基于GIS的农业生产基地空间数据库的设计与实现——以广西大容山农业基地为例

李卫宁 阮红群 Norriza Hussin 黄凤仙

（1.桂林理工大学南宁分校，广西 南宁 530001；2.南宁市土地开垦整理中心，广西 南宁 530001；3.SEGi University，Selangor，Malaysia，47810）

农业是世界上最古老的产业之一，约在一万年前，农业已在中国产生了［1］。随着农业现代化的推进和信息技术的发展，农业数据呈现数据量大、来源广泛等特点，农业数据使用和管理的不足［2］。地理信息系统（GIS）产生于20 世纪60 年代的加拿大，该系统初期是用于地质数据的图形显示［3］。GIS 技术自20世纪70年代后期到至今，应用于农业领域已有40 多年的历史［4］，在农业领域的应用主要体现在农业病虫害防治［5］、农产品估产［6］、农业区划［7］、农业灾害预测与治理［8］等。空间数据库是存储在计算机物理存储介质里一系列描述与实体空间特征相关的数据（空间数据）集合，描述现实世界中空间实体的空间特征（点、线、面实体的空间维度分布）和属性特征［9］。从功能角度出发，空间数据库的优势在于其不仅具备传统数据库存储和管理数据的功能，而且支持复杂对象的数据模型，满足了多源数据（GIS、GPS、RS）的存储、管理和可视化的需求，其在地图制图、区域规划、空间可视化、资源调查、农林等领域中被广泛应用［10］。将空间数据库技术应用于农业生产与管理是对农业数据空间化管理和可视化表达的一种尝试。

1 研究区域概况及引入数据库管理系统的必要性

以广西壮族自治区容县大容山内为对象进行研究，大容山属亚热带气候区，地表破碎程度较高，地块以小块分布的农田为主，降雨量丰富且年均积温较高，适宜从事农业生产活动［11］。从数据管理的角度出发，建立农业空间数据库具有一定的必要性：一是空间数据库具有良好的空间位置特征表达能力和空间自相关性描述能力。研究区的地块因自然因素存在着以下特征：各地块面积值差异化明显且存在较多面积较小的地块（据统计面积最大的地块约为0.2hm2，最小的地块仅为0.02hm2），同一农户所拥有的不同地块分布较分散。传统型数据库无法实现地块的空间位置表达，对于空间数据的存储局限性较大，而借助空间数据库则能实现地块空间位置和空间关系的存储，例如通过绘制地块的分布地图可实现地块的精确定位及地块之间相对位置关系的建立。二是农业数据具有数据量庞大、来源广泛、类型繁多的特点，据统计大容山基地每天记录的数据约为1000 条，来源于生产、市场、客户等方面，数据繁杂。传统的文件管理模式存在效率低下、数据安全性低等问题，而引入数据库管理系统进行农业数据的存储和有序管理可有效解决该问题。三是通过建立空间数据库可实现地块的位置信息和生产信息的相互连接，例如可以快速了解某个地块所种植的作物种类和产量信息，方便用户掌握生产情况，提高农业生产的管理效率和信息化表达水平。

图1 研究区概况图

2 设计原则

此空间数据库中的数据分为空间数据和属性数据两大类，包括基地地图、记录数据、统计图表等。空间数据库中的数据类型繁多、来源广泛、数据结构复杂程度高，为更好的满足用户对于数据存储使用的需求，其设计应遵循下列准则：

2.1 科学性

数据库建库应在科学决策思维的指导下，遵循科学建库的原则，按照数据库建库的流程和方法建立。数据库中数据组织结构应合理，数据采集方式应科学有效［12］。

2.2 规范性

为满足数据管理和数据共享，数据库建立流程应遵循规范，数据格式应遵循规范，数据采集方式应遵循规范。

2.3 共享性

此数据库中的数据面向所有用户，用户可在权限范围对数据进行操作。

2.4 安全性

应采取相应的安全措施对数据库中的数据进行保护，防止数据因人为或意外因素丢失、泄露、破坏等［13］。

2.5 实用性

数据库的功能应满足用户的需求，同时满足可靠性高、性能高、成本低。数据库应满足高可移植性、易扩容性、高备份性，便于数据库的迁移、扩展和数据恢复［14］。

3 数据来源

本研究的数据来源可按照以下标准分类：

3.1 按内容分类

基础底图数据：研究区的地形、道路、农田、卫星影像等数据。

农业生产数据：农业生产中产生的数据，包括天气、种子数量、肥料数量等。

3.2 按数据类型分类

空间数据：包括矢量数据（点，线，面状要素类数据）和栅格数据，其中矢量数据采用ArcGIS 的shp 格式，栅格数据采用img格式。非空间数据：包括文档数据和表格数据。

4 农业空间数据库的结构设计

4.1 数据库的分层设计

空间数据库的优势之一就是对其存储的数据进行分层设计，按不同数据类型的特点进行管理和处理。在本研究的数据库设计中，数据由空间数据、非空间数据两类构成。空间数据包括矢量数据和栅格数据，用来描述大容山农业生产基地中与空间位置有关的地物。非空间数据包括属性数据和农业生产数据，用于描述数据库中的空间数据和农业生产经营活动。数据库中的空间数据应采用统一的空间参考系，便于数据的可视化表达和空间叠加［15］，本研究采用WGS84为空间参考系，具体情况如图2所示。

图2 数据库分层设计图

4.1.1 空间数据 栅格数据：栅格数据由研究区的高分遥感影像和DEM 组成，栅格数据的入库包括数据预处理、栅格数据集的创立、数据导入等流程［16］。

矢量数据：矢量数据即经外业测量或内业数字化生产的研究区内农田、道路等地物，分为点、线、面三类［17］。矢量数据除了空间特征之外还要属性特征，即空间数据的描述数据，这部分数据将以关系数据库的形式存储。

4.1.2 非空间数据 非空间数据包括属性数据和农业生产数据。属性数据即与空间数据相对应的描述数据，如农田的编号、道路的名称等。农业生产数据即在农业生产经营中产生的数据，如作物生长状态、种子的用量，肥料的用量，产量，气象数据等。这类数据将单独输入数据库存储为属性文件，通过关键字与图形数据建立联系。本空间数据库的结构图如图3所示：

图3 数据库结构图

4.2 空间数据库结构设计

空间数据库中的数据分为矢量数据集、栅格数据集、元数据和文档数据等［18］，其中矢量数据集包括行政区划、道路、河流、农田界线、村庄等；栅格数据集包括DOM、卫星影像等。本研究的空间数据库引擎采用ESRI 的ARCSDE，ARCSDE 的数据存储是通过层表（LayerTable）、商业表（BusinessTable）、特征表（FeatureTable）及索引表（SpatialIndexTable）实现对空间数据的存储和管理，同时为了实现从空间到属性再从属性到空间的双向操作。ARCSDE 是通过空间数据表与属性数据表中的公共标识符来实现二者的联系［19］，本研究中空间数据的最基本组成单元是农田。在ARCSDE中农田的结构存储图如图4所示：

图4 农田数据ARCSDE存储图

农田与农业生产数据库中的表格如农田种植状态表、产量表通过关键字进行链接，实现数据的查询和使用。同时通过关键字的链接，可以实现将数据库和地图关联，将数据库中的记录显示在地图上，增加数据的直观性。农田与农业生产数据的连接如图5所示：

图5 农田数据与农业生产数据连接图

4.3 非空间数据库结构设计

此空间数据库的非空间数据选用关系型数据库进行存储、管理［20］。属性数据库的设计遵循关系型数据的设计步骤，分为用户需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。用户需求分析即明确用户对于农业空间数据库的用途和功能要求，文章主要采用座谈法和案例研究法确定用户需求。概念设计即通过分析用户需求将现实世界映射在信息世界中并形成E-R图，在E-R图的基础上进行逻辑设计即将ER 图进行优化组合并转化为DBMS 支持的逻辑结构，物理设计即在逻辑设计在基础上建立符合用户性能要求的物理数据库［21］。本研究的关系型数据库采用微软的SQL SERVER。

5 数据库功能设计与实现

5.1 农业空间数据库

基于上述的数据库设计的内容及用户需求，基于ARCSDE 的农业空间数据库包括的功能如下：（1）基础地图操作；（2）空间数据的属性操作；（3）图件输出；（4）链接农业生产数据。空间数据库的功能结构如图6所示：

图6 数据库功能结构图

（1）基础地图操作：农业空间数据库提供了对地图数据的常规操作，包括地图的放大、缩小、平移、量测、鹰眼等操作。通过点击工具栏上的可实现地图的放大、缩小和平移，通过工具实现距离的量测。

（2）空间数据库的属性操作：空间数据库的属性操作包括地块的属性查询和属性表的操作。属性查询通过对象识别工具实现，单击目标地块即可调用属性窗口显示目标地块的属性信息。属性表的操作包括属性信息的录入与修改、属性字段的添加、按属性选择、属性信息的导出与打印等操作，具体情况如图7所示。

图7 空间数据的属性操作

（3）图件输出：在布局视图中将空间数据库里的地图数据按照制图规范输出成规范化的地图，可进行展示和打印。

（4）链接农业生产数据：此功能实现将空间数据库中的空间数据与农业生产数据库中的非空间数据关联，并在地图上显示所关联的农业生产数据。此功能以地块为信息载体，根据用户需求，点击地块即可显示此地块所种植的作物及作物生长信息，它是通过空间数据表与属性数据表中的公共标识符即数据库中的关键字实现两者的联系。本数据库中所选用的公共标识符为地块编号这一字段，其具有唯一性且在空间数据库和农业生产数据库中均为各表格的关键字，具体情况如图8所示。

图8 链接农业生产数据库

5.2 农业生产数据的存储与管理

此功能实现了农业生产数据的录入、删除、查询、统计、数据导出等操作。用户通过点击相应的功能按钮可快速实现上述功能，具体情况如图9所示。

图9 农业生产数据库的存储与管理

6 结论

本研究以广西容县大容山农业生产基地为研究对象，探讨了基于ARCSDE 的农业数据库的设计与建立，从数据结构的角度出发，探讨了不同类型数据分层存储与管理模式。本研究的数据分为空间数据和非空间数据两大类，并存储于ARCSDE 中，非空间数据存储于关系型数据库中，同时从面向对象程序设计的角度出发探讨了农业空间数据库的功能。实践证明，农业空间数据库的建立实现了农业数据的有序存储、管理和应用，同时具备空间数据操作模块，如地块的精确定位与地块间空间相关性的显示、地块与农业生产数据连接，实现了地块信息的精确查找，各地块的作物种植和生长情况反馈等功能，增强了数据的可操作性和提高了农业管理的信息化水平。经实践，农业空间数据库的建立与使用实现了大容山农业生产基地历史数据的整理、存储和管理，对于农业数据的保存与使用提供全新的思路。农业空间数据库的运营与使用极大地提高了农业生产管理的效率，据统计在使用农业空间数据库后，基地的生产效率提高了约15%，同时实现了生产资料的统一调度和人力成本的节约高效利用。综上所述，农业空间数据库的建立对于农业生产经营具有积极的促进意义，也为基于GIS 的农业管理信息系统的建立提供了数据支撑。