基于 GIS的节水农业决策支持系统建立初探

盖艾鸿, 李纯斌, 杨昌裕

(甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州 730070)

摘要: 结合张掖市甘州区农业用水的实际情况,以GIS与 DSS技术、专业节水模型为支撑,建立一个集数据输入、输出、管理、分析、决策为一体的集成系统,以弥补传统农业节水数据分析和表达的局限性,大大增强节水农业决策支持系统的功能。 在分析系统需求的基础上,提出节水农业决策支持系统的结构框架,并对其功能进行了初步设计。

关 键 词: GIS;决策支持;节水农业; 功能设计

中图分类号: TP 79 / P 208 文献标识码: A 文章编号: 1004-0323( 2004) 05-0392-04

1 引 言

随着全球气候变暖和干旱程度的不断加剧,水资源不足已成为制约农业持续高效发展的重大障碍,节水农业技术的研发已成为涉及经济、生态和社会的综合性问题〔 1〕。 我国是典型的贫水国家和农业大国,水土资源的配置不合理和降水资源的时空分 布极不均匀,特别是地处我国西北地区的河西走廊, 土地辽阔、光能丰富、土热利用率高,但年降水量仅有 35～ 200 〔2〕 ,水资源极度溃乏,使节水农业技术研发更显紧迫。

张掖市甘州区就处在河西走廊地带,位于青藏、蒙新、黄土高原交汇处,南邻青海、北连内蒙、西控新疆,是欧亚大陆桥的咽喉要冲、东西贯通的桥梁和纽带,是没有灌溉就没有农业的典型干旱内陆河干旱区及西北地区重要的商品粮、 蔬菜和瓜果生产基地,也是甘肃省今天和今后经济社会发展最具活力和潜力的地区之一,水是该区最具战略意义的资源。其自然生态类型、内陆河流域绿洲灌溉方式和社会经济发展状况在西北地区具有很强的代表性。 在张掖建立节水农业决策支持系统,可为西北同类地区树立一个农业持续、高效发展的模式和样板,带动西北荒漠绿洲农业整体上实现由传统农业向现代化农业的转变和跨越〔 3〕。

我国通过近 20多年的努力, 在工程节水和农艺、管理节水的技术储备已初步具备〔1〕 ,这为节水技

术优化集成创造了条件。 张掖市甘州区由于灌溉水的大量浪费,致使农业用水占各项总用水量的比值 偏高,而灌水生产效率较低,所以发展节水农业,不 仅潜力巨大,而且对推动该地区农业、农村经济发展和生态环境将发挥极大作用。 发展该区节水农业的关键是应用现代高新技术和信息技术,提高作物自 身的水分转化效率,技术集成和创新应以生物及农 艺节水为主,结合管理、工程、化学节水技术,建立该地区的节水农业决策支持系统。

2 系统总体结构

2. 1 系统开发平台

GIS平台经过比较、论证,决定采用中地公司开发的 MapGIS 6. 2,对于此选择有以下 3方面的考虑:

( 1) 由于本单位使用 MapGIS时间较早,对其系统熟悉,掌握使用熟练。

( 2) 建立本系统需要众多的技术人员参与, 对

于非计算机专业人员掌握也容易上手,此外,此软件 在当地管理部门普及率高。

( 3) 使用 MapGIS无后顾之忧,在网络应用上也有着成熟的方案,对于今后数据的增加也有海量 数据的处理方案。

根据 M apGIS开发的特点,开发语言采用微软

公司的编程软件 Visual Basic,进行功能模块的开发; 数据库选用 SQL serv er 2000; 为了便于集中化

收稿日期: 2004-04-18; 修订日期: 2004-08-05

基金项目: 国家高科技发展计划 ( 863计划 )节水专项项目 ( 2002AA 2Z4191)资助。

作者简介: 盖艾鸿 ( 1967- ) ,男 ,高级工程师 ,主要从事制图及 GIS应用。

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管理以及实现客户端跨平台应用,软件体系结构采 用浏览器- 服务器结构和 Internet结合的方式。

2. 2 系统功能要求

节水农业决策支持系统,应能够全面、系统、方便地管理地表水、地下水。 应具备如下功能:

( 1) 各类信息的快速输入、查询、修改、删除,以及对各类数据的合理性检查。数据动态更新 ,保证数据的现实性。

( 2) 适应不同的数据源,不仅可以在 GIS中浏览或定制界面输入数据,并能有效地读取其它格式

的数据,如 TX T、 dbase、分界 ASCI、I

3或 Micro soft Ex cel文件〔 5〕。

LO TUS1- 2-

( 3) 适应各种不同方式和不同需求的查询,应该具有丰富、灵活、成熟的查询手段,能按关键字、经纬度索引,系统能利用所有图层的关键字建立索引表,其中应涵盖所有对象的关键字,输入关键字便可 以一次查询到检索对象。

( 4) 水资源管理面广量大,系统应能适应海量

数据的查询,可以在几千或几万对象中查询、定位、

统计、分析。

( 5) 系统在处理海量地图数据中应该采取先进的 GIS技术,使几十或几百兆的地图数据快速显示, 迅速定位,并能方便地实现了海量地图数据的显示、漫游。

( 6) 应该对建立的全部图层按不同方式对所有字段进行统计、汇总。

( 7) 系统及其各个功能的设计应该采取通用、开放、可扩充的设计思想,使各功能以独立的模块出现,用户可以任意、灵活地组合和取舍,可以根据工作的不同阶段建立不同的图层而决定系统的内容。

2. 3 系统基本框架

本系统是基于 GIS 的节水农业决策工具,人机交互简捷方便,面向决策管理者、农户、专业技术人员。 系统由人机交互、模型、推理、数据 4部分构成〔 4〕 ,其基本框架如图 1所示。

数据库系统主要功能是管理、存储相关信息,为节水方案的制定和辅助管理等提供支撑。同时 ,可进行水资源各类信息查询、检索、数据上报等。 根据农业节水涉及到的信息,按类主要建立如下数据库: 基础数据库,基于 GIS的水资源空间和属性数据库,水资源规划数据库,水环境数据库,水资源管理数据库,节水模型数据库,预测预报结果数据库,综合信 息数据库,水文信息数据库,社会经济和自然地理数 据库。

知识库采用树状结构层次模型,以便实现知识 的结构化。 知识库总名称为节水农业决策支持系统知识库,包括本底资料知识库、工程节水知识库、农艺节水知识库、管理节水知识库、化学节水知识库、生物节水知识库 6个一级子知识库。

系统在分析国内外农业节水管理系统开发应用 现状和未来发展趋势的基础上,采用高起点的系统 集成技术,以专业模型、 GIS、网络等新技术为支撑, 设计具有一定通用性、可扩展的、开放式的水资源实时监控管理和节水决策的计算机应用系统软件体系 结构。由于水资源信息具有空间特征 ,所以GIS特别适宜于对水资源进行分析与处理,而 DSS 是一种以辅助管理者做决策为目地的计算机系统,为管理层 提供分析、模型构造、决策过程模拟及决策效果评价的决策支持环境。

2. 4 节水模型的建立

节水农业的本质是依靠科学技术最大限度地提 高农业生产过程中单方水的产出,达到节水致富的 目标。 农业高效用水包括蓄水、输水、灌水、保水、高效用水等多个环节,必须运用农业高效用水理论体系,来实现水的利用率和水的生产效率的协同改善。节水模型是整个决策支持系统的核心部分,其

目标是实现准确、实时计算、评价和预测水资源量及节水量等功能。 建立地表水、地下水量、农作物需水量等一系列模型组成的综合模型系统。 模型之间相互关联,构成一个整体专业模型系统。决策者在专业 知识和经验的启发下, 在分析大量的空间和非空间信息的基础上自行开发,通过创建 COM 组件形式实现与系统的无缝集成。 节水模型建模过程如图 2

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所示。

3 系统功能设计

系统功能是指每个子系统功能的综合,每个子系统的功能如何对整体系统起着至关重要的作用。对于子系统的功能的设计,需充分体现节水决策支持系统的完备性。

3. 1 甘州区社会、自然、经济统计分析与查询子系统

社会各行各业离不开水资源,节约水资源与当地的自然条件、社会经济状况有着密切的关系。本子系统包括张掖市、甚至河西地区的自然状况、历史源渊、现势的行政区划、人口、耕地面积、灌溉面积、农业和农副产品生产量、农村和农业经济、财政收入等指标,并能单独汇总和分类汇总。

3. 2 输入输出系统

主要建立信息采集处理和方案的输出。 系统所需的输入数据包括空间数据和属性数据两大类,也 能完成水资源实时动态监测和监测数据的自动化采 集、预处理,以及监测数据可靠性的实时在线分析处理; 完成数据的录入、修改和维护; 该子系统也可提

供与各类监测仪器衔接的数据采集接口,通过接口 模块动态收集监测数据; 决策方案的输出以图形或报表的形式输出,也可以在屏幕显示,也可用打印机 输出。

3. 3 降水量统计分析专家子系统

无论是地下水或是地表水,其补给来源均来自 大气降水,对降水量的准确分析统计,是算清水账, 计算地表、地下水补给量的关键,也是量算节水效果的一个前题。本子系统包括雨情专家分析;雨情趋势 预测; 逐日降水量分析等。

3. 4 水资源调度决策支持子系统

当区域内有梯级机械调水时,上、下游泵站如何运行,怎么运行状态最佳,经济效益最大,效率最高, 是解决水资源不足、合理有效利用的关键,它包括: 制定年度调水计划; 当前地表水资源量计算; 制定最佳调水方案;地下水实时管理。

3. 5 水资源量及开发利用情况查询子系统

利用 M APGIS的空间定位功能,可以瞬间在地形图、地图、矢量图中把水资源管理的对象确定在空间位置,以图形的方式表现水资源对象的空间分布 规律。 其子系统包括: 水资源量信息查询;开发利用信息查询; 地下水开发利用现状查询。

3. 6 地下水动态资料管理子系统

地下水动态是掌握地下水开发利用的历史及现 状资料,从而做出科学调度方案的重要依据。地下水 动态资料也是水资源评价中推求水文地质参数、计算水资源量的有效途径,同时也是发布年度水资源 公报的重要依据。 功能包括: 地下水站网空间查询; 地下水位查询; 地下水位动态分析; 区域查询。

3. 7 取水许可监管管理子系统

本子系统包括取水许可管理、用水计划管理、节约用水管理、计量管理。

3. 8 水资源和节水模型子系统

水资源和节水模型是整个系统的核心部分,设计目标是实现准确、实时计算、评价和预测水资源量、节水量、优化调度等功能。

3. 9 节水决策专家子系统

利用专家智能技术,对不同的节水方案进行综 合效益评估,智能生成最佳节水方案和相应的有效 对策、措施和实施方案。本子系统主要是开发节水农业专家智能决策模块,设计思想是: 利用节水农业领域专家多年积累的水资源调度、优化配制、决策经验或领域内已知的节水措施,根据专家系统的特点,将 该领域内的专家知识以数据的形式作为知识库的知

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识保存下来,知识的更新和深化采用基于归纳的学 习方法,推理采用人工神经系统的神经网络方法结 合正反向的综合多级推理方式。 整个模块不仅为动态生成解决方案提供决策判断,而且对决策方案进 行分析评估。

3. 10 系统信息

本模块包括系统介绍、系统使用手册、系统初始化以及帮助信息等。

4 结 语

节水农业决策支持系统的建立,将极大地改变张掖市甘州区农业用水的状况,使农业灌溉用水由 “丰水高产型灌溉”转向“节水优产型”的非充分灌溉,建立农民参与的水管组织,达到既节水又增产, 大力进行旱作农业技术体系建设,建立节水种植制 度和节水灌溉制度,进行节水农业技术体系建设,实 施节水农业高新技术集成与示范。

系统的特点是: 以数据库为基础,集成先进、综合的节水模型,融入GIS技术和DSS技术,构成综合的节水农业决策支持系统。 目前该系统还处在开发研究阶段,随着逐渐深入开发,该系统将在张掖乃至 更多地区的农业节水决策中担当重要角色,使水资 源利用效率达到一个新的高度。

参考文献:

〔1〕 侯宝英 . 西北地区节水农业发展的关键技术〔 J〕. 中国水利 , 2002, 4( 1): 57～ 58.

〔2〕 冯建英 ,王劲松 ,韩永翔 ,等 . 甘肃省河西内陆河径流量对河西地区春小麦产量的影响〔 J〕. 干旱气象 , 2004, 22( 1): 17～ 20.

〔3〕 国家高科技发展计划 ( 863计划 )节水专项《北方干旱内陆河灌

区 (甘肃张掖 )节水农业综合技术体系集成与示范》项目介绍

〔 Z〕. 2002.

〔4〕 邬伦 ,刘瑜 ,张晶 ,等 . 地理信息系统〔M〕. 北京: 科学出版社 , 2001. 217～ 233.

〔5〕 罗支启 ,曾琨 . 数字化地理信息系统建设〔M〕. 北京: 清华大学出版社 , 2003.

Primary Study on Building Water-Saving Agricultural Decision Support System Based on GIS

GAI Ai-ho ng , LI Chun-bin, YANG Chang -yu

(College of Resources and Environmental Sciences , Gansu Agricultural University , Lanzhou 730070, China )

Abstract: This paper built a sy stem integ ra ting da ta input a nd output, manag em ent, analysis and decisio n, and suppo rted by GIS a nd Decision Suppor t System tech nolog ies, and specilized w ater-sav ing model, a nd combined the sta te of ag ricultural wa ter consumption in the Ganzhou district, Zhangy e. This system offset the limits of t raditio nal ag ricultural w ater-savi ng models o n da ta analysis and ex pression, and g rea tly enhanced the functions of ag ricultural wa ter-saving DSS. By analy zi ng the sy stem demand, this paper proposed the f ram ew o rk of ag ricultural w ater-savi ng DSS, and desi gned the main functio ns of the system. Key words: GIS, Decision suppo rt sy stem, W ater-savi ng ag riculture, Functio n desig n