土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)李新振;吳秋峰;孟軍【摘要】針對傳統(tǒng)土壤墑情預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)成本高、效率低等問題，本平臺以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合JAVA編程語言，將數(shù)據(jù)庫技術(shù)、快速開發(fā)JFinal框架技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與實際應(yīng)用相結(jié)合，最終設(shè)計出一套土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺.本平臺實現(xiàn)了土壤墑情數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的管理和預(yù)警決策發(fā)布等基本功能，功能強(qiáng)大、操作簡單，降低了成本，提高了工作效率.【期刊名稱】《農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息》【年(卷)，期】2016(000)009【總頁數(shù)】5頁(P36-40)【關(guān)鍵詞】土壤墑情;數(shù)據(jù)庫;物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺【作者】李新振;吳秋峰;孟軍【作者單位】東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030;東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030【正文語種】中文【中圖分類】TP315旱澇災(zāi)害頻繁引發(fā)影響我國部分地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。水資源的合理利用和種植業(yè)墑情的準(zhǔn)確預(yù)報預(yù)警，一直都是研究者們關(guān)注的課題。目前，對土壤墑情已有一定的研究，但在監(jiān)測土壤水分變化、判斷作物何時需水、何時灌溉等問題方面的研卻不夠成熟。傳統(tǒng)意義的土壤墑情預(yù)報技術(shù)只能在一定程度上為農(nóng)業(yè)的灌溉提供幫助，卻很難實現(xiàn)有效的實時灌溉控制，難以及時調(diào)控土壤水分。本文針對這些問題通過現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息技術(shù)和人工智能開發(fā)了土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺。建立種植業(yè)土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺是發(fā)展信息化農(nóng)業(yè)基本要求，是種植業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的具體體現(xiàn)。建立土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺的建立不僅可以為相關(guān)政府部門在指導(dǎo)農(nóng)民耕作提供了理論依據(jù)，也為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展建立信息化、智能化的農(nóng)業(yè)信息操作管理平臺提供了指導(dǎo)意見。總之，建立土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺是我國農(nóng)業(yè)墑情向信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的必由之路。20世紀(jì)中期，美國研究機(jī)構(gòu)為發(fā)展節(jié)水灌溉制度，開發(fā)了簡易的土壤水分監(jiān)測模型［1］。20世紀(jì)80年代，澳大利亞、美國等國家的研究者們提出了一些土壤墑情預(yù)報預(yù)警與預(yù)報的相關(guān)理論，并將理論運(yùn)用到實踐中，取得了不錯的效果［2］。學(xué)者考斯加可夫、菲利普等研究員在研究土壤水量變化過程中首次提出預(yù)報模式［3］。2001年，Brain通過JAVA編程語言，進(jìn)一步優(yōu)化WIF系統(tǒng)和SCHED系統(tǒng)，系統(tǒng)的更改性和可視化程度得到了大幅度的改善，從某種程度上提高了預(yù)報預(yù)警土壤含水量的變化的效率［4］。相對于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家相比，我國在土壤墑情相關(guān)預(yù)報方面的研究比較滯后。西北農(nóng)林科技大學(xué)開發(fā)了一種初級實用型土壤墑情預(yù)測灌溉管理系統(tǒng)。宋松柏等研究員在河套種植區(qū)開發(fā)實施了灌排信息管理決策支持系統(tǒng)。汪志農(nóng)等研究員提出人工智能水平的節(jié)水灌溉決策專家系統(tǒng)［5］。這些研究都是基于墑情預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上展開的。隨著研究技術(shù)的推進(jìn)，我國先后在重點(diǎn)種植區(qū)研究并建立了多個土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。2001年，安徽淮北地區(qū)建立了土壤墑情監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)［6］。2007年，遼寧省在西部典型地區(qū)旱情地區(qū)推進(jìn)建設(shè)墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)，于2008年4月建設(shè)完成并投入使用，該系統(tǒng)初步實現(xiàn)了遼寧省部分地區(qū)信息采集的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化，為該地區(qū)的抗旱減災(zāi)提供了有力的支持和決策論據(jù)。國內(nèi)外目前建立了許多相關(guān)的土壤墑情預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，但這些預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)仍存在一些不足［7］。目前大多數(shù)土壤墑情預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)中只是進(jìn)行了部分植被的墑情的預(yù)測及預(yù)警，然而預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大必然增加大量案例和數(shù)據(jù)，大量案例和數(shù)據(jù)的增加必將引出新的問題，如判斷和提取影響因子的新方法、專家推理機(jī)制的類型化等。大部分預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)只對土壤水分進(jìn)行評估，而忽略了其他影響各類植被生長的的條件，如溫度、濕度、降水量、光照條件等。另外，自動站所觀測要素的環(huán)境和實際植被的生長的氣候環(huán)境有差別，而且部分系統(tǒng)僅適用于該研究地區(qū)的預(yù)報系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和應(yīng)用。因此，系統(tǒng)在整體性和全面型方面的發(fā)展尚有欠缺。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)向著信息化、網(wǎng)絡(luò)智能化的方向發(fā)展，為加速農(nóng)業(yè)體系中土壤墑情預(yù)警的信息化進(jìn)程，本文建立一個數(shù)據(jù)和服務(wù)共享智能化平臺，實時為用戶提供信息服務(wù)，用戶可以使用PC端或手機(jī)端直接參與［8］。2.1需求分析建設(shè)中國特色現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)長期堅持的戰(zhàn)略任務(wù)和目標(biāo)。土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺在農(nóng)業(yè)服務(wù)體系建設(shè)中起著舉足輕重的地位，是開展多元化、自動化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的必經(jīng)途徑。傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)不僅消耗大量資源，而且由于其自身的局限性很難實現(xiàn)信息資源共享，難以構(gòu)建信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的農(nóng)業(yè)模式。土壤墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺的建立和功能的實現(xiàn)都會直接或間接的影響到我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對農(nóng)作物墑情科學(xué)研究有重要的指導(dǎo)意義。為了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)體系中土壤墑情預(yù)警的信息化進(jìn)程，依靠〃大數(shù)據(jù)”技術(shù)建立實現(xiàn)一個信息資源服務(wù)共享平臺。2.2服務(wù)平臺設(shè)計流程良好的墑情服務(wù)平臺需要計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持和種植區(qū)監(jiān)測站的積極參與，種植區(qū)監(jiān)測站是平臺的主要受益和推廣部門。該墑情服務(wù)平臺的信息流程如圖1所示，a,b,c分別代表不同的監(jiān)測站或種植區(qū)單位，他們將監(jiān)測站或者實地經(jīng)傳感器測量獲取的農(nóng)作物墑情相關(guān)數(shù)據(jù)通過web表單的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)平臺，上傳成功后會激發(fā)平臺的搜索引擎模塊，并與之前事先建好的有關(guān)農(nóng)作物墑情數(shù)據(jù)知識庫相匹配，匹配成功后將警情信息評估、分析并制定警情排除措施。a,b,c通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及時獲取排除警情的建議并根據(jù)決策采取相應(yīng)措施。同時，墑情服務(wù)平臺可以存儲各個部門上傳數(shù)據(jù)，保存為歷史數(shù)據(jù)，為其他部門提供參考，實現(xiàn)資源共享。整個過程不受時間、地理位置的限制，通過互聯(lián)網(wǎng)就可以實現(xiàn)服務(wù)平臺的功能。2.3平臺物理架構(gòu)設(shè)計墑情服務(wù)平臺架構(gòu)搭建以高效利用、資源共享、科學(xué)健康為重點(diǎn)。通過對現(xiàn)階段土壤墑情系統(tǒng)的研究，結(jié)合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺帶技術(shù)，平臺架構(gòu)借助數(shù)據(jù)庫、JavaWeb等計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展為目標(biāo)展開設(shè)計。平臺的整體框架如圖2所示。2.3.1數(shù)據(jù)來源為保證農(nóng)作物土壤墑情數(shù)據(jù)真實有效，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)將從政府農(nóng)業(yè)資源部門、農(nóng)作物氣象監(jiān)測站、農(nóng)業(yè)信息平臺、農(nóng)資網(wǎng)站等渠道采集上傳。通過不同渠道的數(shù)據(jù)應(yīng)務(wù)必保證數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性和完整性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的全面性、真實性。相關(guān)人員及時進(jìn)行數(shù)據(jù)實時上傳和更新，并通過互聯(lián)網(wǎng)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。農(nóng)業(yè)信息平臺和農(nóng)資網(wǎng)站是最有效、最便利的資源渠道，其采集的數(shù)據(jù)資源是中央數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。政府資源和監(jiān)測站提供的數(shù)據(jù)資源主要是以重要數(shù)據(jù)的形式存儲在中央數(shù)據(jù)庫歷史資源中。2.3.2數(shù)據(jù)庫層數(shù)據(jù)庫層是墑情服務(wù)平臺的核心功能模塊，中央數(shù)據(jù)庫包含了各個渠道提供的數(shù)據(jù)資源。這些數(shù)據(jù)資源不僅是系統(tǒng)知識庫的主要組成，也是決策系統(tǒng)進(jìn)行推理的主要數(shù)據(jù)依據(jù)。知識庫中儲存著各種植被不同生長階段所需的水分標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗預(yù)測經(jīng)驗值，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)聯(lián)合判斷灌溉時間和水量。2.3.3應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層指的是墑情服務(wù)平臺，該平臺將實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和決策發(fā)布三大功能。訪問者通過平臺中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將收集上來的墑情數(shù)據(jù)上傳并以歷史數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，觸發(fā)搜索引擎，與知識庫匹配，最終由決策系統(tǒng)作出決策發(fā)布。另外，訪問者還可以直接訪問數(shù)據(jù)庫，通過搜索引擎查詢所需的相關(guān)信息。2.4系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.4.1數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息管理應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心技術(shù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是通過解析數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用理論，對數(shù)據(jù)庫中所研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析評估和處理。MYSQL是一種應(yīng)用廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，且可將數(shù)據(jù)儲存在不同的表格中并相互關(guān)聯(lián)，在web應(yīng)用方面是最好的軟件之一；Navicat是一套性價比較高的數(shù)據(jù)庫管理工具，它的最大優(yōu)勢是簡化了數(shù)據(jù)庫管理并且降低了成本，直覺化的用戶界面更容易使數(shù)據(jù)庫管理員以便捷的方式創(chuàng)建、組織、訪問并共用信息。本系統(tǒng)充分利用相關(guān)工具的功能，借助MYSQL、Navicat等工具建立中央數(shù)據(jù)庫。墑情數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)采集，利用上述工具對數(shù)據(jù)組織、上傳和管理，根據(jù)墑情數(shù)據(jù)屬性類型建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)倉庫，墑情數(shù)據(jù)倉庫能實現(xiàn)對本數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)添加、刪減、查詢等功能。本系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)很好的解決了信息處理過程中大量墑情數(shù)據(jù)存儲問題，大大減輕了人工工作量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高效檢索、處理和共享。2.4.2JFinal框架技術(shù)作為一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言，Java語言具備高效性、通用性、安全性和平臺移植性高等特點(diǎn)°JFinal是Java語言應(yīng)用中一種快速web開發(fā)框架，較常用的Spring、Struts和Hibernaet框架，有開發(fā)迅速、功能強(qiáng)大、輕量級、代碼量少、學(xué)習(xí)簡單、Restful、易擴(kuò)展的優(yōu)勢。該平臺采用JFinal框架開發(fā)。該平臺利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和JavaWeb開發(fā)技術(shù)，結(jié)合實際需求，針對各個環(huán)節(jié)設(shè)計了墑情服務(wù)平臺。該系統(tǒng)分別由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和決策發(fā)布系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)有各自的功能模塊，功能模塊如圖3所示。3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取源頭，主要職能是負(fù)責(zé)采集墑情信息數(shù)據(jù)。墑情信息將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信息上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)支持。由于受條件限制，采集渠道主要有傳感器采集和人工采集兩種。3.1.1傳感器采集該模塊的功能主要是通過利用無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合傳感器和無線傳輸設(shè)備，將種植區(qū)的墑情信息傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器上位機(jī)軟件將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選、分析處理并儲存在數(shù)據(jù)庫中。另外，在服務(wù)器一端，可根據(jù)需求通過上位機(jī)軟件向采集器發(fā)送命令，更改采集時間間隔等相關(guān)信息。3.1.2人工采集該模塊與傳感器采集方式相比較為簡單。其主要實現(xiàn)方式是工作人員將收集上來的數(shù)據(jù)以web表單或者excel格式輸入并上傳到中心數(shù)據(jù)庫。這種上傳方式的時效性較差，具有較大的滯后性，適合數(shù)據(jù)連續(xù)性、實時性要求不高的監(jiān)測區(qū)。3.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的組織、處理和管理的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。工作人員可通過此系統(tǒng)實現(xiàn)墑情數(shù)據(jù)的處理，有效數(shù)據(jù)的儲存，還可以對監(jiān)測區(qū)進(jìn)行墑情監(jiān)測。另外通過此系統(tǒng)可查詢相關(guān)墑情信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)處理人工輸入方式上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)空值、命名沖突、重復(fù)記錄等錯誤，所以采用傳感器終端采集經(jīng)過相應(yīng)的串口上到數(shù)據(jù)庫的土壤墑情數(shù)據(jù)，有效保證數(shù)據(jù)可靠性，管理員可以通過數(shù)據(jù)處理模塊對墑情數(shù)據(jù)相關(guān)處理。數(shù)據(jù)儲存此模塊主要是儲存經(jīng)傳感器或人工輸入上傳的墑情數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以excel的形式儲存在數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)分析以及墑情預(yù)測等功能的實現(xiàn)。3.2.3實時數(shù)據(jù)導(dǎo)出此模塊主要是結(jié)合相應(yīng)傳感器，通過簡單的程序調(diào)出數(shù)據(jù)庫中傳感器上傳的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測，并以圖表的形式呈現(xiàn)，這種形式更簡潔直觀而且更具有很強(qiáng)的時效性。3.2.4墑情信息查詢墑情數(shù)據(jù)庫的的數(shù)據(jù)豐富多樣，為了更好的方便管理工作人員查詢所需的墑情信息，此模塊提供了查詢功能，工作人員可通過搜索引擎輸入關(guān)鍵字得到所需信息。3.3決策發(fā)布系統(tǒng)決策發(fā)布系統(tǒng)是平臺的核心系統(tǒng)，此系統(tǒng)是運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)原理，分析過去土壤墑情信息并結(jié)合相關(guān)因素，判斷墑情未來發(fā)展趨勢。預(yù)警功能的實現(xiàn)，首先對警情作出分析，并設(shè)定警情指標(biāo)，然后判斷警情警度，作出決策，最后發(fā)布相關(guān)信息。此系統(tǒng)包括三個子模塊：選擇警情指標(biāo)、警情情況分析、預(yù)警信息發(fā)布。3.3.1警情指標(biāo)選擇此模塊是建立在有警情發(fā)生的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。警情指標(biāo)包括很多因素，不同作物不同監(jiān)測區(qū)的警情指標(biāo)選擇是不同的，如大棚中植被不需要考慮環(huán)境因素中的降雨量指標(biāo)。在系統(tǒng)中已給出幾種指標(biāo)提供參考。3.3.2警情分析此模塊功能是將采集的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)通過簡單數(shù)學(xué)原理進(jìn)行對比分析，結(jié)合環(huán)境因素等對該監(jiān)測區(qū)綜合評價，判斷警情是否發(fā)生，同時明確警情程度。其中，警情發(fā)生的判斷至關(guān)重要，它決定了系統(tǒng)是否做出預(yù)警信息發(fā)布。3.3.3預(yù)警信息發(fā)布此模塊是預(yù)警信息發(fā)布模塊。根據(jù)警情指標(biāo)選擇模塊警情分析模塊的綜合利用，此模塊會自動作出警情判斷，給出相應(yīng)警度，并作出簡單的排除警情意見。由于受條件限制，此模塊只能實現(xiàn)澆灌和排澇兩種最重要的簡單決策。該平臺是基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)和當(dāng)前相對流行的Java編程語言相關(guān)技術(shù)研究的，借助了MYSQL和JFinal框架等設(shè)計展開。MYSQL功能強(qiáng)大，操作簡單，JFinal框架成本低，且有較好的擴(kuò)展性。整個過程結(jié)合MYECLIPSE工具實現(xiàn)的，平臺首頁界面如圖4所示。系統(tǒng)開發(fā)完成后，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田中應(yīng)用，其設(shè)計界面簡單易懂，功能齊全，性能相對穩(wěn)定。該平臺為種植區(qū)工作人員提供了一個很好的操作管理平臺，工作人員通過此平臺可以監(jiān)測植被區(qū)墑情動態(tài)，第一時間做出決策。不同監(jiān)測區(qū)的工作人員也可通過此平臺進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和資源共享。這不僅為墑情預(yù)報節(jié)省了大量的人力、財力和物力，也為之后農(nóng)作物網(wǎng)絡(luò)化墑情科學(xué)研究提供了重要的指導(dǎo)意義。發(fā)展信息化農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本要求，農(nóng)作物墑情預(yù)報預(yù)警的研究一直是專家們研究的課題。針對傳統(tǒng)墑情預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的不足，本文通過信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺，為一線工作人員提供了一個很好的操作平臺，降低了成本，提高了工作效率；墑情預(yù)報預(yù)警服務(wù)平臺體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)向信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的重要意義，為有關(guān)政府部門指導(dǎo)農(nóng)民耕作提供了理論依據(jù)。平臺具備易操作、功能強(qiáng)大等優(yōu)勢，對建立墑情研究有重要的意義?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]JoshiM.B.eta1.CROSOWAT:Adecisiontoolsforirrigationschedule[J].AgriculturalWaterManagement.1995,(27):203-223.[2]次仁多吉?拉薩市主要農(nóng)區(qū)土壤墻情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)平臺[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.[3]趙雷.土壤墻情信息采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系