基于WebGIS的田间环境监测系统平台的设计与实现
详细内容
1 引言
田间环境信息包括空气温湿度、土壤温湿度、光照度、风速、风向等,这些信息是农业专家系统分析和决策的重要数据源和参数[1],对它们进行实时、快速和连续地监测是实践精准农业和农田现代化管理的重要基础。传统的基于网络的环境信息监测系统很少有结合GIS技术进行地图空间查询的功能。WebGIS是Web技术应用于GIS开发的产物。利用Web技术在网络上发布地理信息,就能从Inter的任意一个节点浏览WebGIS 站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间检索和空间分析[2]。所以将WebGIS引进本系统,将田间环境信息与地块位置信息有效的整合,形成一个可视化的数据平台,进而对田间环境数据进行实时监测与统计分析,以期为农业生产的管理、规划和决策提供依据。
2 系统设计
2.1 系统体系结构设计
结合田间环境监测系统的实际需求和管理信息系统开发的技术,系统采用了C/S与B/S模式相结合的运行体系结构。系统中基础数据获取部分采用C/S结构。数据展示部分采用B/S结构。该运行体系结构大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量[3]。同时能实现不同的用户,从不同的地点,以不同的接入方式访问和操作共同的数据库[4]。符合环境监测系统的用户分布范围广、计算机操作水平不高的需求。
2.2 系统数据库设计
系统数据库分为空间信息数据库和田间环境信息数据库两部分[5]。系统采用慧图科技开发的空间数据引擎TopMap SDP 6,不必了解数据库中复杂的空间数据组织形式,即可在应用程序中高效地访问和管理数据库中的空间数据和属性数据[6]。田间环境信息可以以外挂属性的方式和空间数据进行有效的融合。
3 系统开发
系统的开发采用集成二次开发的形式。利用专业的GIS工具软件TopMap实现GIS的基本功能,同时以可视化开发工具Visual Studio.2010为二次开发平台, 进行二者的集成开发[7]。开发流程主要包括基础数据获取、地图制作、地图服务发布、二次开发定制等步骤。
3.1 基础数据获取
系统的数据包括空间数据和属性数据两部分。空间数据包括管理区面图层、地块面图层、监测点点图层等,通过桌面地理信息系统进行编辑、投影、叠加等处理,通过TopMop空间数据引擎TopMap SDP建立tsp格式的空间数据文件。属性数据包括两种,一种是地块的自然属性信息,一种是动态的田间环境信息。地块属性信息手工录入到SQL Server数据库中;田间环境信息通过已有的无线传感器网络实时采集,借助GPRS网络传输到服务器,通过对获取的字符串解码,转换成可用的十进制数存入SQL Server数据库中。两种属性数据都可以通过“DK_ID”字段与空间数据进行关联,外挂到空间数据中。
3.2 地图制作
利用TopMap基于ActiveX开发的桌面地理信息系统软件Desktop完成地图的制作。根据已有的地理信息数据,按照1:10000的比例绘制地图,地图包括管理区图层、地块图层、监测点图层等。依次进行地图绘制、标注设置、箭头标绘、投影设置及转换、矢量编辑、矢量校准、属性数据设定等操作[8]。最终绘制出符合实际需要的地图。
3.3 地图服务发布
地图制作完成后,使用TopMap的World向导工具完成地图发布服务。根据其向导式操作界面完成地图数据设置、地图发布参数设置、地图布局设置、地图工具设置、保存WebGIS工程等操作。最终生成用户可浏览的Web 服务。发布后,输出结果为一系列的htm文件、aspx文件、xml文件和java script函数库。这些文件可以用VS.工具自由编辑,为二次开发提供前提。
3.4 二次开发定制
经过发布后,生成一组包括顶端用户页面、左侧用户页面、地图主窗口、工具条、鸟瞰图、用户右侧页面、底端用户页面等在内的框架,每个框架显示一个HTM 页面,并与其他框架内的页面协调工作。对于框架未提供的功能,如田间环境获取、田间环境信息统计分析等功能,在开发中以VS.2010 为开发平台,建立aspx页面,在页面中实现相关功能,然后再通过页面链接的形式与地图框架整合。
4 系统主要功能的实现
4.1 GIS功能模块
提供地图缩放、移动、数据输出、距离测算、面积量算、选择、查询统计以及空间定位等功能,辅助用户对田间环境信息作深入分析处理。如通过对地图的属性数据进行模糊或者精确查询,或者通过点选或框选对某一区域进行查询,同时对查询返回的结果进行统计分析。以高分辨率的遥感影像为地图背景,在空间定位模块中输入某一位置,即可精确确定其空间位置,并在系统中高亮展示。
4.2 田间环境信息的获取
系统采用微型无线传感器网络作为田间环境的感知终端,完成田间环境信息中各个物理量的采集,并最终将数据汇聚到GPRS网关,再通过该网关借助中国移动的通信网络将数据发送到与互联网相连的数据处理服务器。
无线传感器网络由节点和协调器两部分组成。节点部分包括各种传感器、信号调理电路和无线收发模块。环境信息被传感器感知转化为电信号,经调理电路处理后交由控制器进行相应的数据格式处理,最终以一定的规范格式发送给无线收发模块[9]。协调器汇聚各个节点报送来的信息,对网络进行维护管理,同时作为无线传感器网络与GPRS 传输网络的桥梁,实现两种数据包格式的转换,完成两种网络之间透明的数据传输。
由无线传感器网络采集,经过GPRS传输到数据处理服务器的田间环境信息必须通过适当的解析和处理才能成为有效的数据[10]。所以在服务器端利用博联科技的WDTU.OCX控件,与高性能GPRS终端配合,实现数据的读取。同时对读取到的数据进行合法性验证,丢弃不合法数据包。对于合法数据包,经过解析得到一条包括监测点编号和传感器数值的有效数据。有效数据通过ADO.存入SQL Server 2005数据库中。完成田间环境信息获取的全过程。
4.3 田间环境信息显示
信息显示主要包括在地图上实时显示环境信息和地理信息。图1显示的是监测点的基本环境信息(空气温湿度、土壤温湿度、风速、光照度等)和地理信息(水田、旱田、林地、监测点等)。环境数据动态实时显示,默认显示当前时次的数据,以鼠标滑过监测点自动显示环境数据的方式显示,此种方式避免了同时显示多个监测点数据导致界面混乱的问题。同时设置显示开关,开关关闭则不再显示实时数据,有利于提高系统效率。
4.4 田间环境信息查询
系统实现了空间数据和属性数据的方便、灵活、准确的查询与定位[11]。利用获取到的田间环境信息,为相关用户提供查询服务。根据需求任意选择空间位置,查询该空间位置及其周围某时间、某时段的环境信息。或以各环境要素为属性,以属性查询方式获取符合条件的监测点或地块,符合条件的记录以列表形式给出,根据查询结果系统可以迅速定位到目标区域并高亮显示,如图2所示。
4.5 田间环境信息统计
系统实现了对各环境要素的最大值、最小值、平均值以及变化趋势曲线等信息的统计。提供固定时段和任意时段两种统计方式。固定时段统计提供各环境要素按年、月、日分别进行统计功能,统计结果如图3所示。
任意时段统计可以按监测点、查询要素、统计频率、开始时间和结束时间五个条件任意组合进行统计,统计结果以表格和图表形式列出,提供表格下载功能,如图4所示。
5 结束语
在TopMap软件平台上开发的基于B/S结构与ASP.技术的田间环境监测系统具有技术先进、结构清晰、交互能力强、操作方便、适应性强、开发周期短、维护成本低等优点,并具有一定的智能化特征。系统为农业部门快速、准确地掌控环境数据提供高效的信息化服务与技术支持。将环境数据以WebGIS的形式发布,便于环境数据与空间数据高效整合,使数据显示更加直观,也使数据的查询分析更具交互性,为农业生产的管理、规划和决策提供依据。
参考文献:
[1] 金博.基于触摸屏的温室环境监控系统的人机界面实现[J].农业工程学报,2004,(1):267-269.
[2] 刘锦.WebGIS技术在果业管理信息系统设计中的应用[J].地理空间信息,2011,(1):43-45.
[3] 邓中亮.基于B/S架构的网上通讯录系统的设计[J].网络安全技术与应用,2008,(10):71-72.
[4] 穆镭.无线网络接入设备管理系统的设计与实现[J].苏州科技学院学报:工程技术版,2009,(2):78-80.
[5] 高祥涛.基于ArcGIS的农电企业信息平台的设计与实现[J].东北农业大学报,2010,(2):56-58.
[6] 韦馨丰.基于WebGIS的气象信息综合服务平台的设计与实现[J].电子科技大学,2010:12-13.
[7] 王曦.基于GIS的公交换乘管理系统开发与研究[J].中南民族大学学报:自然科学版,2003,(9):54-57.
[8] 柴敏.面向项目管理的区域基本农田建设项目GIS的研发——以珠海市为例[J].安徽农业科学,2009,(35):17655-17657.
[9]-[10] 王彦集等.农田环境信息远程采集和Web发布系统的实现[J].农业工程学报,2008,(9):279-281.
[11] 丛艳艳等.基于WebGIS 水利信息系统的设计与实现[J].新疆环境保,2008,30(2):9-13.
作者简介:陈艳秋(1981-),女,工程师,从事工作:WEB软件开发。