WebGIS在農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)
<p>第 32 卷 第 4 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.32 No.4 2016年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2016 171 WebGIS 在農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)杜克明1，褚金翔1，孫忠富1，鄭飛翔1，夏 于1，楊小冬2（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097） 摘 要： 近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)能夠及時獲取監(jiān)測點上時間連續(xù)的數(shù)據(jù)，但在進行較大尺度的區(qū)域監(jiān)測時，因空間變異性影響，基于節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)面臨著監(jiān)測點分布設(shè)計、數(shù)據(jù)空間連續(xù)表達等諸多難題。針對農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測對象的特點，提出了由點到面的區(qū)域模擬與評估方法，設(shè)計了一套將物聯(lián)網(wǎng)基于“點”的監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 基于“面”的空間數(shù)據(jù)融合分析的解決方案。在已建立的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上，優(yōu)化集成 WebGIS 圖形化空間分析技術(shù)，建立了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 空間數(shù)據(jù)點面融合的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)位置地圖顯示、由點到面的區(qū)域模擬與評估、區(qū)域監(jiān)測專題圖管理 3 個功能。以河南省小麥災(zāi)情監(jiān)測為案例對系統(tǒng)進行了應(yīng)用分析，結(jié)果表明系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境由點到面的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測，提高了作物長勢與災(zāi)害的綜合診斷能力，并能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供更為便捷的應(yīng)用服務(wù)。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)環(huán)境；監(jiān)測；設(shè)計；物聯(lián)網(wǎng)；WebGIS ；點面融合 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.04.024 中圖分類號：S126 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-6819(2016) -04-0171-08 杜克明，褚金翔，孫忠富，鄭飛翔，夏 于，楊小冬. WebGIS 在農(nóng)業(yè) 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn) J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(4)：171178. doi ：10.11975/j.issn.1002 -6819.2016.04.024 http:/www.tcsae.org Du Keming, Chu Jinxiang, Sun Zhongfu, Zheng Feixiang, Xia Yu, Yang Xiaodong. Design and implementation of monitoring system for agricultural environment based on WebGIS with Internet of ThingsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 171178. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.04.024 http:/www.tcsae.org 0 引 言農(nóng)業(yè)在中國國民經(jīng)濟中占有重要地位，農(nóng)業(yè)環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測與管理是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。近年來隨著電子與通信技術(shù)的發(fā)展，以 3S（GIS 、GPS 和 RS）1-4、物聯(lián)網(wǎng)（ IoT，internet of things ）5-11、云計算（cloud computing ）12-14和大數(shù)據(jù)（big data ）15-18為代表的新一代信息技術(shù)，正在不斷地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的步伐。 地理信息系統(tǒng)（GIS ， geographic information system）是結(jié)合地理學(xué)、地圖學(xué)和計算機科學(xué)的一門綜合性學(xué)科，是一種利用計算機對有關(guān)地理、空間位置的數(shù)據(jù)進行存儲、查詢和顯示的計算機支持系統(tǒng)，主要用來描述現(xiàn)實世界中地物在空間上的分布及其屬性19。 WebGIS 是 Web技術(shù)與 GIS 相結(jié)合的產(chǎn)物，它的基本思想就是基于網(wǎng)絡(luò)提供地理信息服務(wù)，讓用戶通過瀏覽器從 WebGIS 服務(wù)收稿日期：2015-09-22 修訂日期：2016-01-06 基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31401280）；“十二五”支撐計劃課題（2011BAD32B03）；農(nóng)業(yè)部（948 計劃）項目（2011-G9） ；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（200903010 ） ；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY20120 6023） 作者簡介：杜克明，男，河南許昌人，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)控與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，100081。 Email：dukemingcaas.cn 通信作者：孫忠富，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與防災(zāi)減災(zāi)研究。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 100081。Email：sunzf263.net 器上獲取地理數(shù)據(jù)和地理處理服務(wù)20， WebGIS 將 GIS從專業(yè)應(yīng)用推向了大眾化服務(wù)，同時為地理信息共享提供了方便而有效的途徑。WebGIS 與傳統(tǒng)的 GIS 軟件相比在體系結(jié)構(gòu)上有了根本的改變，采用基于 Internet/Intranet的標(biāo)準(zhǔn)，支持 TCP/IP 和 HTTP，能與任何接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)相連，更新更及時、應(yīng)用范圍更廣。支持分布存儲的服務(wù)器端多源地理數(shù)據(jù)可以分散部署在不同的平臺，只要通過 Internet/Intranet 相聯(lián)就可以，系統(tǒng)安全性高，建設(shè)成本低，終端用戶不需要專門的 GIS 軟件，就可以享受到實時的 GIS 信息服務(wù)21-23。 WebGIS 技術(shù)能夠把網(wǎng)絡(luò)化的地圖這種獨特的視覺效果和地理分析功能與具體學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫操作很方便快捷的集成在一起，這一特點推動了 GIS 技術(shù)在不同學(xué)科領(lǐng)域的廣泛發(fā)展應(yīng)用。 在農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域，當(dāng)前國內(nèi)外已有學(xué)者在探索研究并建立了基于 WebGIS 的地面監(jiān)測系統(tǒng)。比較典型的研究包括對生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測24-25，對作物病蟲害的監(jiān)測26-28，對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染監(jiān)測與環(huán)境質(zhì)量評價29-30，對區(qū)域性農(nóng)業(yè)空間信息管理與決策支持應(yīng)用31-33，對區(qū)域水資源的預(yù)測評估與評價34等。但是，有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與 WebGIS技術(shù)的優(yōu)化集成，物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測信息與 WebGIS 空間信息的融合分析的研究尚鮮有報道。 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的延伸，是集成感知、傳輸、智能決策與控制功能一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)10。物聯(lián)網(wǎng)基于節(jié)點的監(jiān)測技術(shù)能夠及時的獲取一定區(qū)域內(nèi)離散點的、時間連續(xù)的數(shù)據(jù)，但存在空間上不連續(xù)的問題。因此，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 172 將物聯(lián)網(wǎng)與 WebGIS 技術(shù)相結(jié)合，建立物聯(lián)網(wǎng)基于“點”的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 基于“面”的空間數(shù)據(jù)相應(yīng)的融合分析方法，實現(xiàn)監(jiān)測信息在時間和空間上的表達，將為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更大的發(fā)揮空間。 本文基于前期已建立的國家小麥物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺35-36，以小麥生長環(huán)境監(jiān)測為研究對象，針對數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，進一步研究探討物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與WebGIS 空間數(shù)據(jù)的融合分析方法與應(yīng)用技術(shù)， 提出了由點到面的區(qū)域動態(tài)模擬與評估分析方法，建立了基于WebGIS 和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，最后以河南省冬小麥氣象災(zāi)害診斷為系統(tǒng)應(yīng)用案例，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境由點到面的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測，并能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供更為便捷的應(yīng)用服務(wù)。 1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu) 1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集 本文系統(tǒng)是在已建立的國家小麥物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建。國家小麥物聯(lián)網(wǎng)是在農(nóng)業(yè)部的專項支持下，在中國小麥主產(chǎn)區(qū)代表性區(qū)域部署田間監(jiān)測站點，對小麥生長環(huán)境信息進行實時采集和遠程傳輸至中心系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)小麥全生長過程的動態(tài)監(jiān)測，目前已在黃淮海、長江中下游、東北和西部小麥主產(chǎn)區(qū)部署完成 100 多個監(jiān)測站點，初步建成了覆蓋中國小麥主產(chǎn)區(qū)代表性區(qū)域的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，也為本文基于點面融合農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究提供了平臺基礎(chǔ)。 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計， 3 個層次分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層（如圖 1 所示）。 圖 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的層次結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of data acquisition of agricultural environment based on IoT technology 感知層解決農(nóng)業(yè)環(huán)境要素數(shù)據(jù)獲取問題。由傳感器節(jié)點以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，部署在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域中。監(jiān)測節(jié)點定時對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境要素（如作物不同位置與不同高度的空氣和土壤溫濕度、降水、輻射和風(fēng)速等）和圖像等信息進行定時采集，并傳送到匯聚節(jié)點。 網(wǎng)絡(luò)層解決數(shù)據(jù)遠程異地傳輸問題。該層通過Internet 和 GPRS/3G 移動通信網(wǎng)接入實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，并結(jié)合相應(yīng)的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，將其安全穩(wěn)定的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。 應(yīng)用層解決信息處理和人機交互的問題。該層由服務(wù)器等基礎(chǔ)架構(gòu)平臺和 Web 應(yīng)用程序等軟件平臺共同構(gòu)成，主要功能是把從各個監(jiān)測點獲取的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進行存儲、發(fā)布和分析等操作，針對相應(yīng)農(nóng)情問題做出及時的診斷和決策管理，面向用戶提供應(yīng)用和服務(wù)。本文在應(yīng)用層進行 WebGIS 圖形化空間分析技術(shù)的優(yōu)化集成，建立物聯(lián)網(wǎng)基于“點”的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 基于“面”的空間數(shù)據(jù)的融合分析，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境由點到面的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測。 1.2 基于 WebGIS 的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析 基于 WebGIS 的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計由三大部分組成：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、 WebGIS 應(yīng)用服務(wù)器、Web 服務(wù)器以及運行其上的 Web 應(yīng)用程序。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括地理數(shù)據(jù)庫、環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫和專家知識數(shù)據(jù)庫等，其中，地理數(shù)據(jù)庫為 GIS 專用數(shù)據(jù)庫，記錄地圖點線面等空間要素的拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)和農(nóng)情遙感專題圖的柵格數(shù)據(jù)，環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫則存儲地面監(jiān)測點傳感器實時獲取的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，專家知識數(shù)據(jù)庫則存儲作物苗情與災(zāi)害相關(guān)的判別指標(biāo)、歷史經(jīng)驗、管理措施等知識數(shù)據(jù)和常用指標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。 WebGIS 應(yīng)用服務(wù)器則是系統(tǒng)實現(xiàn)站點數(shù)據(jù)地圖顯示、區(qū)域監(jiān)測專題圖制作等各種空間數(shù)據(jù)檢索與分析功能的核心組成，以 Web Service 空間數(shù)據(jù)接口形式提供應(yīng)用服務(wù)37-39。Web 服務(wù)器由運行其上的一系列 Web 應(yīng)用程序最終實現(xiàn)系統(tǒng)面向終端用戶的數(shù)據(jù)在線發(fā)布、作物苗情與災(zāi)情診斷、區(qū)域監(jiān)測專題圖管理和面向其它平臺提供 Web service 接口等功能。本文系統(tǒng)基于 WebGIS 的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。 圖 2 基于 WebGIS 的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of data analysis of agricultural environment based on WebGIS technology 在使用中，用戶通過瀏覽器向 Web 服務(wù)器發(fā)送請求，Web 服務(wù)器接收瀏覽器的請求，解析成相應(yīng)的操作指令形式分別訪問對應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和 WebGIS 應(yīng)用服務(wù)器，查詢獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)和 GIS 數(shù)據(jù)返回 Web 服務(wù)器，經(jīng) Web 服務(wù)器處理后返回瀏覽器，從而實現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器動態(tài)交互，也即面向用戶服務(wù)的整體過程。 第 4 期 杜克明等：WebGIS 在農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn) 173 2 系統(tǒng)功能設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總體功能模塊 農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)在功能上主要分為：監(jiān)測點數(shù)據(jù)在線發(fā)布、災(zāi)情診斷、苗情診斷和區(qū)域監(jiān)測專題圖四個部分（圖 3 所示）。 WebGIS 技術(shù)在系統(tǒng)中的功能應(yīng)用主要體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)位置地圖顯示、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害由點到面的區(qū)域模擬與評估、作物苗情由點到面的區(qū)域模擬與評估、區(qū)域監(jiān)測專題圖管理（見圖 3 中灰色標(biāo)示部分）。數(shù)據(jù)位置地圖顯示，也即物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點位置和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線地圖定位顯示；苗情和災(zāi)情由點到面的區(qū)域模擬與評估，是本文系統(tǒng)的核心功能部分，是基于監(jiān)測點作物苗情和災(zāi)情的實時監(jiān)測與診斷結(jié)果，根據(jù)同一生態(tài)區(qū)域內(nèi)條件相對一致性和區(qū)域間條件差異明顯性原則，計算模擬與評估區(qū)域監(jiān)測動態(tài)；區(qū)域監(jiān)測專題圖管理，則是根據(jù)由點到面的區(qū)域模擬結(jié)果，動態(tài)生成、動態(tài)在線顯示和定時存儲區(qū)域監(jiān)測專題圖，包括農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害區(qū)域監(jiān)測專題圖、作物苗情區(qū)域監(jiān)測專題圖、從其它平臺獲取的農(nóng)情遙感等專題圖，以及與區(qū)域監(jiān)測結(jié)果信息相應(yīng)的專家決策與預(yù)警預(yù)報等功能。 圖 3 系統(tǒng)總體功能模塊設(shè)計 Fig.3 Functional module design of the system 2.2 由點到面的區(qū)域模擬與評估 通常情況下，氣候生態(tài)條件在同一生態(tài)類型區(qū)域范圍內(nèi)相同或相似，氣候生態(tài)因子在同一生態(tài)類型區(qū)域范圍內(nèi)呈現(xiàn)均勻變化趨勢，而在不同生態(tài)類型區(qū)域間則條件差異相對明顯40。因此，由監(jiān)測點采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)可以反映該監(jiān)測點所代表的農(nóng)田區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)，而同一生態(tài)類型區(qū)的多個代表性農(nóng)田區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)又可以進一步作為該生態(tài)類型區(qū)域的農(nóng)業(yè)環(huán)境狀態(tài)的初步反映。根據(jù)監(jiān)測對象的特征和不同精確度需求，對于較大范圍的生態(tài)類型區(qū)域，又可以劃分為若干個生態(tài)類型子區(qū)域，或者依次遞進循環(huán)細分為多級的子區(qū)域。 根據(jù)小麥生長環(huán)境的溫度、光照和水分等主要氣候生態(tài)因素，并結(jié)合地形地貌、土壤種類、生產(chǎn)條件等特征，一個小麥生產(chǎn)區(qū)通常劃分為若干不同的生態(tài)類型區(qū)域。本研究按照同一區(qū)域內(nèi)條件相對一致性和區(qū)域間條件差異明顯性原則，基于小麥物聯(lián)網(wǎng)已建立的小麥監(jiān)測站點，在小麥產(chǎn)區(qū)的不同生態(tài)類型區(qū)內(nèi)分別選定代表性農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域，然后在代表性農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域分別選定代表性的小麥監(jiān)測點。以同一個農(nóng)田監(jiān)測代表性區(qū)域內(nèi)所有選定的監(jiān)測點的監(jiān)測與診斷結(jié)果的均值作為該區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)；以同一個生態(tài)類型區(qū)內(nèi)所有選定的代表性區(qū)域的監(jiān)測與診斷結(jié)果的均值作為該生態(tài)類型區(qū)的環(huán)境狀態(tài)，建立“監(jiān)測點 代表性農(nóng)田區(qū)域 生態(tài)類型區(qū) 整個小麥產(chǎn)區(qū)”的由“點”到“面”的區(qū)域動態(tài)模擬與評估（詳細流程如圖 4 所示）。 圖 4 由點到面的區(qū)域模擬與評估流程圖 Fig.4 Flow diagram of simulation and evaluation from on-farm sites to regional scales 本文系統(tǒng)根據(jù)所選監(jiān)測點對小麥災(zāi)情與苗情的監(jiān)測診斷結(jié)果信息，分別構(gòu)建由“點”到“面”的區(qū)域動態(tài)模擬與評估，并以區(qū)域監(jiān)測專題圖形式實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線地圖動態(tài)顯示。 3 系統(tǒng)實現(xiàn)與結(jié)果分析 系統(tǒng)采用 Visual studio 2010 集成開發(fā)工具，在ASP.NET MVC3 框架下運用 C#語言開發(fā)， WebGIS 應(yīng)用采用百度地圖 API 技術(shù)構(gòu)建。百度地圖 API 是網(wǎng)絡(luò)上廣泛采用的一套為開發(fā)者免費提供的基于在線地圖服務(wù)的應(yīng)用接口，可滿足 PC 端、移動端、服務(wù)器等多種設(shè)備端和多種操作系統(tǒng)的地圖應(yīng)用開發(fā)，尤其適用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)輕型的空間信息應(yīng)用系統(tǒng)。 本文以河南省小麥生長環(huán)境與氣象災(zāi)害監(jiān)測為案例，進行本文系統(tǒng)的實例應(yīng)用與結(jié)果分析。 3.1 監(jiān)測點數(shù)據(jù)的地圖顯示 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點數(shù)據(jù)的地圖顯示，主要包括監(jiān)測點位置的地圖定位和監(jiān)測數(shù)據(jù)的地圖顯示。 系統(tǒng)用戶可進行相關(guān)的地圖瀏覽操作（包括地圖放大、縮小、平移）以查看和管理監(jiān)測點的位置信息、運行狀態(tài)和分布情況等。既可以全部顯示，也可以分類選擇顯示某區(qū)域或某類型的監(jiān)測站點，選擇用戶所需的數(shù)據(jù)進行顯示。小麥監(jiān)測點位置信息的系統(tǒng)運行界面如圖 5所示。 監(jiān)測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的地圖顯示，是基于地圖位置信息，用戶通過選擇監(jiān)測點可以查詢該站點實時獲取的數(shù)據(jù)和圖像信息；也可以通過選定查詢起止時間，進行歷史數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計分析，比如：不同時期內(nèi)某環(huán)境因子的變化規(guī)律、同時間點不同站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ确治?、同一站點不同年份監(jiān)測數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ确治龊统Ｓ弥笜?biāo)計算等。 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報（http:/www.tcsae.org ） 2016 年 174 圖 5 監(jiān)測點位置信息地圖（系統(tǒng)界面截圖） Fig.5 Online map of location information of monitoring sites (system interface snapshot) 以河南安陽滑縣小麥監(jiān)控站點為例，除了在現(xiàn)場安裝了高清攝像頭，安裝的傳感器有：空氣溫濕度、土壤溫濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量等。用戶通過系統(tǒng)在線地圖顯示界面不僅可以查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還可以選擇查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可對小麥長勢、墑情、農(nóng)田氣象等因子進行在線瀏覽和統(tǒng)計分析，也可選擇時間段，進行數(shù)據(jù)下載等（如圖 6 所示）。 圖 6 監(jiān)測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的地圖顯示界面（河南省滑縣小麥監(jiān)控站點為例） Fig.6 Online map of real-time data of monitoring sites in the system (a case of the wheat site in Hua County, Henan) 3.2 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測 本文以河南省在 2013 年 5 月 11 日 12 日發(fā)生的干熱風(fēng)的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測為實例進行系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用與分析。 小麥干熱風(fēng)災(zāi)害是在小麥揚花灌漿期出現(xiàn)的一種高溫低濕并伴有一定風(fēng)力的災(zāi)害性天氣，它可使小麥?zhǔn)ニ制胶?，影響各種生理功能，進而使千粒重明顯下降，導(dǎo)致小麥減產(chǎn)，黃淮海冬麥區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害診斷通常采用日最高氣溫 30、 14 時空氣相對濕度 30%和 14 時風(fēng)速3 m/s 的三氣象要素指標(biāo)組合41。 系統(tǒng)采用監(jiān)測點的小麥冠層位置空氣溫度、空氣相對濕度和 1.5 m高度風(fēng)速 3個要素的實時監(jiān)測值作干熱風(fēng)的實時監(jiān)測與災(zāi)害診斷。同時，為便于區(qū)域監(jiān)測信息的空間直觀呈現(xiàn)，系統(tǒng)將干熱風(fēng)劃分為警報、預(yù)警和正常 3個等級并分別以不同顏色標(biāo)示：紅色警報，是指三個要素同時達到干熱風(fēng)診斷指標(biāo)值，表示干熱風(fēng)災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生或接近發(fā)生，一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)則設(shè)定當(dāng)天一直持續(xù)紅色警報；黃色預(yù)警，是指空氣溫度達到診斷指標(biāo)值，相對濕度和風(fēng)速沒有達到指標(biāo)值，受到干熱風(fēng)環(huán)境脅迫，存在發(fā)生干熱風(fēng)災(zāi)害的可能，當(dāng)空氣溫度下降到診斷指標(biāo)值以下后，系統(tǒng)則解除預(yù)警；正常，則以綠色標(biāo)示，指空氣溫度沒有達到指標(biāo)值，不存在干熱風(fēng)。 3.2.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點的實時監(jiān)測 2013 年 5 月 11 日 -12 日，河南省大部分地區(qū)出現(xiàn)高于 30的高溫天氣，冬小麥此時正處于易遭受干熱風(fēng)災(zāi)害的灌漿期，而干熱風(fēng)的發(fā)生經(jīng)常在數(shù)小時內(nèi)就能導(dǎo)致小麥災(zāi)害的嚴重發(fā)生，該時期的干熱風(fēng)實時監(jiān)測與災(zāi)害動態(tài)診斷尤為重要。 在豫中補灌區(qū)的鄭州滎陽小麥監(jiān)測站點，據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示， 5 月 11 日 13 點至 16 點 20 分的時間段內(nèi)，小麥冠層位置空氣溫度高于 30，同時空氣相對濕度低于30%，但是風(fēng)速監(jiān)測值一直遠遠低于 3 m/s，即在該時間段內(nèi)空氣溫度與空氣濕度同時達到了干熱風(fēng)災(zāi)害的診斷指標(biāo)值，但是平均風(fēng)速并未達到診斷指標(biāo)值。該時間段系統(tǒng)輸出診斷結(jié)果：監(jiān)測點出現(xiàn)干熱風(fēng)黃色預(yù)警，存在發(fā)生干熱風(fēng)災(zāi)害的可能。圖 7 顯示了鄭州滎陽監(jiān)測站點 5月 11 日當(dāng)天的干熱風(fēng)監(jiān)測動態(tài)。 圖 7 2013 年 5 月 11 日鄭州滎陽小麥監(jiān)測點 干熱風(fēng)三要素實時監(jiān)測 Fig.7 Real-time monitoring on 3-element of dry-hot wind using the wheat site in Xingyang County on May 11, 2013 基于同上的分析，豫南雨養(yǎng)區(qū)的南陽方城小麥監(jiān)測點在當(dāng)天的 12 點 40 分至 17 點 20 分的時間段內(nèi)，小麥冠層位置空氣溫度超過 30 ，空氣相對濕度與風(fēng)速均未達到指標(biāo)值，出現(xiàn)干熱風(fēng)黃色預(yù)警；豫北灌區(qū)的新鄉(xiāng)獲嘉小麥監(jiān)測點在當(dāng)天 13 點 30 分至 17 點 40 分的時間段內(nèi)，小麥冠層位置空氣溫度高于 30 ，其他兩要素同樣未達到指標(biāo)值，出現(xiàn)干熱風(fēng)黃色預(yù)警；豫西旱作區(qū)的三門峽小麥監(jiān)測點當(dāng)天全天的小麥冠層位置空氣溫度均在30 以下，不存在干熱風(fēng)。 3.2.2 由點到面的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測 根據(jù)影響小麥生產(chǎn)的溫度、光照和水分等主要氣候生態(tài)因子，并結(jié)合地形地貌、土壤種類、生產(chǎn)條件等特征，河南省小麥產(chǎn)區(qū)通常劃分為四大生態(tài)類型區(qū)域：豫中補灌區(qū)、豫南雨養(yǎng)區(qū)、豫北灌區(qū)和豫西旱作區(qū)35。 對于氣候生態(tài)因子，能夠顯著體現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)條件相對一致性和區(qū)域間條件差異明顯性的特點，代表性監(jiān)測點的數(shù)據(jù)在同一生態(tài)類型區(qū)域內(nèi)具有較強的代表性。第 4 期 杜克明等：WebGIS 在農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn) 175 因此，在農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害區(qū)域尺度的監(jiān)測設(shè)計上，本研究在豫中補灌區(qū)、豫南雨養(yǎng)區(qū)、豫北灌區(qū)和豫西旱作區(qū)四個生態(tài)類型區(qū)分別選定鄭州滎陽、南陽方城、新鄉(xiāng)獲嘉和三門峽四個代表性監(jiān)測區(qū)域，然后在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)分別選定 1 個代表性的小麥監(jiān)測站點：鄭州滎陽小麥監(jiān)測站、南陽方城小麥監(jiān)測站、新鄉(xiāng)獲嘉小麥監(jiān)測站和三門峽小麥監(jiān)測站，建立起“監(jiān)測點實時監(jiān)測 代表性農(nóng)田區(qū)域監(jiān)測 生態(tài)類型區(qū)域監(jiān)測 河南省小麥產(chǎn)區(qū)的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測”。 依據(jù)以上四個代表性監(jiān)測點的實時監(jiān)測診斷結(jié)果，系統(tǒng)可自動計算輸出河南省小麥產(chǎn)區(qū)干熱風(fēng)由點到面的區(qū)域模擬結(jié)果，同步生成河南省小麥干熱風(fēng)區(qū)域監(jiān)測專題圖，并實時地圖顯示和定時存儲于 GIS 數(shù)據(jù)庫。同時，系統(tǒng)根據(jù)各個區(qū)域的干熱風(fēng)預(yù)警預(yù)報等級，自動調(diào)取專家知識數(shù)據(jù)庫，進行對應(yīng)的災(zāi)情描述、災(zāi)損分析、防控或減緩措施建議等區(qū)域災(zāi)害的評估分析與決策支持，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置分別反饋給相應(yīng)區(qū)域的用戶。圖 8a、 8b、8c 和 8d 分別選取系統(tǒng)在 2013 年 5 月 11 日 12 時、 13 時、15時和 17時 4 個時間點的河南省小麥干熱風(fēng)災(zāi)害的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測專題圖。 a. 12:00 b. 13:00 c. 15:00 d. 17:00 圖 8 2013 年 5 月 11 日 4 個不同時間點河南省小麥干熱風(fēng)災(zāi)害的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測（系統(tǒng)界面截圖） Fig.8 Regional dynamic monitoring of wheat dry-hot wind disaster in Henan province at four different time points on May 11, 2013 (system interface snapshot) 4 結(jié)論與討論 本文以農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測為研究對象，綜合利用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，進行基于物聯(lián)網(wǎng)與 WebGIS 技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究。提出了由點到面的區(qū)域模擬與評估方法，設(shè)計了一套將物聯(lián)網(wǎng)基于“點”的監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 基于“面”的空間數(shù)據(jù)融合分析的解決方案；以小麥物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 空間數(shù)據(jù)點面融合的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測點數(shù)據(jù)位置的地圖顯示、作物災(zāi)情和苗情由點到面的區(qū)域模擬與評估、區(qū)域監(jiān)測專題圖的動態(tài)生成、以及基于監(jiān)測診斷結(jié)果的預(yù)警預(yù)報和專家決策支持等基于 WebGIS 圖形化空間分析的功能；最后以河南省小麥災(zāi)情監(jiān)測為案例對系統(tǒng)進行了實例應(yīng)用分析。該系統(tǒng)能有效地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境由點到面的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測，提高農(nóng)業(yè)環(huán)境和災(zāi)害的綜合診斷能力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供更為便捷的應(yīng)用服務(wù)。 本文的貢獻主要體現(xiàn)在以下兩方面： 1）將物聯(lián)網(wǎng)基于“點”的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與 WebGIS 基于“面”的空間數(shù)據(jù)相融合，提出了由點到面的區(qū)域模擬與評估方法； 2）基于以上方法，設(shè)計開發(fā)了點面融合的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境區(qū)域動態(tài)監(jiān)測功能。 下一階段工作將重點深入以下研究： 1）基于以上由點到面的區(qū)域模擬與評估方法，研究建立河南省小麥凍害的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測，豫南雨養(yǎng)區(qū)與豫西旱作區(qū)小麥干旱的區(qū)域動態(tài)監(jiān)測； 2）選定區(qū)域內(nèi)更多的監(jiān)測站點加入系統(tǒng)的區(qū)域計算模擬與評估中，研究建立更為明細的多級區(qū)域類型劃分體系，以提高區(qū)域定量化模擬的準(zhǔn)確度； 3）打破基于行政邊界的區(qū)域劃分方法，結(jié)合區(qū)域內(nèi)種植區(qū)域分布與地理特征等信息，研究確立最優(yōu)的統(tǒng)計模擬方法，建立基于實際種植和生態(tài)類型區(qū)劃的農(nóng)業(yè)環(huán)境區(qū)域監(jiān)測方法與系統(tǒng)應(yīng)用。 參 考 文 獻 1 楊邦杰，裴志遠，張松嶺. 基于 3S 技術(shù)的國家級農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17(1)：154158. Yang Bangjie, Pei Zhiyuan, Zhang Songling. RS-GIS-GPS-based agricultural condition monitoring systems at a national scaleJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2001, 17(1): 154158. (in Chinese with English abstract) 2 Wang X D, Wang H M, Dang A R. Research on large-scale dynamic monitoring of landuse with RS, GPS and GISC/ Igarss 2000: IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Vol I-Vi, Proceedings. New York: IEEE, 2000: 21342136. 3 Liang Yong, Lu Xiushan, Zhang Degui, et al. Study on the framework system of digital agricultureJ. Chinese Geographical Science, 2003, 13(1): 1519. 4 鄺繼雙，汪懋華. 3S 技術(shù)在農(nóng)田基礎(chǔ)地圖測繪與更新中的集成應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(3)：220223. Kuang Jishuang, Wang Maohua. Application of GIS, GPS and RS for field surveying, mapping and data updatingJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(3): 220223. 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Expert Systems with Applications, 2014, 41(8): 3809 3824. 13 孫香花 . 云計 算研究 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J. 計算機測量與控制，2011，19(5)：9981001. Sun Xianghua. The research status and development trend of cloud computingJ. Computer Measurement 2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China) Abstract: There are two of the main practical monitoring approaches in agriculture including remote-sensing monitoring and on-farm monitoring. Remote-sensing monitoring uses remote-sensing technologies and devices such as satellites and aerial vehicles to extract the key parameters of agricultural information. The remote-sensing technology is effective on regional-scale monitoring, but difficult to collect real-time information in farmlands. On-farm monitoring uses a variety of sensors deployed in farmlands as well as corresponding data processing and transmission equipment to dynamically acquire on-farm information. The Internet of Things (IoT) technology based on the sensor nodes has been widely used in the field of agricultural environment monitoring in recent years. However, when a regional-scale monitoring is carried out by using the IoT technology, there are some problems in the distribution of monitoring sites and the space representation of monitoring data. Aiming at the problems, an approach to evaluation of agricultural environment from on-farm sites to regional scales and the corresponding solution are proposed in this paper. Most of the factors of agricultural environment remain minor variation and appear to be uniform in the same ecological type region, except for extreme weather events or geographical conditions. Therefore, the agricultural environmental information acquired by an on-farm monitoring site could be regarded as the representation of the entire farm where the site located, and the agricultural en</p>
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