基于GIS技术精准施肥系统的研制

时间:2022-07-10 12:50:00

基于GIS技术精准施肥系统的研制

摘 要:该研究是以淮上区数据作为数据支撑,依据国内外典型的精准施肥理论,以及计算机网络技术和3S集成空间技术,开发出基于ArcObjects与C#.NET的精准施肥专家系统。此系统可以让农民能够及时的、有效的收到来自施肥专家针对不同农作物和土壤现状提供的相应的施肥建议,同时还能为用户提供图文并茂的农业百科知识。

关键词:精准施肥;淮上区;GIS;施肥专家系统

中图分类号 S224.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2017)05-0108-03

Abstract:This research is based on Huai area data as the data support,based on the theories of domestic and foreign typical precise fertilization,and developing space for computer network technology and 3S integration technology,developed a precise fertilization expert system based on ArcObjects and C#.NET.This system allows farmers to receive corresponding fertilization recommendations from the fertilization expert for different crop and soil status in time and effectively,and also provides users with illustrated agricultural knowledge.

Key words:Precise fertilization;Huai area;GIS;Fertilization expert syste

1 引言

我国传统农业发展模式、经济效益和社会效益已无法适应和满足现代社会发展的需要,我们必须发展现代农业之路。实施精准农业项目可促进现代化农业[1]发展。我们可以根据农作物生长区域的土壤状况,掌握土壤的需肥规律,来调节肥料的使用分配,提高土壤的利用率,达到用最少的肥料创造农作物高收入的目的,同时还可以避免资源的浪费,改善农田的种植环境[2]。

2 研究区概况

系统的研究试用区域为位于安徽省蚌埠市北部,北纬32°57′~33°05′、东经117°14′~119°08′。它位于江淮分水岭末尾,是江淮丘陵与淮海平原的过渡地带。此区域内大多数的景观为平原、丘陵和台地三种类型,其中以平原为主,地势西北高东南低,自然坡降达1/10 000左右。该区域气候属于暖温带半湿润季风气候区,因为它位于亚热带与暖温带过渡区,所以兼具南北两方的特点。

3 研究方法

本次研究运用地理信息系统空间分析技术,对采样点各种土壤养分数据进行分析处理,形成栅格专题数据图层,并且利用系统开发软件,研制出精准施肥专家系统,用来实现对施肥建议模型的构建以及形成可视化的输出结果[3]。

3.1 土壤数据采集 首先采用GPS定位技术,在研究区内确定数据采集点,获取土壤样本,然后对采样点进行土壤化验,科学有效的测定出土壤pH值与样本中的有机质含量等,同时还包括部分重要微量元素的含量,最后将测得数据导入精准施肥专家系统数据库,作为系统的基础数据。

3.2 养分真实利用率[4] 依照施肥量、土壤养分减少量及作物养分吸收量,得出肥料养分使用率及肥料养分缺失率。

3.3 土壤养分分布 由于土壤养分的空间分布不仅需要考虑到样本值的大小,还需要考虑到样本的空间位置和样本之间的距离。因此我们决定运用地统计分析中的克里金插值法对样本值进行插值处理,得到土壤养分的空间差异分布结果。根据淮上区土壤养分分布现状,运用普通克里金法对土壤养分的空间变异特征进行研究,在其研究过程中利用半变异函数描绘土壤性质空间中的变异,从而反映出不同距离观测值之间的差异,即两点间差值的方差的一半[5]。

[r(x,h)=12VarZ(x)-Z(x+h)]

其中Z(x)cZ(x+h)为在点x与x+h处的区域变化值。

由此可见,半变异函数随着自变量x与h的改变而变化,当半变异函数r(x,h)仅与间隔h相关而与地点x无关时,r(x,h)可改写为r(h),即

[r(h)=12N(h)i=1N(h)[Z(xi)-Z(xi+h)]2]

式中,N(h)是间距为h时的样点对数,r(h)为变异函数,h为样本空间间隔距离,称为步长,[Z(xi)]与[Z(xi+h)]为在点[xi]与[xi+h]处的区域化变量值。r(h)的值在一定范围内随h的增长而增大,当测点的间距大于最大相关距离时,该值趋于平稳的静止状态。

4 系统设计

4.1 设计原则 系统的面向对象为农民,建设目标是根据地块现状实时为农户提供精准的施肥建议以及种植技术扶持,同时结合管理系统的现阶段发展状况和发展前景,设计出规范的具有科学性、先进性、易拓展和易操作管理等特点的软件系统。

4.2 系统总体框架 根据系统设计的需求,设计出系统的总体构架,主要分为如下几个逻辑层次:视图层(用户界面)、应用层(服务平台)、数据层(基础平台)和物理层(系统运行平台)。

4.3 界面设计 界面设计能协助农户实现简便、高效的操作,不需要感受后台繁琐程序的运行流程。同时由于用户的文化水平层次不齐且普遍不高,因此,界面设计应尽可能的简洁化。通过采用用户原则、数据最小量原则、帮助和提醒原则、媒体组合原则等组合最终设计出的系统界面主要分为:菜单栏、工具栏、属性栏、图层区、视图浏览区等。

4.4 数据库设计 本系统采用的关系数据库模型是SQL Sever 2008 R2。专家施肥系统属于典型的应用型信息系统,采用的是混合型结构对模型数据进行存储,可存储农作物的空间信息和属性信息。其中涉及的属性信息主要包括土壤养分、农业百科及历年参考数据等信息。

5 专家施肥系统

该施肥系统是基于组件技术ArcObjects与C#.NET的应用型软件,各组件之间可通过接口进行连接,因此保证了施肥系统的开放性与易拓展性(图2)。施肥模型的构建具有一定的针对性同时计算数据均由测站点测量处理得到从而保证了专家系统的准确性以及科学性。系统不仅可以提供精确的施肥建议,还能够为用户实时推送种植技巧以及田间护理方法等农业百科知识保证了系统的先进性以及实用性。在后期的系统运行中我们还会根据用户需求及时作出相应的修改措施,确保系统能够与时俱进为用户提供精准全面的农业服务。

系统的主要功能模块分别为:土壤养分、农业百科、施肥建议、历年数据。

5.1 土壤养分 土壤养分是植物生长过程中从土壤汲取的必须的营养物质。土壤养分模块主要包含地块信息、土壤属性、地块大量元素含量、地块微量元素含量以及养分平均值。以上数据信息作为施肥建议模块的源数据。

5.2 农业百科 农业百科模块包括种植技术、除草技术和病虫防害。其中种植技术可以为农户科普各种作物耕作、栽培的技术手段和操作技巧;除草技术可以帮助农户科学合理的应用生化技术科学有效的除草,保护农作物能够充分利用各类生长要素从而促进作物生长;病虫害可引导农户从农业、物理、化学以及生物等方面的技术措施减轻或防止病原微生物和害虫危害作物生长。

5.3 施肥建议 施肥建议模块是该系统的核心,包含肥料类别与参数、施肥量计算和肥料搭配方案三大方面的计算功能与编辑。系统可以根据当地的土壤养分现状和农作物所需养分数值计算出各元素的需求量,然后依据农户选择的肥料类型配比出最适宜的施肥量。

5.4 历年数据 农户可根据历年数据得出作物各阶段生长特性及季节性病虫害防治时间,从而科学有效地做好相关防治准备工作和应对措施。

5.5 系统实现

5.5.1 开发软件 Microsoft Visual Studio 2012。

5.5.2 服务器要求 操作系统Windows Sever2003以上的版本;数据库采纳SQL Sever 2008 R2;GIS软件ArcGIS 10.2、ArcGIS Sever 10.2、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

5.5.3 客户端要求 操作系统Windows XP以上、ArcEngine 10.2和.Net Framework 4.0。

6 结论

施肥专家系统,是利用地理信息系统强大的空间分析技术和组件式ArcObjects与C#.NET开发出来的一款软件,能根据采样点信息对区域的土壤养分数据进行科学的评估,同r根据农作物各阶段需求对农作物施肥提供全面、精确、有效的建议,确保农民能够根据土壤现状进行科学、有效的合理施肥。

虽然施肥专家系统能够利用施肥模型给用户提供科学的施肥配方,但配方的科学性仍会受到各环节数据准确性的影响,同时肥料的利用率还与地形地貌、降雨以及施肥方式等因素有关,因此后续的过程中我们仍需要根据具体问题在系统优化环节中做进一步的改进。

参考文献

[1]李廷轩.农业信息管理[M].成都:四川大学出版社,2001.

[2]周治国,曹卫星,朱艳,等.基于GIS的作物生产管理信息系统[J].农业工程学报,2005,21(1):114-118.

[3]李崇贵,陈峥,韦远鳎等.ArcGIS Engine组件式开发及应用[M].北京:科学出版社,2012.

[4]王火焰,周健民.肥料养分真实利用率计算与施肥策略.土壤学报,2014,51(2):216―225.

[5]汤国安,杨昕.地理信息系统间分析实验教程[M].北京:科学出版社,2002.

(责编:张长青)

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