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基于空间信息技术的数字农业研究

麻清源  
【摘要】: 在上海市农业现代化进程中,上海市政府决定把现代农业园区建设作为重要抓手。通过政府引导,企业化运作,使现代农业园区成为农业科技创新的基地、农业高新技术转化的基地、利用外资和先进技术的基地、先进农业装备推广的基地。论文是在《数字农业示范基地空间信息管理平台开发》项目工作基础上完成的。该项目是上海市科学技术委员会2003年度第一批重大科研攻关课题“数字农业若干关键技术”中的01子课题,课题编号为:03DZ19301,于2006年9月完成。 数字农业就是用数字化技术,在现代农业理论(农业与农业生态理论、农业工程技术理论、农业经济与农业管理理论)、现代管理方法的支持下,按人类需要的目标对农业所涉及的对象和全过程进行数字化表达、设计、控制、管理,其本质是把信息技术作为农业生产力重要要素,将工业可控生产和计算机辅助设计的思想引入农业,通过计算机技术、空间信息技术、网络通讯、电子工程技术与农业机械技术的融合,在数字水平上对农业生产管理、经营、流通、服务以及农业资源环境等领域进行数字化设计、可视化表达和智能化控制,使农业按照人类的需求目标发展。 通过大量国内外文献调研,追溯“数字农业”概念的根源,研究了“数字农业”与“精准农业”等概念的联系和区别,明确了“数字农业”概念、内涵和外延,提出了数字农业理论、技术体系框架,为数字农业研究奠定扎实且合理的基础。 论文基于空间信息技术,结合经典统计学方法、地统计学、多元统计分析、农业供养模型、决策支持模型,进行了数字农业地理信息系统空间分析与建模,分析了农业土壤养分的空间变异与空间分布特征,建设了库存最优化分析、番茄病虫害专家知识系统、变量推荐施肥、农业生产多要素多元回归分析等决策支持模块。 基于Geodatabase数据模型构建了数字农业数据库,将数字农业园区分为50个图层进行管理。在此基础上,根据中枢神经控制模型的框架结构,基于COM GIS、Web GIS,以及农业园区实际需要,建设了数字农业空间信息管理平台和数字农业决策支持系统。 在论文的研究工作中,得出以下结论与创新: (1)基于Geodatabase数据模型的农业空间数据库建设 基于Geodatabase数据模型,以及数字农业园区生产实践的需要,根据数据图元、要素、属性及关系类数据之间的关系,用UML类图表示图层之间的逻辑关系。将数字农业园区的空间数据共分为50个图层,为其它的数字农业空间数据库建设提供借鉴。 (2)构建了基于GIS的变量推荐施肥农业模型 对传统施肥模型“某肥料需要量=(目标产量下作物总吸收量-土壤当季供应量)/(肥料的养料含量当季利用率)”进行扩展,与GIS、GPS结合,构建变量推荐施肥模型。利用农工商现代农业园区的碱解氮、速效磷、有效钾数据,用Kriging插值方法进行内插,对比半变异函数模型的拟合结果,使用拟合最优的模型进行Kriging插值,生成土壤养分空间分布图。根据目标产量下作物生长的吸收养分模型、以及基于土壤养分空间分布的土壤供养模型,确定田间任意一点施肥量,也可以划分小区域进行指导施肥。 (3)不同采样间距情况下的土壤特性空间相关性与空间变异 分别采用了三种不同间距在园区进行规则采样,分别是:①57.7m;②横向(东西方向)57.7m×2,纵向(南北方向)57.7m;③57.7m×2。研究结果表明,在不同间距采样情况下,土壤养分具有纵向(南北方向)分布趋势,与园区内田块方向一致;各种土壤特性在不同采样间距情况下空间相关性强度排序基本一致,其中当间距为57.7米时,土壤特性空间相关性强度排序为SOM>P>N>PH>SALT>K;但在采样间距增大情况下,空间分布的纵向趋势逐渐降低,空间变异程度越来越小,当以57.7m×2为间距采样时,空间变异较小,已不适用于小区域变量推荐施肥。 (4)数字农业决策支持系统的建设与开发 基于变量推荐施肥模型、“报童问题”、多元回归分析、前向推理等方法构建了变量推荐施肥图的生成方法、库存最优化分析模型、粮食产量预测分析、番茄病虫害专家知识系统等决策支持模型,通过网络平台集成各决策支持模型,实现了数字农业决策支持系统,用户可通过互联网使用该系统指导农业生产。 (5)基于Web服务的权限控制方法 基于Web服务的权限控制方法是涉及一种网络权限控制与管理的机制级实现模块,该机制通过数据库、Web Service、客户端技术,以及用户交互界面协作建立起来的方便、安全、易扩展的网络用户权限管理与控制的应用系统。Web Service作为后台服务用于登录验证及权限管理功能,以及负责和数据库的通讯,采用JSF技术作为Web Service的调用客户端,降低了开发、维护和扩展的难度,并且提供良好的用户交互界面。Web Service可提供一套用以管理权限和用户权限验证的接口,这些接口能被VB、VC、JAVA等多种语言编写的各种应用调用,包括网络应用程序和桌面应用程序,另一方面,可调用这些接口的设备也是多样的,从PC到Mobile device都是可行的。 论文共分为八章,第一章主要综述了数字农业研究的背景和意义、数字农业国内外现状、拟解决的问题、主要研究内容和创新点;第二章详细地论述了数字农业概念、数字农业理论体系、数字农业技术体系与研究方法;第三章简要介绍了研究的关键技术与研究方法;第四章针对数字农业数据库建设的问题,简要介绍了数字农业数据的获取方法,以及数据库建设;第五章主要利用GIS、经典统计和地统计学等方法对土壤养分进行了空间分析与建模,建设了变量推荐施肥、库存最优化分析和专家知识系统等模型;第六章和第七章是在前面研究的基础上,建设了数字农业空间信息管理平台和数字农业决策支持系统;第八章为结论与展望。


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