农业空间决策支持系统的设计与实现.docx

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1、 第卷 年 第期 月 农业工程学报 农业空间决策支持系统的设计与实现 阎晓军，王维瑞，梁建平 （北京市农业局信息中心，北京） 摘要：为提高首都农业决策分析速度和准确度，依据北京农业现状及行业管理特点，利用全球定位系统（）和遥 感（）技术数据获取工具，以嘲络为信息传输与共享通道，采用农、业务流、时空分析、中间件等技术方法，建立起 农业数据采集、处理、传输、存储、分析、应用的高效信息技术服务体系，重点突破了多源异构数据融合、空间数据在 线增苗更新和农业业务辅助决策方法与技术难题，建移了基于地理信息系统（）的前都农业决策支持系统。该研究 选取设旌农和动物疫病为技术应用对象，实现了设施农业建没规划和结

2、构调整辅助决策以及在线编辑管理功能，同时 实现动物疫病成急防控辅助决策。促进了首都农业由传统型、粗放型、经验型向精细化、协同化、科学化的综合管理 决策模式转变，为农业管理部门开展快速、科学决策提供了充分依据。 关键词：农业，空间决策支持系统，多源异构数据融合，时空管理，增量更新 ： 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （）一 阎晓军，王维瑞，梁建平农业空间决策支持系统的设计与实现农业工程学报，（）： ， ， ， ，（）：（ ） 引言 近年农业产业结构宏观调整、动物疫情监控和应急 快速响应、农业资源综合利用等需求发展势头迅猛，农 业管理决策的需求变化较为频繁，农管理部门面临着 管理决策滞后、

3、不准确等问题。要解决这些问题，面临 三方面挑战：一是由传统的粗放、传统、经验式的管理 决策模式，向精细、协同、综合的管理决策模式转变； 二是业务量以近一倍的速度递增，依靠现有人员和传统 手段无法快速处理：三是农业业务数据涵盖面广、关联 度高、窄间特性强、资源难于融合更新，并且缺乏有效、 实用的业务空间决策支持技术方法。 农业卒间决策支持系统的技术支撑在于地理信息系 统（），其理论基础是系统论和协同论【】，其技术基础 是空间数据仓库【，是对海量时空数据的白组织、处理、 更新、分析，以及其它异构数据的协同和融合。目前大 多数农业空问管理决策支持系统的相关技术研究主要集 中在卒间数据仓库 “ 】、数

4、据挖掘【 卜以及模型技术】等。 其数据仓库用来存储各种来自异质的信息源数据，这些 数据不是大量数据库的堆积，而是按决策主题重新组织 的、集成的、随时间而变的、持久的空间数据及其属性 数据的集合。数据挖掘则致力于知识的发现，通过关联 分析、相似搜索、趋势分析与预测等方法从数据仓库中 获得新的农业知识。对于仓库中数据项的集合，我们町以 收稿期： 修订日期： 作者简介：蒯晓军（一），男，北京人，高级农艺师从事农业信息服 务研究与推广工作。北京北京市农业局信息中心， 通信作者：粱建平（一），男，北京人，从事农业信息化技术应用推 广工作。北京北京市农业局信息中心，。： 万方数据 找到一种最好的方法来表达

5、其逻辑结构。即稳定的信息模 型；它是空间决策支持系统的核心，是决策依据的二：要 分析技术，常常是将独立运行的模型个体与其它模型结 合起来，并以适当的序列组成复合模型，解决农业多业 务协同决策的问题。 本文将现代信息化高新技术与农业行业业务相结 合，构建了数据共享、业务协同的统一的农业窄问决策 支持系统。主要研究利用在线增量更新技术实现农业空 间数据在线环境下的数据存储更新，多源异构数据融合 技术实现农业海量、多层次、多类型的时空数据有效集 成；并在此基础上，进行了农业多业务空间决策分析。 管理部门依据分析结果，合理利用和配置农业资源，科 学调控农业产业结构，实现了农业业务可视化管理，决 策分析

6、快速、科学，促进了管理与决策模式的转变，为 农业管理部门提供了充分的决策依据。 系统总体设计 系统结构设计 系统是一个与相结合的农业空间信息系统， 其中，用户管理和空间数据在线增量更新采用的是 模式；整体框架是采用面向服务设计，以业务为导向的 的三层架构体系，分别是：数据层、业务逻辑层和表 现层。数据层实现农业基础地理数据、遥感影像、监测 数据等多源异构数据的有效融合、传输、存储、共享、 管理：业务逻辑层在分析农业务流程的基础上，将农 业管理决策过程与空间信息服务集成，形成系统核心技 术架构，为农业业务空间决策提供科学依据：表现层是 对逻辑层分析结果的展现以及与用户的交互。系统总体 结构与流程

7、如图所示。 苎 业务单位 些局 一异构 远程共享 数 一 农业工程学报 年 各 京妻变 等 远程传输 报表、监测数据 设施农业时空管理 专题图 遥感影像 无线传输 多源 疫病应急防控 全球定位系统 定位数据 数据 融合 能源利用 遥感影像 技术 北京信息资源中 心基础地理共享 基础地理数据 据 绿色食品 库、北京市士壤 库 生产基地建设 资源管理系统等 远程共享数据 多媒体数据 非结构化数据 数据源 数据内容 辅助决策分析 ！ 图 系统结构与流程图 报表 统计图 巨 系统运行和开发环境 系统运行在网络环境下，由数据库服务器、应用服 务器、 服务器以及相应的网络设备构成。采用 作为数据库平台，为

8、空 口数据库引 擎，以为空间应用服务器； 为 服务器和引擎； 为服务器 操作系统； 为开发平台，采用为开发架构； 为前台开发工具。 数据库设计 鉴 在大型关系型数据库中的领先地位，对 海量空问数据存储和多用户的并发访问的支持，以及 可以提供对空间、非空间数据进行高效率操作的 数据库服务，因此，本系统采用 “ ” 的模式 对数据进行存储和管理。依据数据来源和业务需求，设 计为个数据库：空间数据库，包括基础空间数据和农 业业务空间数据，如土壤环境监测点分布图，其基础空 间数据是专用空间数据的基础；业务属性数据库，包括 农业设施农业、动物疫病预警与预防决策指挥、土肥管 理等业务数据库，农业业务管理、

9、分析、查询、统计等 都基于此库；模型库，此库主要存储与空问决策支持相 基础上，提炼、分类及封装农业各部门业务流，并抽取 出各类业务流间的关系；同时，针对农业数据具有海量、 多层次、时空性强的特点，将基础地理数据、遥感影像、 监测数据、统计分析数据等信息资源集成，解决跨平台、 跨部门的多源异构数据资源有效融合与更新。数据管理 功能是建立在底层技术之上的外在表达。分析功能包含 了个空间决策支持应用模块，是基于平台，应用 集成现有农业业务模型，以及利用业务间的协同关系， 开发出具有自主知识产权的农业业务中间件与模型，实 现空间决策支持。展现功能是对空间决策分析结果的可 视化展示。现对部分核心技术和重

10、要功能模块展开深入 探讨。 信息统计分析评价 ）查询统计模块 ）专题图分析模块 农业空间决策支持 ）设施农业时窄管理 ）疫病防控辅助决策 ）能源利用辅助决策 关模型的类型、物理位置和决策知识，当决策模型改变 时，可通过维护模型库来调整；元数据库，主要是数据 ）绿色食品牛产基地建设辅助决策 决策分析功能一 的来源、性质、形成时间、坐标系统等内容，对系统数 据的管理和维护提供了清晰的结构；共享库，提供了系 统直接调用其它应用系统的数据库的接口，以及其他应 用系统留有共享本系统的数据接口；管理维护数据库， 用来存储系统用户及权限等相关信息。 系统功能设计与关键技术研究 根据系统结构、流程的内在关联关

11、系、协同关系，以 农业专用多媒体管理 ）多样化展示多媒体信息 ）多媒体的本地或远程编辑 农业多业务协同技术 ）农业多业务数据集协同调用 ）农业多业务弩题结果的协同 应用 分布式遥感影像管理 ）基础影像元数据和专遥感 元数据的管理 ）遥感影像的默认设置 农业数据管理核心技术 ）农业多源异构数据融合 ）农业空间数据在线增量 更新 一数据管理功能一底层技术支捧 及技术和功能的相互支撑关系，分为底层技术支撑、数 据管理功能、决策分析功能和展现功能个层次、大主 要功能与技术，如图所示。底层技术支撑是整个系统 功能实现的基础，在深刻挖掘、分析农业各部门业务的 万方数据 困 系统主要功能与技术组成 第期 阎

12、晓军等：农业空间决策支持系统的设计与实现 农业多源异构数据融合 通过面向第二方应用系统提供标准的 、 、等数据交换与访问接口，采用（可扩 展标记语言）、（简单对象访问协议）、（ 服务描述语言）等协议和技术，作为代码实现语言， 面向多部门、多平台空间数据、属性数据、结构化数据 与非结构化数据等信息资源，按其类型、逻辑关系进行 层次化组织，通过位置酉己准、格式转换、语义转换、属 件数据映射等技术处理，提供相应规范和可行方法，实 现跨平台、跨部门的多源异构数据资源有效融合与集成 。其中 为异构系统集成提供公共接口。 作为安全通信的基础。技术能够处理启用数 据交换和应用程序逻辑远程调用，使数据能够通过

13、防火 墙，并存异类系统之间移动数据，从而消除不同类型数 据库、操作系统和应用系统之间存在的应用差异，将应 用程序开发和部署推向高度分布式环境。 图给出 集成大兴农业资源管理决策系 统、北京市土壤资源管理信息系统、北京市畜禽疫病应 急指挥平台、北京市农业生态可视信息系统的过程，实 现多源异构数据的融合。 图多源异构系统集成示意图 业务系统通过农业空间决策支持系统的 公共接口，在（统一描述、发现和集成协议）注 册中心注册，注册中心查询到满足条件的 ， 并用向业务系统返回该 的位置信息 和绑定信息，最终实现多源异构系统的集成。 农业空间数据在线增量更新 本部分是基于环境、模式，采用反向增量 存储技术

14、，只保存最新版本的农业空间数据【引。当一个 新的版本被检入时，与前一个版本进行比较产生增量， 前一个版本被删除，新版本农业空间数据及差异数据被 存储，保证数据库始终保存着最新版本的数据，减少了 数据冗余，并且通过结合当前最新数据与差异数据可以 反推出历史数据，保证农业窄间数据的时窄变化可追溯。 相比较传统二层模式，该系统采用创新式三层 万方数据 模式，增加了负责调节客户端与服务器问通讯的中间 件层。技术体系包括数据库、远程调用和面向消息中间 件、对象请求代理、事务处理管理、空间数据引擎、时 空数据维护等。其中数据库中间件负责连接客户端与数 据库，接收客户端的数据请求，将请求传递给数据库， 进行

15、相应的数据处理，最后把处理结果返回给客户端； 远程调用中间件负责使用远程过稃调朋访问远端服务器 数据，远程调用中间件也町将程序控制传递到远端服务 器；面向消息中间件负责在客户端与服务器问提供同步 或异步连接，并能在任意时刻传送消息或存储分发；对 象请求代理专门负责分布式数据库间的服务请求；事务 处理管理负责控制分布式环境；空间数据引擎负责建立 适应海量数据存储管理的窄间数据组织佑和空间索引 机制，处理空问数据模型到模型之间的映射； 时空数据维护中间件用空间数据动态更新、存贮和空 间分析。 按照空问数据库的结构关系，客户端访问数据库先 需要通过中间件，由中间件对数据库操作，中间件对数 据库进行操

16、作后，将处理结果通过服务器返回到浏 览器端用户。 农业空间决策支持 在综合分析北京市农业生产实际情况以及管理决策 等业务流程的基础上，应用上述农业多源异构数据融合 和农业窄间数据在线增量更新等关键技术，引入空间信 息技术和农业业务模型等，将农业业务管理决策过程与 空间信息服务集成，研究开发了设施农业时空管理、疫 病虑急防控、能源利用和绿色食品生产基地建设等农业 业务空间辅助决策子系统，形成北京市农业业务服务中 间件核心技术架构，为农业、务分析决策提供数据统一、 业务联合的技术支撑体系。为了清晰地表达本文研究的 核心技术内容，本文将通过设施农业时空管理与决策子 系统重点闸述农业多源异构数据融合技

17、术与农业空问数 据在线增超更新技术的实现原理和过程。 设施农业时空管理与决策支持 本部分研究内容主要是针对多类型、多尺度、多时 态的设施农业数据进行高效管理，实现设施农业数据的 无缝集成，动态存储更新，数据库联动，维护数据的完 整性和一致性，更加准确表达设施农业的空间分布信息， 反映设施农业的历史窄间变化、属性信息变化等，为设 施农业规划提供决策依据。 ）设施农业时空分析 在真实空间，设施农业是具有面积的实体，映射到 地理空间，需用面状图层表达设施农业的空间特征，主 要包括：空间几何特征、空间属性以及专题属性的变化。 空间几何特征指空间坐标、轮廓等特征；空间属性指描 述空间几何特征的面积、周长

18、等信息；专题属性是由设 施农业建设人员确定的行政级别、设施类型、墙体结构、 种植种类等等的描述信息。 一般情况下，空间属性随着空间几何特征的变化而 变化；设施农业时空变化主要包括以下形式：设施农业 实体新增或者删除、合并或分割、面积缩小或扩大、以 农业工程学报 盆 及专题属性演化，如删除原来已经无效的属性或者需要 增加新的属性，或者设施农业地块由于转让，使得权属 所有发生变化，包括法人代表、负责人等的信息变化， 或者该设施农业的种植作物种类变化、灌溉方式变动等 也导致专题属性信息的变化。 ）设施农业时空特征提取 主要从空间形态与属性两方面进行研究。空间形态 主要指设施农业地块空间形态特征；属性

19、主要是指设施 农业专题属性。空间属性随着空间形态的变化而自动变 化。将空间属性归入到空问形态变化中，研究对象只从 空间图层、属性数据两方面考虑变化，简化时窄对象多 种变化的复杂性，归纳为以下种基本类型：空问形态 变化，属性不变；空间形态变化，属性同时变化；仅属 性变化。 ）设施农业时空管理模型构建 去的发展、变化提供了直观的判断依据，如图所示。 （）在线编辑 根据设施农业变更（扩大、新建等）情况，在线绘 制设施地块，并输入相关属性信息，然后解译出扩展、 相交及重叠的变更设施，标志出相应时间戳，通过 内置的 服务，将生成的要素、方位、 属性等变化情况与以前版本的数据进行对比，只保留最 新版本的数

20、据，保存到后台设施农业时空数据库中，较大 地减少了数据冗余，并且实现了远程在线情况下所见即 所得的效果。 根据以上分析，构建设施农业时空数据管理模型【 。 此模型为知识规则模型，基于面向对象的时间切片模型， 封装时空对象的空间、属性、时间特征，符合逻辑思维 语义，开发时空数据库【 ，提供对空间动态对象单一时 刻或时态范围的查询与更新。将时态信息标记在对象属 性上，直接表达对象不同时期的状态信息，方便对象检 索和历史状态查询。在存储方法上，连续记录随时问变 化的专题特征的状态；对于不随时间变化的专题特征， 只记录其初始状态，减少数据冗余。例如在切片时间一 “ 间，设施农业地块发生了 次空间信息、

21、属性信息和对 象关系变化，三者发生变化的切片时间不一定相同，空 间信息、属性信息以及对象关系根据自身变化时问分别 独立记录，提供对空间动态对象单一时刻或时态范围的 查询与更新。 ）设施农业时空管理与辅助决策功能 依据上述设施农业时空管理和辅助决策的实现原 理，该模块主要划分为个业务功能，包括设施农业空 间对象动态变化查询、历年比对与历史回溯，以及在线 编辑。下面侧霞描述利用多源异构数据融合技术实现设 施农业历年比对与历史同溯，以及利用空间数据在线增 量更新技术实现在线编辑的技术过程。 （）设施农业历年比对 设施农业历年比对也叫历史回溯，本文以种方式 实现小同年度设施地块扩展、相交及重叠等关系的

22、历年 比对和历史回溯。其一、通过标准规范接口，远程 获取北京市信息资源中心遥感影像，实现不同年度高清 晰分辨率影像资源与同一年度的设施农业矢量地块无缝 绑定，通过遥感影像的无级缩放与历史比对，形象直观 地掌握某一地块在不同年度的空间特征以及周边地域的 变化情况，为设施农业规划或结构调整提供了科学依据， 如图所示，左侧图中阴影标示区域是年的状况， 没有农业设施，而右侧图是年的状况，显示已有农 业设施的形成。其二、基于设施农业时窄数据库技术， 将不同年度的设施地块，以矢量地图的形式输出，并将 其渲染在同一张地图卜展现，更加直接、精确地的表达 出历年设施农业的空间形态变化，对于掌握同一地块过 万方数

23、据 图 与年昌平区兴寿镇某地块设施农业的影像对比 图 、年犬兴区长予营镇白庙村的设施农业比对 ， 应用推广 形成了以北京市农业局中心辐射，覆盖个区县、 个乡镇、多个农技推广单位和管理部门的三级应 用推广体系，与各级部门人员建立了长效的培训与应用 机制，使系统发展应用产生良性互动。根据各应用单位 的实际需求，利用平台定制个性化决策管理服务，创造 了设施农业的时空动态分析、畜牧生产与检疫监督、动 物疫病防控、畜产品流量及流向分析、种植业空间布局、 土壤环境评价与土壤养分含量分析、资源分布与新能源 利用等多样化和富有特色的典型应用，并在云南、贵州 两省实现了成果转化。 第期 阎晓军等：农业空间决策支

24、持系统的设计与实现 为了形成北京市设施农业的规模化、产业化生产， 北京市农业局蔬菜处应用奉系统进行了北京市设施农业 区带多群落的规划，即在北京范围内规划个设施农 业生产地区，个特色产业带，个设施蔬菜产业带和多 个生产基地。数据源是年之前的北京巾 设施农业相 关数据，包括：设施农业分布矢量图、设施类型、遥感 影像与道路等矢量地图（北京市信息资源管理中心共享）、 建设情况、面积、产量，以及经济数据、气候数据等各 种类型数据，通过数据融合与在线增量更新技术建立和 更新数据库。通过系统所具有的统计、缓冲、叠加、渲 染分析，生成设施农业建设、分布施工进度统计图、专题 图、遥感影像等各种类决策依据，由于被

25、篇幅所限，下面 只列出了部分图表（图、）。 水源充足的区县，也重点规划发展设施农业，形成多群 落。图为最终的规划结果图。 图 区带多群落规划图 ， 图 年北京市设施农业建设分布 ， 图 年北京市设施农业建设分布专题图 ， 依据上述各类分析统计结果表明，大兴和房山区位 置相邻，设施农业发展基础好，并且面积较大，规划为 南部设施农业生产区：而顺义和通州区的情况也类似， 规划为东北部设施农业生产区。由于昌平区、平谷等多 山地区，大规模发展设施农业受限，因此，因地制宜， 发展特色设施农业，规划为山前特色设施产业带和山区 设施蔬菜产业带。对于部分经济基础好、土壤质量好、 万方数据 结论与讨论 该系统实现

26、了传统农业管理与空间信息技术的有机 结合，将空间数据在线增量更新技术有机融合到农业业 务中，实现了海晕农业守问数据在方式卜的高效更 新，保证数据库始终保存着最新版本的数据，减少了数 据冗余；通过结合当前最新数据与差异数据可以反推出 历史数据，保证农业窄间数据的时空变化町追溯。项目 提出的农业多源异构数据融合技术方法，面向多部门、 多半台空间数据、属性数据、结构化数据与非结构化数 据等信息资源，按其类型、逻辑关系进行层次化组织， 提供相戍规范和可行方法，实现跨平台、跨部门的多源 异构数据资源有效融合与集成，提供不同系统数据可靠 的地异步传输，支持不同地域中的应用系统的集成；支 持多种数据格式，提

27、供数据格式转换功能。同时，在相 关技术的基础上，紧密围绕农业产业结构调整、能源高 效利用、农田精准施肥、农产品安全保障、疫情预警预 报等方面的空间辅助决策开展技术研究与应用，促进了 首都农业由传统型、粗放型、经验型向精细化、协同化、 科学化的综合管理决策模式转变，为农业管理部门科学 快速决策提供了允分依据。 目前，本系统在北京市农业各业务决策分析与支持 工作中，对我市农业信息资源的有效整合与开发，信息 资源高度共享，改变了传统上以定期报告和统计报表为 依据的农业管理决策方法，形成了定性分析、定量计算、 时窄展示相结合的新型农业空间决策支持系统，建立了 高效的农业统筹协调管理机制，使各级政府部门

28、能及时、 准确获取生产管理信息并进行全面分析与科学决策。但 是本系统还需从行政角度不断完善数据采集、报送及管 理机制，处理好数据安全与开放共享的矛盾；同时，继 续引入先进的空间分析技术和农业业务模型，重点突破 疫病防控路口自动封锁和疫区不规则缓冲分析，以及向 维和三维地图展现方式发展。 农业工程学报 焦 参考文献 章牧，陈匕香，刘文玺，等农决策支持系统的概念设 研究计算机应用研究，（）： ， ， 】 计与应用叨地球信息科学，（）：一 “ ， ， ， （）： （ ） ， ，（）： （ ） 【 】贾永红，李德仁，孙家柄多源遥感影像数据融合】遥 感技术与应用，（）： ， ， 】 ，（）： 【】 ，

29、李琦，杨超伟空间数据仓库及其构建策略】中国图像 图形学报，（ ）： （ ） 】 ，。 “ ，（）：一瓶 ， ， 】 ， ， （ ）：（ ） 【】 王成，李民赞，于丽丽基于数据仓库和数据挖掘技术的 温室决策支持系统】农业工程学报，（）： 一 ，（）： 】罗晓燕，袁燕岩北京市数字线划图数据库增量更新技术 的应用研究 测绘通报，（）： ， ， ， ， 】 】 【】 【】 ，（ ）： （ ） ，（）： （ ） ： ， 李晔明用数据挖掘实现决策支持【】科技信息， （）： ，（ ）： （ ） 陈雪龙，土延章，许永涛空间决策支持系统的信息模型 ，（）： （ ） 】阎晓军，黎昭咏，史明昌北京农业设施空间信息系统设 计与应用【】安徽农业科学，（）： ， ， 鲥，（）： （ ） 】杨云，兰岳奇设施农业决策系统的数据仓库建设】安 徽农业科学，（）： ， ，（）： （ ） ， ， （ ， ，） ： ， （） （）弱 ， ， ， ， ， ， ， ， ，