李永浩 王鲁 王翔宇

摘  要：测土配方施肥在我国农作物种植方面发挥着重要作用，基于Eclipse平台，运用Java语言和WebGIS技术，采用MySQL数据库，并引入相关数据处理技术，设计开发了测土配方施肥辅助决策系统。由Android移动端和PC端组成，通过采用改进的克里金插值算法处理采样点的土壤养分信息以获取更多数据，通过GPS定位技术获取位置信息，并通过Web Service技术从服务器远程获取土壤养分信息。根据用户对不同作物产量的需求，制定出合理的施肥建议，为种植户提供辅助决策，实现精准施肥。

关键词：WebGIS;测土配方施肥;克里金插值法;移动开发技术;作物产量模型

中图分类号：TP391.7;S147.2       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0030-03

Abstract：Soil testing and formula fertilization play an important role in crop planting in China，based on Eclipse platform，using Java language and WebGIS technology，using MySQL database，and introducing related data processing technology，a decision-making system of soil testing formula fertilization is designed and developed. It is composed of Android mobile terminal and PC terminal. The improved Kriging interpolation algorithm is used to process the soil nutrient information of sampling points to obtain more data，GPS positioning technology is used to obtain the location information，and Web Service technology is used to obtain the soil nutrient information from the server remotely. According to the needs of users for different crop yields，make reasonable fertilization suggestions，provide auxiliary decision-making for growers，and achieve accurate fertilization.

Keywords：WebGIS;soil testing formula fertilization;Kriging interpolation;mobile development technology;crop yield model

0  引  言

農业能够为人们带来生活的必需用品，带动生产生活资料的发展，因此势必要提高土地产量。提高产量最主要的办法就是调整土壤中各个养分的含量分布，使其更适合作物的生长。测土配方就是以土壤的养分含量的测量和施肥实验为根本，进而通过结合农作物的需肥和施肥规律、土壤的保肥能力以及供肥能力来合理施肥使作物产量提高的一种方法，因此测土配方对于提高农业生产力，减少农户的不必要支出以及减少农业因施肥而带来的土壤污染和环境的污染具有非常重要的影响作用[1]。

1  需求分析

1.1  功能需求分析

本研究基于山东农业大学关于测土配方施肥的研究，目标为综合运用WebGIS、Andriod、数据库技术，克里金插值算法、测土配方施肥技术等技术，用来开发研究更全面更科学的测土配方施肥系统。与传统施肥系统不同的是，本系统的包括移动端和PC端两个终端，使用移动端查询更方便快捷，使用PC端可以进行更细致的查询。通过获取目标地区的土壤养分含量，选择要种植的作物，将目标产量和养分含量信息带入作物产量模型，从而获得施肥意见，实现精准施肥。改进了以往的插值算法，采用两次插值算法，先通过土肥站获得的一些基本点进行一次插值，获得土壤养分信息排布的大致规律图，二次插值用于用户想要精准查询某一地块的土壤养分信息时，会根据距离一次插值点最近的两个点进而二次插值，得到目标查询地点更为准确的土壤养分含量。让最后得到的结果更为准确，促进施肥水平和技术的提高。减少了肥料的施用量，增加了利用效率，更能减少因施肥带来的环境污染，减少了农户的成本，促进了农业的信息化、精确化发展[2]。

1.2  技术路线

1.2.1  设计路线

首先通过土肥站得到采样点的土壤养分信息，采用克里金插值算法，获取整个区域的土壤养分栅格数据，然后建立数据库，用来存储土壤养分信息。系统分为前端用户端和后台数据库端，后台数据库端通过Web Service与前台用户端实现连通，结合移动端和PC端，借助WebGIS里的功能来逐步实现系统的各个功能。用户先通过定位确定所在地的土壤养分数据，因第一次插值分布点不够细致，故采用第二次插值，对距离目标所在地最近的几个点进行第二次插值，使获取的数据更准确，用户选择要种植的作物（例如小麦、玉米、大豆），根据数据库中土壤养分含量分布，选择该作物目标产量，将数据带入作物产量模型中，来制定出更为合理的施肥决策和意见[3]。从而完成测土配方施肥的网络化服务，实现了土壤养分含量随地区分布的数据的共享，使农业更加现代化、信息化、智能化，从而促进了农业的发展。

1.2.2  数据处理

本文采用的插值方法为克里金插值法，其插值法是通过建立一系列的数学函数模型，通过对已经给定的空间来拟合并估算单元格的值，用来生成栅格数据库，其算法结果相比其他插值算法更为精准，本文通过二次引用可以使结果更准确[4]。

本实验从土肥站获取土壤养分含量信息（包括各种有机质、氮磷钾及土壤pH值等），使用ArcGIS中的克里金插值法来对其数据进行插值处理，进而生成土壤养分的图层信息，一次插值可使数据点均匀地分布在所查地区，由于一次插值分布点不够精确[5]。因此可在一次插值基础上，对分布点进行二次插值，使结果精确到要查询的某个点的土壤养分信息，获得所需点更准确的养分信息。通过对给定的某一固定空间来进行拟合估算单元格的值，生成栅格数据库。

1.2.3  数据存储

本文使用MySQL数据库进行数据存储，将上一步生成的栅格数据存储到MySQL的数据库中，为保证数据库中数据具有空间特性，应将信息的行信息和列信息位置一并存储到数据表中[6]。

系统总数据库中包括土壤养分数据库和辅助决策数据库两个子数据库，土壤养分数据库主要包含通过插值获取到的不同位置的土壤养分信息。

通过将数据库中的土壤养分信息和目标产量带入模型即可获得施肥建议及分析数据。

2  系统设计

2.1  系统总体设计

本系统采用C/S架构，视图层为PC端的用户和移动端Android用户，Web、GIS服务层为Web Service和GIS Service，数据层即为后台数据库，用来存储数据，如图1所示。

进行数据查询时，表现层中的PC端口通过系统的查询接口查询目标地区的经纬度，通过服务层中的Web Service和GIS Service来访问数据库中的土壤养分信息库，进而反馈给PC端口，其中运行在服务器上的PC端口通过Web Service服务端口将信息传递给用户。移动端口不同于PC端口，是通过GIS定位来实现获取手机当前所在地的经纬度，然后通过GIS服务层访问到数据库，反馈给移动端用户当前所在地的土壤养分信息。PC端通过网页，移动端通过APP，输入目标產量，然后结合要查询地的土壤养分信息，提供给用户合理的施肥意见和建议。

本系统分为移动端和PC端两个部分，由于移动端是使用APP的形式，因此要添加定位模块。

2.2  系统详细设计

本系统分为两个客户端，除后台网络服务功能有所不同，配方施肥决策功能是一致的。一个系统分为后台网数据库模块和前台用户功能模块，后台数据库主要包括管理员信息认证、LBS+GPS移动端定位、查询点数据获取以及获取施肥方案。前台用户功能主要包括具体数据查询、具体施肥意见、图片下载、地理信息数据浏览、数据更新与维护、问题咨询、系统帮助。移动端相较于PC端后台数据库模块多了LBS+GPS移动端定位功能，其余均相同。移动端和PC端登录的管理员信息是互通的，如图2所示。

其中，后台数据库模块包括：

（1）管理员信息认证：由于系统使用的对象不同，以及出于系统的安全性考虑，会有不同的权限，且移动端和PC端可同时登录一个账户。

（2）LBS+GPS移动端定位：该模块主要是通过调用Android手机上集成的GPS模块从而获取手机当前所在地区的经纬度，进而实现手机的定位，从而对当地的土壤养分信息进行分析，进一步给出意见。

（3）查询点数据获取：通过土肥站先获取采样点的地理数据信息，第一次克里金插值算法，分成若干个点使数据均匀地分布在查询区域。由于用户所查询点可能不在第一次插值分布点上，则取距离与想要测点最近的两个点，通过二次克里金插值算法，来科学地计算出所测地的土壤养分含量信息。Web Service相当于一个中间介质，用来将用户的需求传递给数据库，然后再将数据库的数据反馈给用户，实现数据的查询与浏览。

（4）获取施肥方案：根据上一步服务器反馈给用户的数据，经对不同目标作物产量模型进行计算，来得到需要的施肥量，从而帮助用户给出合理的施肥意见。

前台用户功能模块包括：

（1）具体数据查询：土壤养分信息查询是通过输入要查询地区或点击要查询的土壤类型，首先要读取到后台数据库中土壤的养分含量信息，然后将查询申请转换成SQL语言在数据库中进行查询遍历，寻找最匹配的点，然后通过将各个营养成分的表格传输到PC端的网页或者移动端的APP。具体包括：

1）移动端是通过GPS或者基站定位来获取移动端所在地区的经纬度，然后以当地的经纬度作为参数传递到Web Service进行数据查询，然后在通过Web Service传递回移动端，实现数据的查询。Web起到了在Android和MySQL数据库之间信息传递的桥梁作用。

2）PC端系统的查询功能主要是通过工具中的信息查询功能选择想要查询的地区实现的。

（2）具体施肥意见：是测土配方施肥决策功能是在土壤中养分含量查询的基础之上实现的，使用的是目标产量法，即当用户通过养分查询功能查询到想要查询土壤的养分信息之后，若欲种植小麦、玉米、大豆，应先将其养分信息及目标产量带入作物的产量模型中，移动端通过APP，PC端通过网页将数据发送到服务器端，然后经服务器来引用目标产量施肥模型建立的系统函数，计算出施肥量，并将土壤养分和施肥信息传输到表中，通过表的形式最后反馈给用户施肥建议。

（3）图片下载：该功能主要是提供土壤的氮、磷、钾等有机含量的空间分布图的下载。这些分布图会以图片的形式存储在服务器上，当用户提交浏览下载的申请后，Web服务器端将会把图片的访问地址嵌入到HTML中，进而展现在用户面前，供PC端和移动端的用户下载。

（4）地理信息数据浏览：功能主要包括放大，缩小，平移等功能，也是WebGIS比较常用的几个功能，其中的放大和缩小是由两种方式组成，第一种是固定倍数的整体方法缩小，适用于浏览整体地图的放缩，第二种是规定局部自己选择倍数的放缩，这样更具有局部性，平移则是通过点击地图，拖动鼠标来实现地图的平移，选择自己想要查询的地区[7]。

（5）数据的更新与维护：如果某地区耕作久了，土壤里的养分含量肯定会有变化，当土壤数据变化时，需要更新最新的土壤数据来给用户提供最新最准确的施肥意见。

（6）问题咨询：用于为用户提供咨询问题的渠道，移动端可点击该功能通过向发送惠农平台短信的形式进行问题咨询，PC端可通过惠农平台网上人工客服进行咨询。

（7）系统帮助：通过介绍该系统的各个功能的用途和使用方法，方便用户了解使用。

3  结  论

本测土配方施肥系统通过与移动端和PC端的综合运用，通过对Android技术、Web网页技术、MySQL数据库技术、克里金插值算法、测土配方施肥技術以及WebGIS技术等的合理综合运用，实现了用户通过移动端的APP和PC端的网页对当地土地养分信息的处理和查询，并通过当地的土壤养分信息以及适合种植什么作物给用户提供科学的决策意见和分析，为用户提供科学的施肥意见和建议。从而提高作物的产量，减少对环境的污染，对农业的发展有着至关重要的作用。

参考文献：

[1] 刘柏清，吴波.基于LBS的移动电子商务分析 [J].金融科技时代，2012，20（11）：51-53.

[2] 吕娇，李淑敏，潘明阳，等.不同包膜控释氮肥对玉米氮素吸收和产量的影响 [J].天津农业科学，2012，18（1）：46-50.

[3] 魏丽梅.变量施肥机的研究意义 [J].时代农机，2018，45（3）：12-13.

[4] 祖娟.基于PDA-GIS的县域测土配方施肥系统的研究与建立 [D].合肥：安徽农业大学，2012.

[5] 许新廷.基于土壤养分丰缺指标的章丘市冬小麦—夏玉米轮作推荐施肥技术的研究 [D].泰安：山东农业大学，2016.

[6] 黄丹.基于DIV+CSS技术的花卉网站的构建与推广 [D].南宁：广西大学，2015.

[7] 杨志芳.基于WebGIS的果树病虫害信息发布系统 [D].保定：河北农业大学，2005.

作者简介：李永浩（1995-），男，汉族，山东泰安人，硕士研究生，主要研究方向：农业信息化;通讯作者：王鲁（1981-），男，汉族，山东泰安人，副教授，博士研究生，主要研究方向：机器学习与智能计算;王翔宇（1995-），男，汉族，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向：农业信息化。