摘 要：在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的背景下，充分挖掘生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的潛在價值對助力生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的指導(dǎo)，造成的水肥利用率低、水資源匱乏、土壤資源退化、環(huán)境污染等問題，從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用層角度出發(fā)，采用ECharts可視化技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了一套基于ECharts的生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可視化分析平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、個性化決策、系統(tǒng)管理等功能。平臺的應(yīng)用結(jié)果表明，該平臺能夠?qū)崟r、動態(tài)地分析農(nóng)作物生產(chǎn)全生命周期的各項關(guān)鍵信息，優(yōu)化農(nóng)業(yè)數(shù)字信息服務(wù)，為農(nóng)作物種植人員采用生態(tài)友好的方式實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精細(xì)化作業(yè)提供直觀的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：生態(tài)農(nóng)業(yè)；ECharts；可視化分析；動態(tài)分析；個性化決策；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-05

0 引 言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，一直以來都十分重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的視角來看，我國地域遼闊，各地區(qū)的農(nóng)業(yè)資源存在顯著差異，生產(chǎn)條件也各不相同；從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的視角來看，我國大部分農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù)指導(dǎo)來自于傳統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)驗[1-2]。傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)方式有較大弊端，主要依靠個人的農(nóng)業(yè)經(jīng)驗種植農(nóng)作物而缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的指導(dǎo)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率無法得到有效保障，而依靠改良農(nóng)作物品種來提高產(chǎn)量的方式具有一定的局限性。如果為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，過量使用農(nóng)藥、化肥等現(xiàn)代化作物養(yǎng)分供給手段，會存在嚴(yán)重的負(fù)外部性，造成包括土壤、水資源、食品的污染以及鳥類與有益昆蟲的減少[2]。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在水資源匱乏、土地資源退化以及勞動力缺失等問題[3]。黨的十八大提出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”戰(zhàn)略決策，十九大提出“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”。在鄉(xiāng)村振興的時代背景下，高效生態(tài)農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇[4]。

生態(tài)農(nóng)業(yè)是一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，旨在通過采用生態(tài)友好的方法，運用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的歷史經(jīng)驗、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果和管理手段，全面提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多功能服務(wù)能力[5]。物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的智能化、系統(tǒng)化發(fā)展提供了新的方向與技術(shù)支撐。以我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀為背景，國內(nèi)不少專家學(xué)者對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能化、自動化、遠(yuǎn)程管理進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6]以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)為重點，研究并建設(shè)了農(nóng)業(yè)管理信息化平臺，通過信息化手段獲取農(nóng)產(chǎn)品生長相關(guān)信息，以促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品銷售的可持續(xù)發(fā)展。文獻(xiàn)[7]針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遠(yuǎn)距離、低功耗通信需求的問題，采用LoRa和NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，并通過深度學(xué)習(xí)周期性分析相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)環(huán)境因素以實現(xiàn)增產(chǎn)。文獻(xiàn)[8]采用WebGIS等技術(shù)，將向日葵產(chǎn)量數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，為用戶提供向日葵遠(yuǎn)程產(chǎn)量分布圖。文獻(xiàn)[9]以農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)、資源環(huán)境數(shù)據(jù)、生物信息數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源，分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用路徑。盡管當(dāng)前農(nóng)作物種植信息化管理領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了不少成果，但在生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域同時兼顧經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的應(yīng)用研究仍較為匱乏。

因此，本文主要從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用層視角出發(fā)，以傳統(tǒng)民間農(nóng)業(yè)作業(yè)方式作為經(jīng)驗參考，根據(jù)具體的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計并開發(fā)生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可視化平臺。該平臺將結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，實時、動態(tài)地分析農(nóng)作物生產(chǎn)全生命周期的相關(guān)信息，充分利用生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，為農(nóng)戶提供切實可行的生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)。此舉能夠有力地推動我國生態(tài)農(nóng)業(yè)的信息化與可視化發(fā)展，提升農(nóng)戶的經(jīng)濟效益的同時兼顧生態(tài)效益，具有重要的社會意義及廣闊的商業(yè)發(fā)展前景。

1 平臺組織架構(gòu)與功能

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可視化平臺采用前后端分離的Web應(yīng)用開發(fā)模式，并結(jié)合平臺特色，將平臺總體架構(gòu)分為4層，即數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層，如圖1所示。業(yè)務(wù)邏輯層與應(yīng)用層之間通過請求與響應(yīng)機制進(jìn)行交互，且統(tǒng)一采用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，遵循高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計思想，以提高系統(tǒng)對于復(fù)雜業(yè)務(wù)的處理能力。平臺基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server， B/S）結(jié)構(gòu)，具有良好的跨平臺性、易擴展性以及豐富的交互性[10]。

1.1.1 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，存儲經(jīng)過后臺服務(wù)器預(yù)處理的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)要素全過程記錄。平臺的數(shù)據(jù)源主要有土壤墑情數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、個性化樣本數(shù)據(jù)等，作為數(shù)據(jù)可視化分析平臺的數(shù)據(jù)支撐。

1.1.2 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層采用JDBC技術(shù)將數(shù)據(jù)持久化到物理存儲中，并為系統(tǒng)提供CRUD服務(wù)，以滿足相關(guān)業(yè)務(wù)功能的數(shù)據(jù)讀寫要求。

1.1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的所有功能業(yè)務(wù)進(jìn)行邏輯封裝，實現(xiàn)用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)接口、智能預(yù)警、數(shù)據(jù)實時動態(tài)渲染等功能。該層通過基于RESTful風(fēng)格的Web Service接口，為實時數(shù)據(jù)可視化、空間數(shù)據(jù)可視化、歷史數(shù)據(jù)可視化提供豐富的個性化服務(wù)。

1.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層以Web平臺為載體，從布局、風(fēng)格、主視覺、信息圖表、字體、規(guī)范、動效等方面綜合考慮，結(jié)合ECharts可視化工具中豐富的可視化圖表類型，為用戶提供一個直觀、動態(tài)、可交互的可視化平臺。

1.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)總體架構(gòu)圖，生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可視化平臺按照功能分為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、個性化決策、系統(tǒng)管理4個模塊。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用場景需要用到的主流通信協(xié)議，平臺提供了MQTT和Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)接口，以實現(xiàn)平臺與設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳和控制指令的下發(fā)。在存儲數(shù)據(jù)前，需對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[11]，將形態(tài)各異的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以處理的對象，再根據(jù)數(shù)據(jù)類型存儲至不同的數(shù)據(jù)表中。

1.2.2 數(shù)據(jù)可視化模塊

平臺借助ECharts可視化工具，對土壤墑情數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、生態(tài)樣本數(shù)據(jù)等進(jìn)行封裝，以時間為維度分別實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的可視化，以空間為維度引入電子地圖與地理信息相映射，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化。

1.2.3 個性化決策模塊

個性化決策通過對歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史農(nóng)情數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，對不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行綜合考量，結(jié)合傳統(tǒng)與民間農(nóng)業(yè)作業(yè)方法，持續(xù)探索適宜作物生長的生態(tài)環(huán)境，不斷更新、完善，形成與目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的個性化經(jīng)驗樣本數(shù)據(jù)。

1.2.4 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理包括用戶權(quán)限、用戶管理兩個部分。系統(tǒng)對注冊的用戶設(shè)定訪問權(quán)限，以控制當(dāng)前用戶可訪問、操作的相關(guān)數(shù)據(jù)范圍，確保平臺的數(shù)據(jù)安全。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)業(yè)要素信息見表1。存儲范圍涵蓋土壤墑情數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)等。

2 平臺功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)可視化平臺集成開發(fā)環(huán)境為IntelliJ IDEA，采用Spring Boot集成框架完成后端開發(fā)，運用WebSocket、HTML5+ CSS+ JavaScript技術(shù)以及MySQL數(shù)據(jù)庫等完成前端設(shè)計。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1.1 ECharts

ECharts是一個基于JavaScript的開源可視化圖表庫，其底層依賴于輕量級的矢量圖形庫ZRender，支持個性化定制數(shù)據(jù)可視化圖表，并能夠兼容Chrome等主流瀏覽器，為用戶提供更直觀、交互性更強的視圖應(yīng)用[12]。在ECharts（4.0+）中，數(shù)據(jù)集組件dataset支持多種常用的數(shù)據(jù)格式，并支持?jǐn)?shù)據(jù)和配置分離，在一定程度上避免了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單獨管理。通過增量渲染技術(shù)（4.0+），配合各種細(xì)致的優(yōu)化，ECharts能夠展現(xiàn)千萬級的數(shù)據(jù)量，并且在這個數(shù)據(jù)量級下依然能夠進(jìn)行流暢的縮放平移等交互[13]。

2.1.2 WebSocket

WebSocket是HTML5提供的一種在單個TCP連接上進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議，旨在為Web應(yīng)用程序提供高效、雙向、實時的通信能力[14-15]。傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議是無狀態(tài)的，客戶端（如瀏覽器）需要主動發(fā)起請求以獲取服務(wù)器的響應(yīng)，適用于變化不頻繁的Web應(yīng)用[16]。為了滿足即時通信、實時數(shù)據(jù)、訂閱推送等功能的Web應(yīng)用需求，WebSocket應(yīng)運而生。如圖3所示，在WebSocket中，瀏覽器和服務(wù)器只需要完成一次“握手”，兩者之間就可以創(chuàng)建持久性的連接通道，并通過這條通道實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。這種方式不需要前端輪詢，更大程度地降低了資源消耗[16-17]。

2.2 主要功能實現(xiàn)

2.2.1 實時數(shù)據(jù)可視化

生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)是全方位、多領(lǐng)域的，平臺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實時產(chǎn)生的農(nóng)情數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)可視化圖表實時渲染，幫助農(nóng)戶更準(zhǔn)確地理解和分析農(nóng)情數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)可視化工作流程如圖4所示，主要分為以下兩個部分：

（1）數(shù)據(jù)源獲取與存儲

平臺正常運行時，服務(wù)器會開啟Socket服務(wù)，為傳感器設(shè)備提供基于TCP/IP連接的端口。傳感器設(shè)備通過無線通信連接的方式，連接服務(wù)器開放的端口，并使用自身設(shè)備支持的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器在接收到來自底層客戶端的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后存儲到數(shù)據(jù)庫的指定信息表中。

（2）數(shù)據(jù)實時推送

服務(wù)器采用Spring整合WebSocket的方式，為Web客戶端提供實時數(shù)據(jù)推送服務(wù)。當(dāng)用戶通過瀏覽器打開數(shù)據(jù)可視化平臺查看實時數(shù)據(jù)可視化頁面時，前端將通過JavaScript為當(dāng)前瀏覽器窗口實例化WebSocket對象，指定要連接的服務(wù)器地址與端口，向服務(wù)器發(fā)出建立WebSocket連接的請求。在WebSocket連接建立成功后，前端與服務(wù)器就可以通過TCP連接傳輸數(shù)據(jù)。服務(wù)器根據(jù)URL中攜帶的token信息，鎖定當(dāng)前請求的業(yè)務(wù)對象（當(dāng)前登錄用戶）以及業(yè)務(wù)主題，開始實時查詢數(shù)據(jù)庫任務(wù)。服務(wù)器將從數(shù)據(jù)庫中查詢到的農(nóng)業(yè)要素信息，通過已經(jīng)建立的WebSocket連接實時推送至前端可視化頁面，數(shù)據(jù)傳輸格式統(tǒng)一為JSON格式。

ECharts可以敏銳地察覺數(shù)據(jù)的變化而迅速做出改變。使用JavaScript技術(shù)將通過WebSocket獲取到的實時數(shù)據(jù)填充至指定位置后，由ECharts負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)映射為折線圖、柱狀圖、餅圖等可視化圖表，并根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)的變化差異選擇合適的動畫去表現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化，以實現(xiàn)實時渲染的動態(tài)效果。

2.2.2 空間數(shù)據(jù)可視化

種植區(qū)站點分布往往不集中，該板塊通過引入電子地圖并設(shè)計目標(biāo)實體分布的基本情況，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的圖表交互?？臻g數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)流程如圖5所示，具體包括以下3個部分：

（1）地理數(shù)據(jù)

使用阿里云DataV.GeoAtlas獲取中國地圖數(shù)據(jù)以及各省級（自治區(qū)級）、市級、區(qū)縣級的地理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為JSON格式。

（2）可視化結(jié)構(gòu)

將獲取到的地理數(shù)據(jù)通過JavaScript引入，使用ECharts提供的地圖可視化類型對各層級的數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，形成可視化結(jié)構(gòu)。將數(shù)據(jù)庫中存儲的種植區(qū)基本信息，即種植區(qū)地理坐標(biāo)、種植區(qū)名稱、種植區(qū)面積等數(shù)據(jù)封裝成JSON格式，并根據(jù)層級關(guān)系在可視化結(jié)構(gòu)中映射種植區(qū)信息。

（3）層級地圖

使用JavaScript實現(xiàn)地圖下鉆，并通過ECharts配置項進(jìn)一步優(yōu)化地圖的交互功能，主要包括全局+詳細(xì)、平移+縮放、焦點+上下文等，由此完成視圖轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)層級地圖的可視化交互。

2.2.3 歷史數(shù)據(jù)可視化

歷史數(shù)據(jù)可視化以時間為區(qū)間，將歷史數(shù)據(jù)映射為可視化圖表，通過更直觀的方式呈現(xiàn)不同農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢。歷史數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)流程如圖6所示，用戶選擇需要觀察的時間區(qū)間后，Web客戶端通過路由向服務(wù)器發(fā)起請求。服務(wù)器按照用戶需求，將從數(shù)據(jù)庫中查詢到的歷史區(qū)間數(shù)據(jù)封裝成JSON格式數(shù)據(jù)響應(yīng)給Web客戶端。與實時數(shù)據(jù)可視化的工作流程相似，JavaScript將返回的數(shù)據(jù)渲染成豐富的ECharts可視化圖表，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的可視化展示。

2.2.4 個性化決策

個性化決策為完善平臺監(jiān)測體系、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、社會效益提供可持續(xù)指導(dǎo)。實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)、個性化決策3個部分相輔相成，如圖7所示。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時收集到的農(nóng)情信息為實時監(jiān)測提供了可視化數(shù)據(jù)支撐，這些數(shù)據(jù)匯聚而成的歷史數(shù)據(jù)能夠直觀地呈現(xiàn)不同階段的農(nóng)情變化趨勢，通過對歷史數(shù)據(jù)的智能化分析形成個性化決策，個性化決策通過智能預(yù)警的方式體現(xiàn)在實時監(jiān)測板塊中。個性化決策作用主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）智能預(yù)警

實時監(jiān)測板塊中各監(jiān)測參數(shù)的初始預(yù)警值，根據(jù)用戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)置，由個性化決策板塊結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況進(jìn)行修改。

（2）農(nóng)業(yè)水肥一體化

實時監(jiān)測的農(nóng)情數(shù)據(jù)主要反映土壤營養(yǎng)情況以及種植區(qū)的環(huán)境狀態(tài)，通過分析土壤水肥情況，把握用肥比例、澆灌時間和用水量，精準(zhǔn)施肥、用水，合理利用農(nóng)業(yè)資源。

（3）個性化樣本

通過收集不同種植區(qū)的農(nóng)情歷史數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)資源使用記錄、用戶定期上傳的農(nóng)作物生長情況記錄，生成種植區(qū)的階段性樣本，為用戶科學(xué)種植、品種培優(yōu)等提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

3 結(jié) 語

本文以生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于ECharts、WebSocket等相關(guān)技術(shù)設(shè)計了生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可視化分析平臺。該平臺采用前后端分離的Web應(yīng)用開發(fā)模式，具有良好的跨平臺性、易擴展性以及豐富的交互性。本平臺結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)實時、動態(tài)地分析農(nóng)作物生產(chǎn)全生命周期的各項關(guān)鍵信息，旨在通過生態(tài)友好的方式，優(yōu)化農(nóng)業(yè)數(shù)字信息服務(wù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細(xì)化作業(yè)。農(nóng)業(yè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，本文對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中同時兼顧經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、社會效益的途徑展開了初步探索，未來將結(jié)合生物技術(shù)、新材料技術(shù)等高新技術(shù)，助力生態(tài)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展。

注：本文通訊作者為原秋燕。

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