潘桂穎，石媛媛，余春和，唐 健，王豐勝

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)院，廣西 南寧 530002； 2.廣西壯族自治區(qū)測繪地理信息檔案資料館，廣西 南寧 530023； 3.廣西國有雅長林場，廣西 樂業(yè) 533209)

近10年來，廣西人工林種植面積持續(xù)快速增長，2017年，廣西全區(qū)森林面積達(dá)1480萬hm2，森林覆蓋率達(dá)62.31%，居全國第一[1]。廣西如今已成為全國發(fā)展林漿紙一體化、林板一體化產(chǎn)業(yè)自然條件最優(yōu)越的省份。然而，大面積單一純林經(jīng)營、多代連栽也出現(xiàn)了樹種結(jié)構(gòu)單一、土壤退化等問題。為此，需要充分應(yīng)用林業(yè)科學(xué)研究成果和先進(jìn)經(jīng)營理念，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，大力推廣以測土配方施肥、調(diào)控營養(yǎng)平衡為主的精準(zhǔn)施肥技術(shù)，維持林地土壤肥力，促進(jìn)人工林林地可持續(xù)經(jīng)營。

WebGIS是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來擴展和完善地理信息系統(tǒng)的一項技術(shù)[3]。從互聯(lián)網(wǎng)的任意一個節(jié)點，用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進(jìn)行各種空間檢索和空間分析[4]。通過研究和開發(fā)基于WebGIS的廣西人工林施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)基于空間位置的廣西人工林土壤狀況在線查詢和精準(zhǔn)配方施肥，為各林場和林業(yè)經(jīng)營者提供人工林土壤施肥管理的有效技術(shù)手段，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總體構(gòu)架

圖2 系統(tǒng)功能

使用廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)院林地測土配方施肥數(shù)據(jù)以及推薦施肥模型，向林場和林業(yè)經(jīng)營者提供區(qū)域化的林地土壤信息查詢、施肥方案推送等方面的服務(wù)。系統(tǒng)要求使用方便、界面美觀?；谝陨弦?，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，使用HTML、JavaScript、C#語言、Microsoft Silverlight技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用層和表現(xiàn)層，使用微軟 Internet Information Services(IIS)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為業(yè)務(wù)邏輯層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊。在服務(wù)層，系統(tǒng)直接采用天地圖服務(wù)和發(fā)布自定義服務(wù)。數(shù)據(jù)層以MS SQL Server 搭配 ArcSDE進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和管理。在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和Web應(yīng)用層使用REST風(fēng)格的Web Service接口。整個系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，本項目布置在2臺華為彈性云服務(wù)器上。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

1.2 功能設(shè)計

經(jīng)過調(diào)研分析，對于系統(tǒng)功能的需求主要分為對基礎(chǔ)地理信息的查詢和操作功能、配方施肥決策功能和用戶管理功能3個方面。基礎(chǔ)GIS功能主要包括地圖縮放及漫游、查詢、圖層顯示及控制、測量功能；配方施肥決策功能主要包括養(yǎng)分含量查詢功能、施肥配方?jīng)Q策功能、土壤肥力評價功能等；用戶管理功能主要包括用戶注冊、認(rèn)證、權(quán)限管理等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)的分類存儲對提高系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)和系統(tǒng)管理的效率具有很大的作用。根據(jù)數(shù)據(jù)的分類進(jìn)行存儲進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由2部分構(gòu)成。

1)土壤養(yǎng)分空間數(shù)據(jù)。土壤養(yǎng)分空間數(shù)據(jù)是支撐系統(tǒng)運行的主要數(shù)據(jù)。土壤養(yǎng)分空間數(shù)據(jù)的來源是林業(yè)測土配方施肥項目中實地對林地土壤采樣化驗得到的表格數(shù)據(jù)。表格內(nèi)容包括采樣編號、采樣地點、pH值和有機質(zhì)、氮、鉀等15種土壤養(yǎng)分含量，見表1。

表1 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)

2)輔助資料數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用的輔助資料數(shù)據(jù)包括林業(yè)經(jīng)營類的數(shù)據(jù)如林班、樹種、樹齡、行間距和樹種各年齡段需要的養(yǎng)分特性等，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行土壤養(yǎng)分查詢和施肥決策的重要依據(jù)。輔助資料數(shù)據(jù)還包括一些行政區(qū)劃、林班數(shù)據(jù)等林業(yè)設(shè)施類數(shù)據(jù)，主要用于統(tǒng)計分析。

1.4 ArcGIS Server中使用天地圖

系統(tǒng)在ArcGIS for Silverlight下使用天地圖服務(wù)。天地圖服務(wù)使用緩存數(shù)據(jù)[5]，所以ArcGIS Server中需要創(chuàng)建自定義圖層類，這個類要繼承Tiled Map Service Layer類；自定義圖層中需要定義以下4個屬性和方法：①切圖的范圍Full Extent；②空間參考系Spatial Reference；③地圖切片信息Tile Info，包括切片的大小、級數(shù)，以及每級的空間分辨率；④還需要重寫Get Tile Url方法。當(dāng)?shù)貓D控件的范圍改變時，需要獲取到當(dāng)前范圍的信息，并將范圍內(nèi)的所有切片全部按順序顯示出來。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 空間數(shù)據(jù)瀏覽

空間數(shù)據(jù)瀏覽主要是對地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放、平移和全圖瀏覽幾個功能組成。在瀏覽器中對地圖的瀏覽是WebGIS基本的功能。ArcGIS API for Silverlight提供了方便簡潔的瀏覽控制工具，實現(xiàn)了縮放、平移、全圖顯示等基本的GIS操作方法。

2.2 土壤專題數(shù)據(jù)制作與發(fā)布

系統(tǒng)共使用580個采樣點數(shù)據(jù)，主要分布在廣西人工林種植集中區(qū)，為了得到覆蓋全廣西的主要林地范圍的連續(xù)數(shù)據(jù)，采用了高斯格呂克空間插值方法，對包括pH值在內(nèi)的15種養(yǎng)分含量分布生成土壤養(yǎng)分柵格圖，形成一個包含15個圖層的柵格數(shù)據(jù)集。采樣點分布和土壤養(yǎng)分含量(有機質(zhì))插值結(jié)果如圖3。這個柵格數(shù)據(jù)集通過ArcGIS Server發(fā)布成影像服務(wù)后，就可以實現(xiàn)在客戶端查詢土壤養(yǎng)分的功能。

圖3 采樣點分布和土壤養(yǎng)分含量(有機質(zhì))插值

2.3 土壤養(yǎng)分查詢與評價

養(yǎng)分查詢功能主要是通過發(fā)布出來的養(yǎng)分分布圖層進(jìn)行點查詢、面查詢和林班查詢。點查詢就是用戶通過鼠標(biāo)在地圖上選擇查詢點，系統(tǒng)立即返回該地的各種養(yǎng)分元素含量。面查詢是用戶在地圖依次點擊多個點，形成一個閉合多邊形，系統(tǒng)立即返回多邊形中各種養(yǎng)分元素的含量，該含量值是多邊形內(nèi)養(yǎng)分含量的平均值。林班查詢是面查詢的一個擴展，在列框中選擇林場、分場、林班的名稱，系統(tǒng)會自動放大到林班的位置，高亮顯示林班邊界并返回林班中各種養(yǎng)分元素的含量。

在養(yǎng)分查詢功能的基礎(chǔ)上，通過與后臺數(shù)據(jù)分級匹配，得到感興趣區(qū)域的土壤肥力等級、大量元素養(yǎng)分均衡狀況和微量元素水平等。其中肥力從好到次用5個等級分別以↑、、→、、↓直觀表示。在Silverlight開發(fā)環(huán)境下開發(fā)各種圖表界面，系統(tǒng)為展現(xiàn)土壤養(yǎng)分均衡狀況開發(fā)了雷達(dá)圖界面，以氮、磷、鉀、有機質(zhì)、pH值5個關(guān)鍵指標(biāo)衡量土壤養(yǎng)分的高低與平衡；微量元素水平采用折線圖表示，見圖4。

圖4 土壤肥力評價

2.4 施肥決策發(fā)布

在施肥推薦功能模塊下，用戶查詢輸入感興趣區(qū)域、樹種、樹齡、種植密度等信息后，系統(tǒng)會根據(jù)區(qū)域土壤養(yǎng)分狀況和配方施肥模型給出推薦施肥方案。得到施肥配方后用戶可以選擇保存到本地、打印，推送到手機等操作。

圖5 施肥方案推薦

3 小結(jié)

基于WebGIS的人工林土壤肥力評價及配方施肥系統(tǒng)依靠GIS先進(jìn)的圖形化管理功能，以及天地圖和ArcGIS Server等WebGIS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)地理信息發(fā)布功能，實現(xiàn)了基于空間位置的人工林土壤狀況在線查詢和精準(zhǔn)配方施肥，為林場和林業(yè)經(jīng)營者的人工林施肥管理、決策支持提供直觀的地理信息服務(wù)與數(shù)據(jù)保障，有力促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展。