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精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计_仇焕广

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第21卷第10期2005年10月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.21　No.10Oct.　2005

精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计

仇焕广1,2,邓祥征1,2,战金艳1,郭兆成1

(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;　2.中国科学院农业政策研究中心,北京100101)

摘　要:田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节。长期以来,困扰该环节的一个技术瓶颈是客户端实时数据采集与服务器端联动式决策的一体化处理。本文利用ArcIMS的技术框架,利用ArcXML语言,开发了适用于精准农业分布式数据采集、可独立运行、能实现空间决策分析的技术系统。系统由数据采集、数据处理、信息分析与智能决策4个模块组成。本文结合该系统在莱西市高科技农业示范园区的应用实例,揭示了这一系统的逻辑设计、物理实现、技术特色及主要功能。该系统的逻辑设计为精准农业园区高效采集、传输、处理信息和数据提供了一套可行的技术框架。关键词:精准农业;数据采集;空间决策分析;ArcIMS中图分类号:TP274.2 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2005)10-0109-04

仇焕广,邓祥征,战金艳,等.精准农业分布式数据采集与空间决策分析系统的设计[J].农业工程学报,2005,21(10):109-112.QiuHuanguang,DengXiangzheng,ZhanJinyan,etal.Designofadistributeddataacquisitionandspatialdecisionmakingsystemforprecisionagriculture[J].TransactionsoftheCSAE,2005,21(10):109-112.(inChinesewithEnglishabstract)

收稿日期:2004-12-03　修订日期:2005-03-27项目基金:国家自然科学基金项目(70333001和70021001)资助作者简介:仇焕广(1976-),男,汉族,山东青岛人,博士生,中国科学院地理科学与资源研究所,100101。Email:hgqiu.ccap@igsnrr.ac.cn0　引　言

随着人口增长对农业生产和环境压力的不断增加,

如何以最少的要素投入和环境污染实现最大化的产出

越来越受到人们的重视[1]。精准农业由于有效地利用了

现代信息技术,定位、定时、定量地实施一整套现代化农

事操作与管理技术,达到可持续农业生产的目的,日益

受到国内外的重视[2-6]。目前,精细农业在中国甚至世

界范围内还处在研究和应用的初始阶段,许多技术还不

完善。其中,如何准确反映参数的空间分布、如何实现田

间信息的快速采集和处理等技术的研究在精细农业相

关的技术研究中相对滞后,需要进一步深入研究[7,8]。

实现田间数据的快速采集和处理需要解决的一个

关键问题是实现数据的分布式采集和浏览器对矢量数

据的显示,以实现联动式决策[9-11]。本文采用ArcIMS

的技术结构体系,开发了适用于精准农业工程中的分布

式数据采集系统[12]。通过在莱西市高科技农业示范园

区的试用,发现该系统移植性强,对硬件的要求低。其基

于Web的特征,尤其是在数据采集与空间分析决策的

实时操作,以及基于矢量的数据传输技术具有一定创新

性,适宜在农业工程设计与实践中推广。

1　系统总体设计

系统是基于Internet、面向对象的分布式数据采

集、处理与智能决策系统。其技术内核是ArcIMS核心

技术。长期以来,数据的分布式采集与空间决策问题一

直是制约精准农业发展的技术瓶颈,系统主要技术突破

是利用ArcIMS的技术框架,解决了这一技术难题,为精准农业的数据采集与决策服务。

系统基本模块有4个:数据采集模块、数据处理模

块、信息分析模块与智能决策模块(图1)。数据采集模

块包括设备配置、信息读取与格式设置3个子模块;数

据处理模块在Web页面上实现了ArcGIS的大部分空

间分析功能,包括基于空间位置或属性信息的选择功

能,Web页面上信息的放大、缩小与平移等,所有这些

功能由3个子菜单管理:图幅裁减与空间合并、信息显

示、格式转换;信息分析模块有2个子菜单:缓冲区分析

菜单与邻域分析菜单,这两个空间分析功能是该系统实

现数据采集与分析过程的基础,也为该系统拓展其它功

能奠定了基础;智能决策模块主要包括日常管理决策、

优化管理决策两个子菜单,智能决策模块实际上实现的

功能是一种应急处理,主要应对突发事件的处理。

2　系统的功能实现与数据格式

利用ArcXML语言与面向对象的开发策略,通过

二次开发(利用ArcXML编写超文本文件,并提交到系

统编译,调试与运行)实现了系统4个功能模块的功能。

为实现精准的、基于空间的智能决策,选择了矢量格式

作为数据的存储格式,使空间定位信息仅仅依赖于数据

采集与记录精度的制约,提高了智能决策的精度与效

率。

2.1　系统功能实现

该系统充分利用了ArcIMS本身负载的客户端功

能。HTMLViewer用来获取基于图像的地图和表格数

据,通过它可以实现图形和属性的交互,并可以嵌入到

任何HTML站点来为用户提供动态、集中、互动的地

图服务。JavaViewer包含了丰富的GIS工具,都支持

要素流,因此可以使用一些GIS功能,如移动地图显示

窗口、查询空间及属性数据等。当使用的是标准客户端

浏览器,且在服务器端设定该页面使用FeatureService

时,上述两个功能的实现可以分两种情况:1)如果操作109所需要的数据已经传递给客户端并位于客户端缓存中

了,则依靠浏览器自身读取数据并按照要求予以显示;

2)如果数据还没有或者没有完全传递给客户端,则客户

端向服务器发送新的请求,完成这一操作。当在服务器

端设定该页面使用ImageService时,则每一次操作都

要向服务器发送新请求,由服务器生成新的图像传回客

户端予以显示,如缓冲区分析、距离量算、增加诸如文

本、图像或图形一类的MapNotes,都可以传到客户端并显示在地图上,以供实时察看。同时,该系统还可以创

建EditNotes,保存成地图的空间和属性数据并提交服

务器,向服务器端提供决策信息。由于所采集的数据都

是基于空间的,这为实时空间定位与对采集到的数据进

行图形化表征提供了一个运行效率高、操作简便的接

口。ArcXML技术在系统中作为一条“链子”,把客户

端、Web服务器、应用服务器端、空间数据服务器端紧密链接在一起。

图1　莱西市高科技农业示范园区分布式数据采集与空间决策分析系统主界面Fig.1　MainwindowofthedistributeddataacquisitionandspatialdecisionmakingsystemofLaixiHigh-techAgriculturalDemonstrationZone

2.2　矢量数据格式

系统使用ShapeFile的数据文件格式。具体数据的调用过程是FeatureServer服务器从Shape文件数据

集读取数据,并转换为经过数据压缩和流化的矢量格式

(ArcXML)传递给客户端;QueryServer查询功能用来

返回对空间和属性数据的查询结果。系统同时利用了

ExtractServer的功能,根据客户端的请求,从服务器端

(Shape文件)抽取指定的数据,把该数据以压缩过的

Shape文件格式返回给客户端,就可以实现信息的职能

决策。

3　系统功能与应用实例

莱西市高科技农业示范园区占地320亩,其中40

亩的花卉和苗圃作为精准农业示范区,本系统的设计目标是为实现该苗圃的精准种植、信息化管理服务。花卉、

绿化林木对土壤的要求较高,土壤的环境、质地以及微

量元素的含量直接影响了花卉和林木的生长状况。土壤

信息的采集和花卉、苗木的生长状态实时监测是该系统在功能设计上优先考虑的重点。从土壤信息的采集上

看,该系统可以采集土壤无机盐、金属离子、阴阳离子及其酸碱度信息,并将该信息与样点的位置信息结合起来

(表1),为精准决策提供基础信息。表1　系统采集的部分土壤信息及其与位置信息的配准

Table1　Spatialregistrationforthecollectedsoilinformation

样点编码经度/s纬度/s硫酸根阳离子阴离子pH值铁离子(Fe3+)14.6657.550.000.780.827.4826.0324.6957.590.070.970.957.5326.6434.7357.620.151.161.087.5827.2444.7657.660.221.351.217.6327.8554.8057.700.291.531.347.6828.4664.8457.730.361.721.477.7329.0774.8757.770.431.911.597.7729.6784.9157.800.502.101.727.8230.2894.9457.840.572.281.857.8730.89104.9857.880.652.471.987.9231.50115.0257.910.722.662.117.9732.10125.0557.950.792.852.248.0232.71135.0957.980.863.032.378.0633.32145.1258.020.933.222.508.1133.93155.1658.061.003.412.628.1634.53165.2058.091.073.602.758.2135.14……………………　注:经度与纬度栏分别省略了120°28′与36°56′的经纬度信息。110农业工程学报2005年　3.1　系统的分布式数据采集功能

基于ArcIMS的软件的Client-Server信息应答

与传输机制,系统可以实现分布式数据采集。信息采集

的对象包括作物生长环境、作物从播种、施肥、灌溉一直

到收获的全部信息。以土壤环境参量的相关分析为例,

采用该系统可以便捷地实现土壤两类信息的采集:对土

壤质地、微量元素含量等一些长期相对稳定的土壤变量

参数,利用基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营

养元素测定仪,进行月度与季度的抽样测量,并将获得

的信息输入到利用GPS获得的定位矩阵中,形成空间

决策的背景知识。系统通过菜单设置,预留了与信息采

集硬件的接口。实际应用中,该菜单包括了设备配置等

相关配置信息,实现了与GPS多天线数据采集与控制

系统的接驳。GPS多天线数据采集控制系统,是基于

PC/104嵌入式计算机控制系统。一点或者多点信息采

集完成后,定位信息被转存到系统的定位矩阵中。图2

显示了系统在服务器端对莱西市高科技农业示范园区

一个地块进行数据采集(土壤硫酸根离子含量)的实时

界面。图中将探测地块的硫酸根离子的含量分成了10

个级别(0.00～0.10,0.10～0.22,0.212～0.32,0.32～

0.43,0.43～0.54,0.54～0.64,0.64～0.75,0.75～

0.86,0.86～0.97,0.97～1.08),并分级显示出来。从图

上可以看出,探测地块的硫酸根离子的含量有从西南向

东北递减的态势。对于氮、磷、钾、土壤水分等中短期土

壤变量参数,系统主要利用GPS定位实时实地监测,并

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中国农业生态效率的空间关联及其影响因素分解

中国农业生态效率的空间关联及其影响因素分解

DOI: 10.13546/ki.tjyjc..2021.15.013统1观察

中国农业生态效率的空间关联及其影响因素分解徐维祥\郑金辉、李露、刘程军2(1.浙江工业大学经济学院，杭州310023;2.浙江工业大学之江学院，浙江绍兴312030)摘要：文章采用SBM模型、差异指数、马尔科夫链等方法，探究中国农业生态效率的空间关联特征，并通 过空间计量模型分析其影响因素。结果表明：中国农业生态效率区域差异明显，整体上存在“W”型波动规律； 高效率省份主要分布于东部地区，中高效率省份主要集中在中部地区，中低效率省份数量逐渐减少，低效率省 份主要分布在西部地区；各省份农业生态效率具有稳定性，整体上向上转移的概率较高，而发生跨越式转移的可 能性较低;农业生态效率存在正空间自相关性，财政支农、研发投入、农业受灾率、农业人力资本不仅对本地农业 生态效率产生影响，还能够通过溢出效应作用于周边地区，工业化水平、农业机械密度仅存在显著直接效应。 关键词：农业生态效率；空间关联;SBM模型；马尔科夫链；空间杜宾模型 中图分类号:F304.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6487(2021)15-0062-030引言改革开放以来，中国经济发展水平持续提升,农业经 济也取得了巨大成就,农业生产总值年均增长率在10%左 右。以往粗放式的农业生产方式带来了一系列诸如土壤 地力下降、农业面源污染、自然资源浪费与生态效率低下 等问题"_21。与此同时,农业高质量发展是实施供给侧结构 性改革的重要举措,将资源环境约束纳人农业生产的范 畴,适应了我国提升农业生态效率的迫切需要。此外，随 着刘易斯拐点的出现，中国赖以发展的人口红利逐渐消 失，单纯依靠增加劳动力和物质资源等传统生产要素投人 的发展模式已难以持续131。因此，在实现农业经济增长的 同时如何避免资源过度消耗、统筹环境保护问题，从而提 升发展的速度和质量，成为目前亟待解决的问题之一。国外学者分别从微观和宏观层面对农业生态效率展 开了不同程度的探索。国内学者对中国农业生态效率的 水平|41、时空分异1561等方面进行了研究。而推进农业现代 化是提高农业生态效率、实现农业高质量发展的重要保 证但各种影响因素在空间邻近性下的综合作用还值得 进一步探讨。已有研究成果提供了十分有益的借鉴，但仍存在一些 薄弱环节:在研究内容上，鲜有文献从动态演进角度对农 业生态效率的空间关联特征与转移趋势进行深人探讨。 在研究方法上，大多采用随机前沿法(SFA)、数据包络分 析(DEA)测度效率值,但没有考虑生产过程中的非期望产 出；此外，已往相关研究大都采用普通线性回归分析影响因素，忽视了空间依赖性。鉴于此,本文采用考虑非期望 产出的SBM模型测算中国农业生态效率，在揭示空间关 联特征的基础上，采用空间计量模型对其影响因素进行分 析，以此丰富现有研究以及为农业高质量发展提供参考。1研究设计1.1研究方法(1) 非期望产出SBM模型Tone于2001年提出了 SBM模型|81,他将松弛变量加入 目标函数，有效解决了投入松弛性问题和包含非期望产出 的效率评价问题，更能准确测度生态效率。(2) 区域差异指数区域差异指数主要有泰尔指数（TEL)、变异系数 (CV)、赫芬达尔-赫希曼指数(HHI),考虑到单一指数可 能会存在一定的偏差,本文采用熵权法对三个差异指数赋 权，综合得出总体差异指数(0DI),更能全面地反映农业 生态效率的差异程度。(3) 马尔科夫链马尔可夫链通过构造状态转移概率矩阵来测量事件 发生的状态及其发展变化趋势，假设为某地区农业生 态效率从f年到？+1年由状态Z转移到状态y的概率，可 采用转移的频数近似估算状态转移概率=〜/«,，其中， %表示在研究期间内从r年到1年由状态/转移到状 态y的省份数量，表示处于状态/的省份数量。(4) 空间计量模型基金项目：国家社会科学基金重大项目（18ZDA045)作者简介：徐维祥（1963—），男，浙江东阳人，教授，博士生导师，研究方向：经济地理、生态经济。(通讯作者）郑金辉（1995—），男，河南周口人，博士研究生,研究方向：区域经济、生态经济。 李露（1993—),女，江苏扬州人，博士研究生，研究方向：产业经济学。刘程军（1987—),男，湖南邵阳人，博士，副研究员，研究方向：产业集聚创新。62 统计与决策2021年第

基于林调通软件与无人机技术的林业调查规划方法设计

基于林调通软件与无人机技术的林业调查规划方法设计

第58卷 第4期 广 东 蚕 业 Vol.58,No.04 2024年4月 GUANGDONG CANYE Apr. 2024

·59· DOI：10.3969/j.issn.2095-1205.2024.04.19

基于林调通软件与无人机技术的林业调查规划方法设计

王 鹏

（甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心康乐自然保护站 甘肃张掖 734000）

摘 要 常规的林业调查规划方法受地理、气候的影响，存在耗时长、准确性不高的问题，文章设计了基于

林调通软件与无人机技术的林业调查规划方法。基于林调通软件生成林业调查规划地图，将林业调查区域的信

息要素绘制到图面上；建立林业调查规划空间数据库，处理无人机采集的遥感图像，在林调通软件中创建裁剪

图层，确保林业图像的实时更新；通过实验结果对比分析，验证了该方法具有较高的调查准确性。

关键词 林调通软件；无人机技术；林业资源；林业调查规划；方法设计

中图分类号:S757.4 文献标识码:B 文章编号:2095-1205(2024)04-59-03

林业调查规划是林业资源管理的重要组成部分，

有助于林业部门了解和掌握林业资源的分布、数量、

质量和利用情况，为林业资源的合理开发、利用和保

护提供了科学的依据。通过林业调查规划，还可以对

森林灾害进行预防和治理，根据森林资源的监测和分

析结果，可以及时发现和解决森林病虫害、火灾等问

题，保障森林资源的安全。

随着社会经济发展和生态环境恶化，林业调查

规划的重要性日益凸显，相关学者也设计了一系列

的规划方法。其中，基于ArcGIS地理信息系统软件

的林业调查规划方法，与基于无人机航拍与ArcGIS

的林业调查规划方法的应用较为广泛。基于ArcGIS

地理信息系统软件的林业调查规划方法，主要是利

用ArcSDE、ArcIMS、ArcGIS等软件，制作林业调

查规划地图，并对林业调查规划数据进行空间数据

管理[1]。利用ArcGIS地理信息系统软件，可快速完成

精准施肥决策模型与数据库系统

精准施肥决策模型与数据库系统

精准施肥决策模型与数据库系统

马晓蕾;范广博;李永玉;徐杨;彭彦昆;汤修映

【摘 要】以华北地区小麦及玉米为研究对象,以北京市昌平区崔村镇大辛峰村种植区为例,研究了精准施肥决策系统中施肥参数,并建立了相应的数学模型.将算法模型与数据库相结合,采用线性回归的方法,计算施肥时土壤对氮、磷、钾的需求量,利用二维插值的方法,建立了实验区中已知肥力样点与区域内未知肥力样点的相关关系,从而建立了土壤肥力查询数据库.通过以上方式,结合土壤的养分含量、作物种类及目标产量等相关参数来确定实验区域的施肥量.结果表明,该系统可实现施肥量的精确控制.%Northern region wheat and corn were taken as the research main

bodies, and the field of Da Xinfeng village in Cuicun Town, Changping

District, Beijing was taken as an example, the parameters of precision

fertilization decision-making system was researched and corresponding

mathematical model was established, the algorithm model and the

database were unified, linear regression method to calculate fertilizer

needed like N, P, K of soil was used. Two-dimensional interpolation

method was applied to calculate unknown point of the region with the test

基于光纤通信的分布式高速高精度数据采集系统设计

基于光纤通信的分布式高速高精度数据采集系统设计

第１２卷第１２期　２０１０年１２月　电子元器件丕用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．１２　Ｄｅｅ．２Ｏ１０　

ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／］．ｉｓｓｎ．１５６３．４７９５．２０１０．１２．０１９　

基于光纤通信的分布式高速高精度　

数据采集系统设计　

孙高建　，朱洪兴　

（１．电子科技大学微电子与固体电子学院，四川　成都６１００５４；　

２．北京世纪兴元科技发展有限责任公司，北京　１０００８６）　

摘　要：介绍了一个高精度、高信噪比的远距离分布式多通道数据采集系统的设计方法。该　系统由前端采集模块和后端解算卡组成，其中前端分布式采集模块负责对模拟信号进行采样　

并在抗混叠数字滤波后，通过光纤通道将数据传给后端的实时解算卡做进一步的并行解算与　

分析处理。经最小二乘曲线拟合法测试表明，该采集系统的采样误差小于０．１％。　关键词：光纤通信；分布式；高精度；数据采集；ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩＥｘｐｒｅｓｓ　

０　引言　

瞬态信号捕获的测试测量工程应用中，通常　

要求测试设备能够满足高速高精度的数据采集任　

务，同时被测量信号应分布在一定距离范围内。　

这就要求测试设备能够执行分布式的采集与传输　任务。此外，每个分布点的模拟信号可能有多种　类型．因此，单个分布点处的采集模块又需要多　

通道并行采集。为此，本文给出了基于光纤通信的　

高性能分布式数据采集系统的设计方法．同时描　

述了设备的设计、实现及其采样精度的验证方法。　

１分布式系统架构　

本系统的整体结构分为前端和后端两部分，　

前端是分布式的采集模块，后端采用改进的　Ｃｏｍｐａｃｔ　ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ背板传输结构，两部分之间　

通过光纤通信，图１所示是其结构示意图。　在系统前端，采样点分布在较长距离范围　

内，每个采集模块的设计集成了六个通道，每个　通道的１６位ＡＤ采集率按要求要达到４ＭＳＰＳ，总共　

的数据量可达到４８ＭＢ／ｓ，如此大的数据量，一方