论GIS和模型的种植系统设计
摘要：本研究在总结、提炼相关农业种植设计理论与技术研究成果的基础上，运用系统分析原理和数学建模技术，构建了生态区划、种植制度设计、精确管理和生产力分析的定量化农业管理知识模型。并运用软构件技术，基于GIS空间信息管理平台，建立了数字化的基于GIS和模型的种植设计系统。系统实现了区域性种植信息的规范化管理及不同层次下的农业种植制度设计与管理，具有文件管理、地图操作、信息查询、生态区划、种植制度设计、精确管理、生产力分析、专家咨询、系统维护以及系统帮助等主要功能。以江苏省为案例区，对系统进行了初步的实例分析，结果表明，系统有效地实现了种植设计功能，从而为农作物种植设计的定量化和数字化奠定了基础。关键词：GIS，模型，种植设计，动态知识模型，软构件技术，数字化农业
0引
言种植设计与管理既是区域农业微观管理又是区域农业宏观调控的重要环节和基础，因此如何科学有效地进行种植设计是亟需解决的重要问题之一11,21。计算机技术的发展及其在农业上的广泛应用，使得种植设计与管理的科学化和智能化成为可能，如专家系统的迅速发展及其在农业生产管理中的广泛应用，极大地促进了种植优化设计研究工作的发展。然而，传统的种植设计系统仅仅包含了许多具有较强地域性和时间性的专家经验和参数，限制了不同区域条件下种植设计的广适性和准确性。近年来兴起的农业管理知识模型，通过解析农业生产管理及种植设计与环境之间的定量化关系，可解决传统的种植设计系统所存在的缺点，为区域农业种植的管理决策提供更为可靠的方案。同时，GIS技术的发展为管理具有时空性、动态性的种植信息以及结果的可视化展示提供了良好的管理平台。虽然目前国内外关于模型应用于农业种植设计方面的研究较多，但是综合应用GIS和知识模型来研制开发智能化、数字化的农业种植设计系统的研究还是比较少见到。
本研究的目的即是在运用系统分析原理和数学建模技术基础上，通过总结与提炼相关农业种植设计理论与技术研究成果，构建具有较强科学性和通用性的区域农1．1数据库数据库包括属性数据库和空间数据库，两数据库之间通过关联字段(StaiD)来实现关联。
1．1．I属性数据库属性数据库由农业种植信息等基础数据组成，包括以下几类信息数据。
气象数据：存储不同年份全年逐日气象数据，主要包括地区名称、SmID、日期、日最高气温、日最低气温、日照时数、降水量等。
土壤数据：存储反映不同地区土壤特征的数据，主要包括地区名称、SInID、土壤类型、土壤肥力、土壤含水率、有机质含量、全氮含量、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、pH值等。品种数据：存储不同作物品种的遗传特征参数，主要包括作物名称、品种名称、品种类型、产量及产量结构、品质指标、收获指数、抗病性、生育期天数、种植区域等。
农村种植信息数据：存储农村劳动力，农作物种植面积、产量、市场价格，林业、渔业产品产值，农村经济收入，农民收入、消费和生活情况及SmID等。
相关评价标准数据：包括种植制度评价标准参数数据表和环境质量评价标准数据表2类数据表。第一类数据表包括种植作物不同生育阶段温度、光照、降水的5个基本点值。第二类数据表包括3类数据，即中华人民共和国国家标准中的土壤环境质量标准(GBl5618—1995)，包括的土壤监测凶子为：Cr、Cd、As、Pb、Hg、六六六、DDT、Ni、Cu、Zn；农田灌溉水质标准． (GB5084—1992)，包括的农田灌溉水因子为：生化需氧最、氟化物、Hg、C，、Cd、Pb、As、氯化物、粪大肠菌群、总氰化物：环境空气质量标准(GB3095--1996)，包括的大气因子为：S02、NOx、氟化物、TSP。
1．1．2空间数据库空间数据库主要存储描述区域所处位置的空间信息。根据SuperMap Objects 5．0组件所支持的空间数据格式，本系统的空间数据库由SuperMap Deskpro桌面软件生成，具体包括面数据和文本数据2类数据。
1．2模型库该库由一套用于农业种植设计方面的管理知识模型组件(d11)组成，包括作物栽培管理知识模型、种植制度设计模型和牛态区划模型3类模型(模型的主要内容见图2)。模型组件采用Microsoft Visual Basic 6．0语言开发实现，符合COM标准[16,17]，组件注册后，就可以被调用。
其中，作物栽培管理知识模型，是在广泛收集及充分理解和分析作物栽培管理专家知识和经验的基础上，利用作物栽培理论与技术方面的研究资料，并结合必要的试验支持，借助系统分析原理和数学建模技术，对作物生育及栽培管理指标与品种类型、生态环境及生产水平之间的关系进行解析、提炼和综合，建立定量描述作物生育及管理指标与环境因子动态关系的模型算法，并且应用构件化技术建立作物栽培管理知识模型组件。在本研究中丰要用于农作物种植的精确化管理。
种植制度设计模型，即按照农业专家进行种植制度设计的技术环节和思路，以不同的单个农作物为基本单元，以作物牛长气候边界的确定、作物生态适应性评价、熟制安排及作物结构优化为目的，将作物的生态特性、熟制设计的牛态条件、作物生产的社会与经济水平等方面的理论和技术进行高度总结和提炼，并运用统计学、模糊数学、运筹学等手段，构建出不同层次、不同内容的作物周年种植的数字化设计模型16J。在本研究中主要用于农作物种植制度设计。
生态区划模型包括种植区划、优质区划和安全区划三个子模型。其中：种植区划子模型是以优化利用种植业资源为目标，通过解析作物种植与生态环境、品种类型及社会经济条件之间的定量化关系而建立起来的区划模型，可用于作物的气候及士壤适应性评价，以确定作物的种植适宜度；优质区划子模型即通过不同类型作物(水稻、小麦)品种在小同牛态点不同播期条件下的种植试验，对不同作物籽粒品质指标与纬度、海拔、抽穗后温度和太阳辐射等气候生态因子的相互关系予以解析和量化，并引入不同品种的遗传参数，确立影响籽粒品质形成的主要气候生态因子函数，并使用权重系数来进一步修订各气候生态凶子对籽粒品质指标的作用，构建出基于生态效应(主要气候生态因子函数)的粮食作物籽粒品质预测模型来进行区划；安全区划子模型是在确立农田生产环境质量评价方法的基础上，以国家农业环境质量标准为依托，以模糊综合评价法及改进的标准赋权法与层次分析法相结合的权重确定法为量化手段，通过建立农田生产环境质量评价模型，来对环境质量的优劣给予定量的描述和评价。
1．3 GIS组件根据本系统的开发目标及技术要求，并考虑到软件的性价比及技术支持，选用了北京超图地理信息技术有限公司开发的SuperMap objects作为本系统的GIS平台，它是基于ActiveX／COM技术开发的组件式GIS，通过添加图形口f视化、空间数据处理、数据分析等操作，以控件的方式为系统提供GIS服务，可实现系统种植信息的管理以及结果的可视化展示，如单值及分段专题图展示等。它可以Microsoft Visual Basic 6．0语言进行GIS组件的调用及二次开发，同时可与农业管理知识模型进行有效的结合。
1．4人机接口系统的人机交互界面由主窗口、子窗口、对话框和窗体控件4部分组成。主窗口负责引导用户选择功能菜单；子窗口用于接受用户信息输入和显示模型运行结果；对话框主要给用户提供系统运行中的出错信息；窗体控件所提供的下拉菜单、工具条、表格和图形等町与用户进行交互，用户只要根据屏幕提示，通过简单的鼠标点击或快捷键敲击进行逐级菜单的选择，即可完成系统界面的参数输入、模型运行结果与决策信息的生成。
2系统的主要功能与技术原理系统实现了文件管理、地图操作、信息查询、农产品生态区划、种植制度设计、精确管理、生产力分析、专家咨询、系统维护以及系统帮助等功能(图2)。
2．1文件管理主要包括电子地图的打开、保存、关闭及退出等操作。
2．2地图操作主要包括地图放大、缩小、漫游、面积量算、鹰眼显示，以及地图绘制、图层管理等基本操作。
2．3信息查询主要包括点位查询、专题查询和逻辑条件查询。点位查询：利用交互方式通过点选或拉框选择指定位置，查询相应地理位置的种植信息；专题查询：可按不同的 专题(品种、土壤及种植信息等)进行分类查询；逻辑条件查询：根据用户给定的一个或多个条件，查询符合条件的属性信息，并在地图上标注出符合条件的区域位置。2．4生态区划种植区划：系统根据决策地的气象、纬度和土壤数据来确定该地可种植的作物；然后根据决策地具体的光照、温度、水分、土壤等，进行具体作物的气候和土壤适应性评价来得出农产品种植区划图。
安全区划：依据模糊综合评价方法，以国家农业环境质量标准为依托，根据决策地的主要种植方式(水田、旱地)及环境质量监测数据，为用户进行农田土壤、灌溉水和大气环境质量评价以及种植环境综合评价，可得出该地农产品种植环境质量等级区划图。具体算法见文献。
优质区划：通过解析和量化作物品质与气候生态环境因子的相互关系，以决策地的气象数据及作物品种遗传参数为基础，再根据该品种在决策地预期的开花和成熟期，为用户进行品质生态预测，并给出该品种在该地的品质等级区划图。
2．5种植制度设计该功能模块以优化利用种植业资源为目标，通过解析和综合种植制度指标与生态环境、品种类型及社会经济条件之间的定量化关系，构建了种植制度评价动态知识模型，实现了以下功能。
作物适应性评价：根据决策地的气象和纬度数据确定该地可种植的作物，再根据决策地具体的光照、温度、水分、土壤及社会投入状况等，进行具体作物的气候及土壤适应性评价，并给出综合适应性评价结果。
例如：在对作物进行气候适应性评价时，首先选择生态因子中的逐日平均气温、日照百分率、日照时数、曰降水量和旬>5 film降水日数5个指标，通过调用气候生态适应性评价模型来进行作物的适应性评价。评价模型依据模糊数学原理，即将作物的整个生育期划分为不同生育阶段，求出各生育时段的起止日期，然后将各生育期最佳的气候指标值与作物各个生育时期的实际气候指标进行比较，求出作物每个生育时期各气候要素的隶属度值，再运用综合适应性指数计算模型求得作物的气候适宜度。其中，作物生育期的划分运用世界粮农组织(FAO)提供的方法，依次分为以下几个阶段：出苗期、营养生长期、穗(花)分化期、开花期、结实期。具体模型算法见文献[6]。
周年组合设计：基于复种知识原理，从热量、水分和水热综合3个水平分别计算不同熟制类型下的复种指数，结合作物种植适应性评价结果，为用户进行合理的作物组合设计。
种植制度效益分析：根据作物学、牛态学、系统学、模糊数学和农业经济学等理论建立数学模型来进行种植业系统的风险分析、比较优势分析、种植结构及种植模式的效益分析等。
2．6精确管理差异分析：以某区域电子地图中的具体区块为空间管理的基本单元，基于单元中的空间信息及与之相对应的属性信息，通过运行差异分析模块，为用户生成基于管理单元的作物生长状况、土壤养分状况、前茬产量等因子的等级分布图。
管理处方生成：以土壤、气象数据及作物遗传参数等为基础，通过调用作物栽培管理知识模型，生成基肥和密度处方(包括播种最)及追肥处方等，为用户进行产前及产中的精确种植管理。具体算法见文献[17—19]。
2．7生产力分析层次生产潜力分析：根据决策地的气象、土壤及社会投入等信息，调用生产潜力估算模型，进行主要种植作物的光合、光温、社会等单作作物生产潜力的分析；再根据该地主要的作物种植模式，进行多作作物生产潜力分析。
例如：光合生产潜力是指假定温度、水分、土壤肥力、农业技术措施均处于最适宜状态时，只由太阳辐射所决定的产量。作物光合生产潜力采用侯光良提出的改进型生育阶段模型计算201，其简化公式如下：
．三， 场=3．75×10。≥2[Qf(1)一百L0式中％——光合生产潜力，kg恤n2；Q，——某一生育阶段单位面积上投射的太阳辐射量，J／m2；厶——最大叶面积系数；厶——某一阶段的叶面积系数；刀——生育阶段数。
而光温生产潜力一般通过对光合生产潜力进行温度 订正而得到加l，公式如下：
Yr=，a顿乃(2)式中昂——光温生产潜力，kg／hm2；苁D—品度订正系数。温度订正系数采用莱亨泊公式计算f211。
农业生产力评价：基于时序和空间分析方法，进行农业生产力的效率、结构和趋势分析；以区域优势和线性规划为优化方法，进行农业种植资源配置的优化。
2．8专家咨询主要对于生态区划、种植制度评价、精确管理、生产力分析等功能所涉及到的具体农业种植生产情况进行说明指导。同时运用了大量的图片和文字来介绍种植设计方面的理论与技术，操作简单，形象生动。
2．9系统维护该功能由系统管理员负责实施，管理员登陆后，可进行数据维护。
3系统的开发与实现3．1 系统开发环境与工具系统在Windows Server 2003操作平台上开发，运用Microsoft Access 2002设计数据库，采用Visual Basic 6．0设计系统的人机界面、知识模型组件以及调用SuperMapObjects 5．0系列组件与知识模型组件，实现人机界面的友好性和易操作性。符合COM标准的组件既可单独使用，又能方便的与其他构件进行衔接，具有较好的灵活性和可重用性。
3．2系统实例分析以江苏省为案例区，对所建系统中的信息查询、生态区划、种植制度、精确管理、生产力分析等功能进行了实例分析。首先利用SuperMap Deskpro 5．2软件和江苏省分县市行政区划电子地图建立了江苏省的空间数据库，以各县市的气象、土壤、品种、农村种植经济信息等数据建立了江苏省的属性数据库。系统在江苏省的实例分析表现出了较好的可靠性和普适性。通过使用该系统，实现了江苏省种植信息的规范化管理。运用作物管理知识模型生成的种植设计结果与当地种植方案基本符合，且系统的种植设计结果可以不同专题图形式进行显示。
在种植生态区划功能的应用中，采用生态区划模型中的安全区划模块，对仪征市的农田种植环境质量进行了评价(图3)。应用结果表明，该市大部分耕地质量属于清洁层次，能满足农产品生产的环境要求。其中几个监测点属于尚清洁层次，受到轻污染的主要原因是周边地区有化工企业，农田环境质量受到一定的影响。
在种植生产潜力评价功能的应用中，采用光温生产潜力分析子模块，对江苏省小麦光温生产潜力进行了估算(图4)。结果表明，江苏省的小麦光温生产潜力总体呈现北高南低的趋势，其中徐州地区的光温生产潜力最高(15031 kg／hm2)，太湖流域地区的光温生产潜力最低(11295 kg／hm2)。4讨论5结论农业种植设计与分析不仅受到地域性的影响，还受气候、土壤和社会经济投入等综合因素的影响，因此科学规范地进行区域农业种植设计与管理就显得尤其重要。为此，本研究在总结、归纳和提炼农业种植理论与技术成果的基础上，运用系统学方法和数学建模技术，构建了具有较强科学性和通用性的区域农业种植管理知识模型。并采用Microsoft Access 2002设计数据库，通过耦合SupcrMap Objects 5．0组件和种植模型组件，设计开发了基于GIS和模型的种植设计系统。
系统实现了区域性农业种植信息的规范化管理及不同层次下的农业种植设计功能。系统所构建的定量化农业种植设计模型克服了传统农业种植专家系统地域性和时间性强的弱点；采用的组件化、模块化的设计方法，在一定程度上也克服了以往专家系统可拓展性差的缺点：并且把GIS技术应用于具有时空性和动态性特征的种植信息管理和农业种植设计方面，也是一种很好的尝试。
系统在江苏省的实例分析结果表明，系统符合现代农业种植设计发展的要求，运行可靠、效率高、普适性强，能有效地管理区域性农业种植信息，并在基于空间信息的农业种植设计方面具有较好的指导性。然而，由于本研究工作涉及的知识面较广，所形成的部分应用模型还有待进一步完善。
1)通过广泛收集及充分理解和分析农业种植管理专家知识和经验的基础上，利用农业种植管理理论与技术方面的研究资料和成果，借助系统分析原理和数学建模技术，建立了具有较强科学性和通用性的农业管理知识模型，包括作物栽培管理知识模型、种植制度设计模型和生态区划模型。
2)将GIS技术应用于农业种植信息管理，建立了属性和空间数据库，并使属性数据库和空间数据库相互关联；以Visual Basic为系统开发语言，基于组件技术，探索了GIS和模型的耦合技术，并进一步研制开发了数字化的基于GIS和模型的农业种植设计系统。系统实现了文件管理、地图操作、信息查询、种植制度设计、生态区划、生产力分析、精确管理、专家咨询、系统维护以及系统帮助等主要功能。
3)以江苏省为系统应用案例，对系统进行了初步的测试检验和实例分析。结果表明，系统的设计思想和结构框架符合现代农业种植信息系统的发展要求，实现了农业种植信息的规范化和数字化管理。同时，系统在基于空间信息的农业生产布局与管理决策方面表现出了较好的适应性和指导性。