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1. 引言

　　农业问题是全球可持续发展的基本问题，也是一个国家的基本产业。我国是一个人口众多，耕地面积不足，人均粮食产量较低的国家。农业的经营手段至今还没有完全摆脱传统的手工劳作方式，存在着经营规模小、技术含量低、投入与产出不合理等不利因素，并且严重地制约了农业的发展，国家粮食问题依然严峻。如果想在现有基础上使我国农业有较大的发展，必须依靠科技进步，必须增加农业的科技含量，使用高新技术对传统农业进行彻底改造。

　　3S技术（即遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS））作为信息技术的前沿，在农业领域即可以在农田土地资源调查、土壤侵蚀调查、农作物估产与监测等方面提供技术支持及解决方案，而且还可以在集约化农业和现代农业中发挥巨大作用，同时也是实施精确农业的核心技术。精确农业的核心思想就是根据精确定位测得地块内各小区影响作物生长的环境因素的空间和时间差异性信息，分析影响小区作物产量差异的原因，然后根据小区作物的不同需求，决定实际需要的投入（种　子、肥料、农药、灌溉用水等），以获得最佳产出，同时避免因对农田的盲目投入所造成的浪费和过量施肥、施药造成的环境污染。

　　精确农业技术在现代农业生产中的应用十分广泛。比如，根据土壤的需要使肥力的状况得到改善，根据病虫害的情况来调节农药喷洒量，不再耕种那些已经板结的土地，自动调节拖拉机的耕种深度等。美国是率先实施精确农业的国家之一。1995年，美国开始在联合收割机上装备全球卫星定位系统，通过电子传感卫星来定位，可以在一瞬间计算出收成量，在整个收获季节可以连续地记录下每平方米土地的产量及其他信息。将这些数据用专门的电脑软件经过计算机加以处理，农场就可以绘制出各地块产量的"数字地图"。经过逐年的信息对比，便能发现同一块地内，肉眼所觉察不到的那些变化。这为以后选种和提高土地的收益率提供了科学依据。我国?quot;精确农业"的试验上也取得了许多成功经验，为该技术的推广应用提供了必要的技术储备。国内外的实践表明，由于精确农业实行了因土而异、因时而异、因作物而异的耕作方法，因此，它在节约各种原料的投入、降低农业生产成本、提高土地收益率和环境保护等方面都明显优于传统农业。

　　我公司长期从事地理信息系统（GIS）的集成开发与推广工作，拥有稳定的开发队伍，在农业、国土、规划、应急、环保、电力等领域都有成功的范例。对于3S集成技术也有多年的实际应用经验，曾利用该技术在所开发的系统中实现了用地变迁分　析、土壤分类、作物分类与估产、灾害的动态监测等功能，在实际应用中取得了显著的经济效益和社会效益。具备实施大型专业网络地理信息系统的经验和技术力量，完全有能力实现"农业地理信息系统"建设的各项需求，我们将坚持先进性、科学性与经济性相结合原则，建立一个实用、高效的农业地理信息系统。

　　1.1 系统建设解决的关键问题
　　基于3S技术应用的农业地理信息系统需要解决的关键问题是如何在农业信息采　集、处理过程中实现RS、GIS、GPS有机结合。

　　具体分析，这种结合包括两方面
　　满足农业地理信息系统所需的3S技术功能的自适应融合
　　多源异构、空间与非空间数据以及基础空间数据与专题数据的一体化数据管理，即数据融合。

　　利用GPS和DGPS对采集的农田信息进行空间定位；利用RS获取农田作物生长环　境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息；利用GIS建立农田土地管理、自然条件（土壤、地形、地貌、水分等条件）、作物产量的空间分布等空间数据库，实现作物苗情、病虫害、墒情等发展趋势的动态监测和模拟分析，为分析农田的自然条件、资源有效利用状况、作物产量评估及时空差异性因素提供专业分析模型，并为实施调度调控提供辅助决策支持。

　　1.2 需求分析
　　地理信息系统技术、遥感技术、全球定位技术、数据库技术、计算机网络技术等的迅速发展，使3S应用于农业信息化建设的条件已经成熟。农业地理信息系统就是要将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机、自动化、通信和网络等技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科紧密地结合起来，在解决一系列关键技术和关键问题的基础上，形成一个包括对农作物、土地、土壤从宏观与微观的监测，农作物生长发育状况及其环境要素的现状进行定期的信息获取以及动态分析和诊断预测，耕作措施和管理方案的决策支持在内的农业信息系统。将传统的农业生产管理提高到一个以快速调查和监测、适时诊断和分析、高效决策和管理为标志的全新的与信息时代相适应的现代化农业的新阶段。在农业从耕地、播种、灌溉、施肥、中耕、田间管理、植物保护、产量预测到收获管理的整个过程中，采用遥感、全球定位系统、地理信息系统等先进技术，实现农业生产的信息驱动、科学管理、知识管理和合理作业。达到农业增产、增效和科学化管理的目的，适应未来集约化、现代化农业生产的需要。

　　具体需求和实现技术为：
　　建立覆盖一定范围内的农业信息采集系统。主要是通过遥感系统（RS）、全球定位系统（GPS）和固定的地理信息采集点收集土地利用现状、植被分布、农作物的生长情况、农作物的灾情分布、土壤肥力等多种信息。

　　在GIS平台上建立完善、权威的农业信息数据库和田间信息数据库。实现农业资源的核算、清查、评估和动态监测。GIS的一个显著功能就是具有强大的空间数据管理能力。农业信息具有数据量大、类型多、既具有空间分布特征又具有时态变化特征的特点，只有利用空间数据管理的先进技术，才能实现农业信息的无缝集成和建库管理，才能实现数据库的联动，从而维护数据的完整性和一致性。

　　由于RS能够以更快的速度、更高的精度提供全球性、重复性、连续性的农业信息数据。应用遥感技术和人工监测网络，可以对土地分布及变化、种植面积及种类的变化、土壤水分、主要农作物的长势与产量、自然灾害、农业资源、生态环境等进行监测、速报与预报。通过收集农作物、土壤、水分的反射率、发射能力、介电常数、纹理的特征等来获取这些农业信息。RS获得的时间序列图像，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息。在一季节中不同时间采集的图像，可用于确定作物长势和条件的变化。经过一定时间段的信息积累，利用GIS的三维虚拟现实技术就可以实现变化过程回溯的可视化表达。

　　建立完善的农业管理、分析与决策系统。通过该系统可以有效地管理具有空间属性的各种农业资源信息，对农业管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策；有效地对多时期的农业资源及生产活动变化进行动态监测和分析比较；可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，显著地提高工作效率和经济效益。

　　建立示范区"精确农业"信息系统。选择高标准农业示范田进行"精确农业"示范工程。把农业地理信息系统作为该系统的操作平台，提供对空间信息和属性信息的管　理、查询和分析功能。把决策支持的功能应用到田间管理，对地块小区的差异性进行定性和定量的分析。掌握作物生长状况，为农作物生产管理过程的各个环节提供科学的决策。

　　建立农业地理信息网站的WEB发布系统，同时开发相应的功能用于网页的管理和维护。要使农业信息与生产相结合，就必须搞好农业商品、技术的收集、传递、处理和利用等农业信息服务环节。在现有的网络条件背景下，依托地理信息系统建立农业信息服务网络体系，为农业发展提供实时、准确的农情、墒情和技术信息，提供网上农业耕作决策结果和农业专家知识查询，为科技农业提供决策支持，对促进农产品流通、提高农业生产效益，调整农业结构和布局等方面将有明显的推动作用。发布的信息包括农产品市场价格信息，农业技术信息，农业机械、生产工具信息，气象信息，技术培训与顾问咨询，精细农业指导，农业新闻，在线销售与拍卖，商品购买指南，其他信息。也可以将农业专题图根据需要向广大Internet用户直接发布，让他们了解农业某专题的历史、现状及可能的发展事态。

　　1.3 应用系统建设目标
　　农业地理信息系统建设的总体目标和任务是：采用先进的"3S"和空间数据库技　术，以计算机网络为基础，以数据库为核心，建立一个集RS、GIS、GPS、MIS、ES等技术于一体，准确、高效、快速、全面、规范的农业地理信息系统，形成农业地理　信息系统应用平台和应用体系。充分利用GIS的技术特点和优势，使农业资源信息采集、动态监测、分析、管理、决策与空间信息管理融为一体，直观、形象、动态地显示各种农业资源的空间分布状况以及变化趋势等。分析农业可持续发展与各种农业经济要素之间的内在联系，对农业生产行为和农业布局做出科学合理的分析评价，为农业决策部门、管理部门和有关机构提供农业资源管理与决策支持手段，为社会提供全方位的农业地理信息服务，从整体上提高农业工作的科学化、规范化水平。

　　具体而言，系统在功能和性能上应达到如下目标：
　　1. 通过遥感系统（RS）、全球定位系统（GPS）和各种农业土壤、作物测定仪　器，收集土地利用现状、植被分布、农作物的生长情况、农作物的灾情分布、土壤肥力等多种信息。建立农业信息采集系统，达到信息获取手段的可靠性、先进性和信息的准确性和适时性。

　　2. 系统建设以先进的GIS技术为基础，融合RS、GPS、MIS、WEB等技术，依托不断发展的计算机及网络技术，建立功能完善的农业资源信息管理系统，实现空间数据库与属性数据库的一体化、GIS与MIS的无缝集成，提供图文并茂的农业信息，达到技术先进性和功能完备性。

　　3. 综合运用GIS技术的交叉定位、逻辑查询及空间数据库的匹配等技术，通过网络互联或各级接口设计，实现农业信息的高度共享。

　　4. 提供强大的空间定位和分析能力，挖掘各类数据的内在联系，全面提升信息系统的应用水平和数据使用效率。

　　5. 提供直观、形象、方便、图形化的统计分析工具和显示手段，使系统具备强大的可视化分析能力。

　　6. 建立科学、合理的知识和数学分析模型，通过计算机分析或模拟、人机对话等，使系统具备强大的决策支持能力。

　　7. 系统提供严格的安全认证和权限管理机制，在物理网络、系统和应用三个层次上均具备良好的安全保密性。

　　8. 统一、简洁、友好的人机交互界面，最大程度地减少操作人员的工作量。

　　9. 系统具有良好的可扩展性、灵活性和健壮性。

　　10. 提供与其它相关应用系统（如：农业信息网络系统）和现有数据库良好的接口。

　　2 应用系统总体设计
　　2.1 逻辑结构设计
　　系统分为以下几个逻辑层次：信息表示层、系统功能层、辅助数据库层、专业数据库层、基础数据库层、支撑技术、标准规范及数据定义、软硬件网络配置。

　　3S技术在农业地理信息系统的支撑技术中起着核心作用，从数据的获取到数据的加工处理到数据的可视化表示，均需要3S技术的支持。农业地理信息系统是一种多技术支撑的复杂信息系统，要求在系统建设中采取最新的系统建设技术来最好地满足用户需求。

2.2 系统实体结构设计

　　该实体结构中略去了防火墙等硬件设施，具体情况参见网络设计方案部分。

　　2.3 软件体系结构设计
　　软件布局设置如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　图2-3 系统软件布局

　　3 系统功能设计
　　3.1 功能部件设计步骤
　　采用功能部件内聚与外松的原则，农业地理信息系统的功能部件设计需要如下的步骤：

　　1. 分析功能需求，按用户的详细功能需求，理解并列出每一项要求的具体含　义；

　　2. 抽象出功能部件（库），根据用户不同的业务范围，将功能部件库进行分　解，每个功能部件库中包含了解决用户特定需求的一组功能部件；

　　3. 设计功能部件的对外接口，对每一个功能部件，要求设计出具有广泛适应　性、标准的对外接口，以便功能部件的复用；

　　4. 测试功能部件，准备好测试数据，将单个（或简单组合的）功能部件按测试数据进行测试，观看是否按预期的目标输出；

　　5. 使用、组合功能部件，将各种功能部件组合成用户视图。

　　3.2 系统功能部件库构成
　　按系统功能要求，我们抽象出以下的功能部件。

　　1. 数据存取
　　说明：包括从服务器端将图形（包括矢量、影像和属性）数据调入客户端，并将最终结果存储到数据库中。

　　2. 监测点数据采集
　　说明：提供数据导入接口，用于将监测点测定数据和农业统计数据追加到服务器端的农情数据库中。提供单个数值转存和文件转存两种方法。

　　3. 农业专题数字制图
　　说明：根据用户输入的坐标点自动制作矢量图。

　　4. 空间数值内插
　　说明：该功能实际处理的是属性数据，但由于属性数据加上了空间地理位置的限制，故称为空间数值内插。主要用于对某些通过信息采集点的属性数据生成专题图，例如土壤养分分布图、土壤水分分布图等，它们都可以通过有限个采样点获取的属性数据进行空间插值生成分布图。

　　5. 属性高程模型
　　由二维的农业专题矢量图形转化生成能具有三维显示效果的属性高程模型的数据格式，属性高程模型的Z坐标为属性值而非高程值。

　　6. 三维显示
　　将DEM或属性高程模型以三维形式显示给用户。

　　7. 统计分析
　　说明：对农业资源质量、数量、农产品指标、各经济指标进行统计分析

　　8. 图表生成
　　说明：就统计分析结果生成各种报表、各种统计图形（饼图、柱图等），并可打印。

　　9. 基本图形操作
　　说明：提供图形、图像的基本操作

　　10. 制图输出
　　说明：显示农业专题图并打印农业专题图，农业专题图包括以矢量图、影像图和三维属性高程模型为基础的专题图。

　　11. 符号库管理
　　说明：对专题符号库进行增加、删除与编辑。

　　12. 农业数据查询
　　说明：对图形数据、属性数据、统计分析结果进行实时查询。

　　13. 决策模型：包括
　　a. 农业资源评估
　　b. 作物估产
　　c. 病虫害预测
　　d. 施肥决策
　　e. 灌溉决策

　　14. 智能农机接口
　　说明：决策支持系统中分析结果形成决策，决策驱动智能农机执行特定的任务，系统应包括智能农机接口，通过对该部件的直接调用，返回给智能农机执行任务的所有参数，如位置、行走路线、执行量（如施肥量、灌溉量）等，尽管智能农机执行的具体任务不同，例如有的喷药，有的施肥，有的灌溉，但它们都具有一个功能的特征参数，如上述的起始位置、行走路线、执行量等，故可以将智能农机接口抽象出来，开发独立的一个部件，用于执行各种任务。

　　15. 用户管理
　　说明：增加、删除用户；编辑用户的数据访问权限。

　　16. 元数据管理
　　说明：对数据库系统的元数据进行维护。

　　17. 数据编辑
　　包括对矢量图形数据与属性数据的编辑。

　　18. 数据维护
　　a. 数据导入
　　b. 数据导出
　　c. 数据备份
　　d. 数据恢复

　　19. 决策支持库管理，包括
　　a. 决策模型库管理，即对决策模型库进行增加、修改与删除
　　b. 决策知识库管理，即对决策知识库进行增加、修改与删除
　　c. 决策方法库管理，即对决策方法库进行增加、修改与删除

　　20. 联机帮助
　　另外，对于远程监测点的监测数据检查处理，我们开发一个小型的数据检查及数据转换接口，用于对农田测定数据（包括土壤和农作物的测定数据）进行初步检查和进行数据格式转换，以便在输入到中心GIS数据库前保证数据的正确性和数据格式的正确性。

　　3.3 子系统划分
　　分为五个子系统和一个数据处理工具：农业资源动态监测子系统、农业决策支持子系统、遥感影像处理子系统、农业信息展示子系统与系统维护子系统以及远程监测点数据处理工具。

　　农业资源动态监测子系统、农业决策支持子系统、农业信息展示子系统是农业地理信息系统功能的核心。各子系统间通过数据库建立连接。系统维护子系统主要包含两类功能：用户管理和数据管理。

　　在功能上，农业资源动态监测子系统的主要任务是从远程监测点获取监测数据（包括监测点获取的农业统计数据）、统计分析、影像及图形数据的浏览、制图（农业专题图）、三维显示、数据查询（可以从图形到属性或相反，也可以对农业经济指标进行查询），从而使用户能够对当前农业现状有一个全面的了解，农业决策支持子系统是在动态检测和遥感影像处理子系统提供的原始或经过分析处理的结果上利用系统提供的模型及方法对农业资源进行评价、预测，为决策者提供决策或农事操作的参考意见。农业信息展示子系统是面向Internet用户的展示农业发展历程和现状的应用子系统，系统能够以三维可视化的方式向浏览者提供丰富的内容，也能让用户进行信息的查询，农业信息展示子系统可以将最新的遥感影像数据以及动态监测数据提供出　来。系统维护子系统是系统运行的核心，既具有整个大系统的用户及用户权限管理的功能，要要对系统的数据进行维护。

　　4 案例介绍
　　广州市农业地理信息系统

　　广州市地处珠江三角洲中北部，南面临海，为冲积平原，中部是丘陵盆地，北部为低中山地；属亚热带季风气候，阳光充足，雨水充沛；物种资源丰富，适宜各种亚热带农林牧渔业生产。广州市农业结构及区域布局具有显著特点，集约化农业经济初具规模，是我国经济最发达地区之一。经过几年的建设，广州农业信息化建设的基础设施----农业信息网络已经建立完成。搭建了广州农业信息网络的基本框架，初步实现了广州市七个有农业的区、两个县级市及所属镇、农业龙头企业、农业现代化示范区、农村固定观察点、部分专业大户及中央、省、市各涉农部门间网络互联和数据共享。并确定了未来几年的农业信息化建设重点内容：大型农业信息资源数据库建设工程、农业地理资源信息系统（监测与速报系统、精准农业示范基地、计算机农业专家决策支持系统）工程、基于网络和多媒体的农业技术推广体系工程等等。在信息系统的建设上，广州市农业信息中心办公大楼内已经建立了局域网和广域网。有独立的Internet出口；有3台IBM的小型机作为WEB服务器和邮件服务器。目前分布在全广州地区具备网络设备并与Internet建立连接的信息点近300个。并且建立了广州农业信息网（www.gzagri.gov.cn）、广州农业电子商务交易中心网(www.abuya.com)、农业局办公自动化系统等。对广州市的农业现代化建设起到了强有力的支持作用。

　　然而现有信息系统提供的信息还局限于农业的部分数字和文本数据。由于没有建立起广州市农业资源信息数据库，农业主管部门还不能全面、及时的了解全市农业资源的整体现状和变化情况；还不能对全市农业土地利用及变化情况、各类作物的种植面积变化、作物的长势和产量评估等进行动态监测；还不能科学地对大面积土壤的理化特征和植物的生化指标进行有效监测，"精确农业"的农作决策也就失去了科学依　据。

　　广州市市委、市政府高瞻远瞩，瞄准了农业科技发展的前沿，提出了《广州市"十五"农业信息化工程建设计划》。本项目正是在上述背景下提出，拟建设一个集3S技术、计算机技术、通讯技术、农业技术和生物知识为一体的农业高新技术系统，广州市农业地理信息系统。相信经过多方面的不懈努力，系统必将如期建成，从而使广州市农业信息化建设再上一个新台阶。