基于GIS 的农业土壤环境监测系统设计与应用
贾艳秋１，史明昌１，王维瑞２，曹刚１，白维生３
（１．北京林业大学资源与环境学院，北京
１０００８３；２．北京市农业局，北京
１０００８１）
１０００２９；
３．北京地拓科技发展有限公司，北京
摘
要：农业土壤环境是农业生产赖以生存的前提，农业土壤环境的优劣直接影响农业产品的质量和产量。本文运用ＧＩＳ
的交叉定位、逻辑查询、空间分析及空间数据库匹配等技术，建立基于ＧＩＳ的农业土壤环境监测系统，实现对农业土壤环境监测点的管理、质量评价、预警提示以及对农业产品信息和质量的管理与评价，实现对农业土壤环境的动态监测，可以为管理者提供宏观决策支持。本文重点阐述系统的设计。关键词：ＧＩＳ；农业土壤环境；动态监测；系统设计中图分类号：Ｓ１２６
文献标识码：Ｂ
文章编码：１６７２－６２５１（２００７）０２－００１７－０４
ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｏｉｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＧＩＳ
ＪＩＡＹａｎ－ｑｉｕ１，ＳＨＩＭｉｎｇ－ｃｈａｎｇ１，ＷＡＮＧＷｅｉ－ｒｕｉ２，ＣＡＯＧａｎｇ１，ＢＡＩＷｅｉ－ｓｈｅｎｇ３
（１．ＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｅｉｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＢｕｒｅａｕｏｆＢｅｉｊｉｎｇ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ；３．ＢｅｉｊｉｎｇＤａｔｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｌｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｏｓｅａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎＧＩＳｗｉｔｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇＣｒｏｓｓｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｌｏｇｉｃａｌｑｕｅｒｙｉｎｇ，ＳｐａｔｉａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｐａｔｉａｌｄａｔａｂａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇｅｔｃ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｑｕａｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，ａｌａｒｍｉｎａｄｖａｎｃｅａｎｄｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｑｕａｌｉｔｙｔｏａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｏｉｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓ，ａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｄｙｎａｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｏａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｏｆｆｅｒｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｍａｎａｇｅｒｓｏｎｍａｃｒｏ－ｄｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｅｘｐａｔｉａｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｏｉｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；Ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
１
引言
农业土壤环境是农业综合生产能力的构成要素，
践中，不仅可以为农业信息化服务，而且是农业现代化快速发展的一个关键。利用ＧＩＳ能够很好的对目标进行分析和空间关系表达，并将空间关系和属性数据紧密集成，图文并茂的表达对农业土壤环境的监测。它可以为决策管理者组织和分析空间数据，提供决策支持。
本文利用ＧＩＳ的空间分析和检索等技术，对农业土壤进行环境动态监测，即对农业土壤环境中的污染物进行经常性监测，调查农业生态环境发展变化情况，对农业产品质量的影响，并对农业土壤环境质量现状及发展趋势做出评价，为农业部门开展环境管理和保护、改善农业环境质量提供准确、可靠的监测数据和评价资料。
农业土壤环境从质量、数量及发展潜力三个方面影响农业生产。目前，城市的快速发展、工厂企业的扩建，不但占用了大量的耕地，而且使周边的生产环境受到了不同程度的污染，直接造成了农作物损失和农产品质量下降，并且直接影响着居民的正常生活。如何实现对农业产品生产的土壤环境的监测和评价，保证食品安全、保护生态环境、保证居民生活质量，已经成为一个急需解决的问题。传统的农业土壤环境监测方式不仅耗费人力物力，而且所获取的数据不能及时的反应其动态变化。农业的信息化是现代化农业的一个显著标志，把先进的信息技术快速应用到农业生产与科研实
２
系统目标
系统目标是利用ＧＩＳ技术，结合调查、统计、典型
收稿日期：２００６－１１－１３；修回日期：２００６－１１－１６
作者简介：贾艳秋（１９７８－），女，硕士研究生，研究方向：ＧＩＳ开发与应用。
史明昌技术研究。“３Ｓ”（１９６９－），男，教授，研究方向：水土保持生态环境建设以及
监测等手段，对农业土壤环境进行分析和评价，对该土壤上生产的农业产品进行检测与管理，为监测和监管农业产品的安全提供及时准确的信息，从而实现食品安全定量、自动化管理。
系统实现的主要目标如下所述。
（１）对农业耕地土壤肥力长期动态监测，对经营过程的施肥、农药、灌溉等进行管理，保证土壤信息的适时、真实、有效。便于对土壤信息的管理、传递、更新，并能高效的积累农业土壤环境的监测数据，为以后建立相关模型打下坚实的基础。
（２）对农业土壤环境进行自动评价，即将ＧＩＳ用于农业土壤环境监测数据的管理，来构建土壤环境监测数据库、用于评价的模型库、参数库等，利用ＧＩＳ的空间分析、空间数据表达的直观性等功能，建立专业化分析评价模型，实现对土壤环境进行评价，对土壤质量的变化趋势做出准确的预测，指导农业生产，为农业生产决策做支持。
（３）基于对农业土壤环境的监测，实现对该土壤上生产的农产品的质量进行监测，通过监测对农业产品的质量做出评价，对于不合格的农产品采取相应的整治措施，及时高效的指导农产品的生产管理工作。
（４）对于农业土壤环境受污染的监测点，利用ＧＩＳ的缓冲区分析等功能，及时的查找出农产品污染源和污染区，并计算污染的面积，揭示污染物在土壤中的残留物等。对农业产品的周边环境客观的分析，为农产品生产基地的规划等工作做决策支持。
（５）通过长期对土壤环境监测指标与农产品监测指标的对比等，找出土壤环境质量对产品质量的影响因子，并建立相应的模型，最终实现只需对土壤进行监测和评价，就可以获知产品的质量评价。
３
系统分析
农业土壤环境监测的项目，对于不同区域、不同省
份，要监测的侧重点有所不同，本文将以北京市农业局为例，根据环境监测站的工作情况，业务归为两块：土壤监测和产品监测，其中土壤监测又可分为土壤监测点、土壤评价和土壤修复三部分业务。
３．１土壤监测
所谓土壤监测，就是在现有耕作制和农民习惯的
农事操作水平下，选择固定的监测点，以人为活动—土壤—作物系统内物流状况为主线，通过环境及土壤的调查、土壤植株样品的采集化验、田间作业及作物生长情况与产量记载等方法，对土壤质量进行动态监测。
（１）土壤监测点：在土壤监测点，主要通过ＧＩＳ技术，实现对土壤监测各项信息的管理和维护，包括物理
性状、化学参数和生物参数。掌握土壤的自然本地值，为农业环境保护、环境区划、环境影响评价以及制定土壤环境质量标准等提供依据。
（２）土壤评价：基于监测点信息管理和维护的基础上，利用ＧＩＳ空间分析、空间查询等功能，通过设置土壤质量分级评价标准，按照不同的标准进行土壤质量评价和污染指数评价。单项的值与一个单项的标准比较，检验是否超标；根据一定的计算公式由检测结果计算单项污染指数和综合污染指数，并且通过一定的标准判定是否超标，得到一个土壤评价的结果；把土壤评价的结果与其他环境指标进行比对，就得出此监测点的土壤环境质量，然后可以根据ＰＨ值、
铅、铜、汞、铬、镉、砷中的一项或几项进行统计，做出统计报表，也可以根据评价结果做独立值或范围值专题图展示；同时可以根据污染源分布图，对污染源的污染物、污染类型进行管理，并能做污染物、
污染类型的统计，或者做污染类型独立值专题展示或污染程度范围值展示。对农业产品的周边环境客观的分析，指导监测点的生产活动，为农产品生产基地的规划等工作做决策支持。
（３）土壤修复：根据土壤监测点的评价结果来判定，如果某个监测点的单项污染指数或综合污染指数超过了规定值，则表明这个监测点代表面积的土壤需要修复，利用ＧＩＳ图文并茂的实现土壤修复的信息，对需要修复和改良的土壤及时的进行治理。
３．２产品监测
利用ＧＩＳ实现对产品监测信息的维护和专题图的
生成，对农业产品的生产决策作支持。产品监测主要是针对某些要监测的农产品（蔬菜、水果、和其他农产品）进行采样化验，得到一组测试数据，把这组数据和标准值进行比对，得出这种农产品的质量评价；并可根据不
图１
环境监测业务流程图
同农产品抽样地点的类型、行政区分布等进行查询，形成专题图；通过图例的示意对比，直观的了解不同监测点上生产出来的产品的质量，对于不符合产品安全标准的监测点，进行修复或整治，并对修复前该地区出产的产品进行相应的处理。
根据上述北京市环境监测站涉及的业务，土壤环境监测的业务流程如图１所示。
４
系统设计
４．１系统开发的技术框架
组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之
一，为了适应这种技术潮流，ＧＩＳ软件像其他软件一样，已经发生了革命性的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。组件式开发策略，具备高稳定性、易于扩展与维护等优点。总结多年的ＧＩＳ开发经验，以及长期的技术积累为基础，本系统的地理信息支撑平台软件以ＥＳＲＩ公司ＡｒｃＧＩＳ系列软件为主，数据库平台采用Ｏｒａｃｌｅ９ｉ，开发平台选用Ｊａｖａ。
图２系统开发的技术框架
４．２系统的结构设计
系统的操作模式采用Ｂ／Ｓ结构，系统的构架在逻辑上分为以下四个逻辑层次：信息表示层、系统维护层、应用服务层（Ｗｅｂ服务层与应用逻辑层）和数据存储层。
ＧＩＳ技术是系统的理论基石；数据存储层，包括辅助数据库层、专业数据库层、基础数据库层，是系统实现的基础；应用服务层是整个系统的功能核心，开发的农业地理信息系统的功能实现就是在该层进行数据处理的；系统维护层，掌握着系统的维护和管理的权利，对于不同的业务部门的权限的管理、对元数据的维护等问题，都在系统维护层来实现；信息表示层是将系统功能层数据处理的结果返回给用户的图、表、文字等。在整个框架中标准规范及数据定义、软硬件网络配置这两大部分贯穿于系统架构的始终，起着支持和指导的作用。
系统的逻辑结构图如图３。
图３
系统的逻辑结构图
４．３土壤的评价模型
对于土壤的评价模型，采用内梅罗指数法进行评
价。
（１）土壤单污染指数的评价模型单污染指数的评价模型：ＰＣｉ＝
ｉ
ｉ
式中：Ｐｉ－土壤中污染物ｉ的污染指数；Ｃｉ－土壤中ｉ污染物的实测值，Ｓｉ－土壤中ｉ污染物评价标准。
（２）土壤综合污染指数的评价模型综合污染指数的评价模型：
!
（
）２（综＝
ｍａｘ＋）２
Ｐａｖｅ式中：Ｐｉ－土壤中污染物ｉ的污染指数；Ｃｉ－土壤中ｉ
污染物的实测值，Ｓｉ－土壤中ｉ污染物的无公害评价标
准，（Ｃｉ／Ｓｉ）２ｍａｘ为土壤中污染物中污染指数最大值，（Ｃｉ／
Ｓｉ）２ａｖｅ为土壤中污染物中污染指数的平均值。４．４
数据库设计
在进行系统数据库设计的时候，首要考虑的是数据的类型，按数据的性质把数据分为空间数据和属性数据。空间数据是经过预处理的Ｓｈａｐｅ文件，属性数据是涉及土壤监测的信息数据，包括土壤环境监测信息、土壤环境监测结果、评价的标准、评价的监测项等。基于此，系统数据库的逻辑结构设计模型如图４所示。
５ＧＩＳ在农业环境监测中的具体应用
５．１基本信息维护
在此模块，主要实现对监测点基本属性的维护、土
壤评价标准维护、土壤环境监测信息维护、土壤环境质量评价，以及土壤环境监测点监测信息和基本信息的导出。通过对监测点信息的管理，提高工作效率，并保证数据的准确性和实时性，为管理决策做支持。
图４数据库逻辑结构设计模型
（１）监测点基本属性的维护：对监测点基本信息的编辑，对监测点土壤类型、
农作物名称、灌溉水源、农药施用情况的了解，以及对监测项目的增加、修改和删除。目前系统的监测项目主要有ｐｈ、
铜、汞、砷、铅、铬、镉等，随着业务的扩展及需要，需要增加监测项目时，可以及时的添加监测的项目。
（２）土壤评价标准维护：土壤评价标准包括绿色食品、土壤环境二级标准和土壤环境背景值，在此模块可以清楚的了解土壤评价标准的类型和相对应的综合污染指数。当需要增加评价标准时，可以通过此模块的增加标准功能来增加相应的评价标准。
（３）土壤环境监测信息维护：对监测信息的管理和维护。
（４）土壤环境质量评价：根据选择的不同的土壤评价标准对一个或多个监测点的土壤质量进行评价。
（５）土壤环境监测点监测信息和基本信息的导出：土壤监测点基本信息和土壤环境监测信息导出成
ｅｘｃｅｌ，导出时可以根据设置的导出项，提交选择项，针对性的导出相关信息。
５．２土壤指标信息
此模块是ＧＩＳ和ＭＩＳ有效集成，ＡｒｃＭａｐ是ＡｒｃＧＩＳ
中以地图为中心的应用模块，用于编辑、显示、查询和分析地图数据，它包含复杂的统计图表制作和图形系统编辑工具，可以高效的生成各项专题图和相应的信息列表。
（１）土壤单指标浓度专题图：对于一个或多个监测点，某项监测项目浓度分布情况和信息的查看。了解施肥对土壤养分变化及环境质量的影响等，为推进我国土壤科学的利用和发展提供准确依据。
（２）土壤单污染指数专题图：通过不同的评价方式
和计算面积的方式，计算单污染指数。在信息列表详细显示监测点的名称、所属区县、该单项污染指数的评价及对超标情况的说明，配合着图层的渲染，可以直观的了解到单项污染情况，正确评价污染程度，对于已污染超标的地区，根据所属的行政区划及时的做出治理方案等，为宏观决策做支持。
（３）土壤综合污染指数专题图：通过不同的评价方式和计算面积的方式，计算综合污染指数。在信息列表详细显示监测点的名称、所属区县、综合项污染指数的评价及对超标情况的说明，配合着图层的渲染，可以直观的了解到监测点的综合污染情况，客观的分析环境的污染源的特征、污染途径、污染比重等，对进行事故处理提供重要的依据，为宏观决策做支持。
图６
土壤单污染指数专题图
５．３土壤环境质量信息
此模块中主要实现土壤环境质量综合修复分布图、土壤环境质量单项超标分布图、土壤环境质量综合超标分布图、土壤环境质量单项预警系统图、土壤环境质量综合预警系统图、土壤环境质量单项修复分布图。
（１）土壤环境质量综合修复分布图：通过不同的评价方式和面积计算方式以及对修复临界值的设定，制作土壤环境质量综合修复分布图，查（下转第３２页
）
业温室环境参数的测量。采用基于ＰＴＲ８０００的无线传抗干扰性强、硬件设计简单、开发输方式，具有低功耗、
周期短、成本低廉等优点，克服了有线通信电缆线路架设困难的缺点，可以对温室环境进行多点测量，使测量工作十分方便。经实测，系统无线传输的有效半径在开阔地可达１００￣２００米，数据传输可靠。
参考文献
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应用及接口技术（第２版）［４］张迎新，等．单片微型计算机原理、
［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４．
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第２０页）
看信息列表和专题图，可以直观的了解到不同地区监测点的综合修复情况，决定是否对该监测点进行修复等。了解土壤中的污染物的种类、含量以及分布，考察对人和动植物的危害。
（２）土壤环境质量单项超标分布图：通过不同的评价方式和面积计算方式以及对监测项目的设定，制作土壤环境质量单项超标分布图，查看信息列表和专题图及图例，可以直观的了解到不同地区监测点的单项超标情况，为指导土壤的施肥和科学种植等工作提供科学的依据，为宏观决策做支持。
（３）土壤环境质量单项预警系统图：通过不同的评铜、汞、价方式和面积计算方式以及对监测项目（ｐｈ、砷、铅、铬、镉、六六六、滴滴涕、锌、镍、阳离子交换量）里的一个单项指标的设定，制作土壤环境质量单项预警系统图，查看信息列表和专题图及图例，可以直观的了解到不同地区监测点的单项预警情况，对于预警的监测点的环境保护和规划等提供依据，为宏观决策做支持。
图７
土壤环境评价与产品质量评价的关系
分析出对土壤环境质量评价与对产品质量评价的指标间的对应关系，确立其模型，则在对环境的监测中，只需要对土壤环境进行监测和评价，就可以知道其土壤上生产出的产品的质量评价，不仅减少了人力、物力的投入，而且还降低了化验的成本，直接为农业生产带来经济效益。
６
结论与展望
利用ＧＩＳ技术对一定种植面积的农业土壤环境进
参考文献
实效快、直观等优行管理、监测与跟踪，具有可行性、点。利用ＧＩＳ的分析、空间表达关系和检索等技术可以精确的实现对监测地位置、实际面积、代表面积以及整体土壤环境进行判断和评价，并根据实际的管理和生产的要求进行宏观决策。对于农业土壤的监测和评价，主要是为了实现对农业产品的监测和评价。目前，对于土壤环境质量与农业产品的质量之间的关联还不能准确的给出结论，但是随着对环境监测数据的长期的积累，对历史数据的整体的分析，找出其内在关联关系，
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