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1、 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
2、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
3、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11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。11I属性数
4、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
5、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(GBl56181995)，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 (GB50841992)，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、NO
6、x、氟化物、TSP。112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 50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。12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 60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
7、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
8、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
9、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。13 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 obj
10、ects作为本系统的GIS平台，它是基于ActiveXCOM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 60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。14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
11、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)。21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。22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。23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
12、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。24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
13、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。25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
14、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
15、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。26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1719。27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
