层关联各产业服务信息，用户也可以快速检索、分层浏览试验基地、示范区域、推广站点等已接入的视频监控及相关物联网监测采集的实时数据(图3)。支持通过面板操控设备和查看监测时间序列数据的统计信息，可综合多种不同类型的监测数据分析当前农业生产环境状态及其变化趋势。此方式具有简单直观、管理维护方便等特点，可向农户、企业、产业专家等提供直观、有效的信息服务。

图3 集成展示和管理科研试验基地中的实时监测视频及物联网监测数据Fig.3 Integrated display and management of a scientific research base by using the real-time monitoring videos and the Internet of Things monitoring data

2.2 农业技术推广展示系统后端数据管理与服务

通过农业技术推广展示系统的后端数据管理与服务页面，管理者可对需要展示的数据或内容执行编辑管理，具备对农业分类、农业知识、新闻公告、专家团队和物联网监控设备等管理功能，支持记录级的创建(Create)、读取(Retrieve)、修改(Update)和删除(Delete)，即CRUD操作(图4)。茶叶、蔬菜、食用菌和再生稻4个产业及其相关的农业知识包括作物品种、病害、虫害、草害、肥料、繁育、耕种、灌溉、贮运和加工等均按信息资源分类编码方式组织。当用户执行新增或修改操作时，系统会根据编码进行基本的数据校验。数据通过管理员审核发布后，综合信息服务展示系统即可向政府及企业管理者、农户等提供及时、有效的信息展示服务。除此方式外，系统还可通过调用Restful API接口与省农科院、农业厅和国家云服平台对接，实现数据更新。由于采用松耦合的方式，系统也可与H3C CAS云平台中的其他子系统(如调度控制中心、远程视频会议系统等)共享存储资源。

图4 农业技术推广服务展示系统后端数据管理Fig.4 Back-end data management of display system for agricultural technology extension service

3 结论

在农业技术推广信息服务平台中，展示系统是发挥“最后一公里”的关键，然而目前国家和其他省级平台基本都没单独构建基于WebGIS推广展示系统。相比而言，本研究基于上述系统设计，以“GIS+”模式为农业技术推广服务框架，完成14 064条产业数据的动态管理，存储约75 GB的视频、图片等相关数据，实现为各特色产业相关的农户及企业等提供技术支持与服务，具有以下特点。

(1)基于新推广服务模式构建了科技信息推广通道，集成运用云平台管理和物联网监测技术，并以“GIS+”模式向企业、农户等提供“一张图”信息展示服务，可以提高信息技术服务的品质和效率。

(2)提出按WebGIS地图分层提供不同主题和内容的农业技术推广服务方式，将资源信息分类编码与地图图层关联，可集成多主题、多类、多源异构数据和服务，具有简单直观、操作容易和管理方便等优点。

本系统将进一步结合农业产业基础和环境数据，研究对物联网实时监测数据的挖掘、分析和应用方法，帮助专家分析、企业监管和政府统计等，进而为各产业科研试验基地、区域示范基地、基层推广站点或农户等提供更及时、精准和高效的技术支持与服务。