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基于XML的果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)表示
摘要：針對果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換和共享規(guī)范缺乏的問題，采用可變數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項的設(shè)計方法，在分析果園環(huán)境數(shù)據(jù)特點的基礎(chǔ)上，提出了一種果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式。該格式的語法規(guī)范采用Schema來定義，包括43個元素，其根元素是，并由、、、、、、這7個元素組成。通過對某果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的實際表示，以及在Internet環(huán)境中的共享應(yīng)用，驗證了該數(shù)據(jù)表示格式設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：果園;數(shù)據(jù)表示;XML;環(huán)境數(shù)據(jù)
突破傳統(tǒng)果業(yè)的限制，發(fā)展現(xiàn)代果業(yè)是我國水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢�，F(xiàn)代果業(yè)的重要特征是果園生產(chǎn)和管理的數(shù)字化、信息化、機械化，數(shù)字果園的概念也應(yīng)運而生[1]。果園環(huán)境涉及的數(shù)字化對象包括空氣溫濕度、光照強度、光有效輻射、紫外線強度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、露點、土壤水分含量、土壤溫度、土壤NPK含量、土壤微量元素含量、土壤重金屬含量等。近年來，果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制與應(yīng)用已得到重視，相關(guān)研究也比較多。在圍繞某一個指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測的研究方面，Changying Li[2]報道了一種氣體傳感器陣列監(jiān)測藍(lán)莓果實病害的方法，樊志平等[3]設(shè)計實現(xiàn)了柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，李光林等[4]研制了一種基于太陽能的柑桔園自動灌溉與土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)， 張會霞等[5]利用“3S”技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一種柑橘園GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在對整個果園環(huán)境多個指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和綜合管理的研究方面，葉娜等[6]報道了一種蘋果園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計，王新忠等[7]研究了基于無線傳感的丘陵葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，楊愛潔等[8]提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的果園數(shù)字信息采集與管理系統(tǒng)，王文山等[9]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。另外，還有一些學(xué)者的研究則側(cè)重在果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集所涉及的信息通訊技術(shù)，如Raul Morais等[10]報道了用于葡萄精準(zhǔn)管理的多點環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置，岳學(xué)軍等[11]采用GPRS和ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，潘鶴立等[12]采用ZigBee和3G/4G技術(shù)研究分布式果園遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，徐興等[13]報道了山地橘園無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法及如何提高監(jiān)測的有效性。綜上，這些研究工作基本上都是在利用多種信息技術(shù)來實現(xiàn)果園環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和監(jiān)測，不同的是使用的監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測手段有所差異，但他們都對所獲取的數(shù)據(jù)多采用私有的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存貯和管理，對如何把所監(jiān)測的數(shù)據(jù)與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行交換和共享則幾乎沒有涉及。
近年來如何從技術(shù)角度來消除“信息孤島”，解決信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換問題受到很多研究者的關(guān)注，常志國等[14]提出了一種交通信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)元XML Schema表示模型來解決交通信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享，潘峰等[15]構(gòu)建了國家衛(wèi)生數(shù)據(jù)字典XML Schem來實現(xiàn)衛(wèi)生數(shù)據(jù)的交換與共享，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有學(xué)者開展數(shù)據(jù)交換和共享方面的研究，如戴建國等[16]針對國營農(nóng)場管理報道了基于 REST 架構(gòu)和XML的農(nóng)情數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究，陳宏等[17]提出了蔬菜種植元數(shù)據(jù)模型信息描述方法。但針對果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示以及數(shù)據(jù)共享技術(shù)方面的研究幾乎沒有涉及。
本研究在分析果園環(huán)境數(shù)據(jù)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，研究基于XML技術(shù)的果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示技術(shù)，重點解決果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的表示格式，為不同系統(tǒng)之間果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換和共享應(yīng)用提供支撐。
一、材料和方法
1.1 果園環(huán)境數(shù)據(jù)分析
果園環(huán)境是果園中果樹群體以外的空間，以及直接或間接影響該果樹群體生存與活動的外部條件的總和。果園環(huán)境包括非生物因素和生物因素兩方面，非生物因素是指溫度、光、水分、空氣、土壤、地形、污染等環(huán)境因素;生物因素是指果樹以外的動物、植物、微生物等環(huán)境因素。果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)就是利用技術(shù)手段獲取的各種環(huán)境因子的狀態(tài)數(shù)據(jù)或者特征數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)形態(tài)上來看，有數(shù)值、字符、圖像、視頻、聲音、矢量等。
果園氣候環(huán)境因子方面，大氣、溫度、光照、水分等氣候因子與果樹生產(chǎn)有密切的關(guān)系，目前利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可直接采集的數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、光照強度、光有效輻射、紫外線強度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、露點等。
果園土壤環(huán)境因子方面，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或者實驗室檢測手段可以采集的數(shù)據(jù)有土壤含水率、土壤pH值、土壤有機質(zhì)含量、土壤電導(dǎo)率、土壤溫濕度、土壤重金屬含量、地下水位、土壤鹽分等。其中，土壤有機質(zhì)含量是評價果園土壤肥力的重要指標(biāo)，也是影響果樹生長的重要因素。土壤水分是果樹吸收水分的主要來源，土壤濕度過低時，果樹吸水困難，甚至凋萎，但如果土壤濕度過高，又會發(fā)生漬害，土壤水分含量影響著果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤中重金屬含量影響著果品安全，也越來越受到人們的關(guān)注。
果園地形環(huán)境因子方面，一般利用遙感技術(shù)和GIS技術(shù)獲取和管理果園的地形起伏、海拔、山脈、坡度、坡向、高度等地貌特征數(shù)據(jù)。
果園生物環(huán)境因子方面，果園病蟲害和雜草方面的數(shù)據(jù)更受關(guān)注。近來利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段自動測報果園病蟲害數(shù)據(jù)得到研究和應(yīng)用部門重視。伍梅霞等[18]報道了自動蟲情測報燈在果園有害生物測報上的初步應(yīng)用情況。邢東興等[19]利用光譜數(shù)據(jù)定量化測評紅蜘蛛蟲害對紅富士蘋果樹的危害程度。
1.2 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式設(shè)計方法
果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)不但為果園生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供支撐，同時也是果品質(zhì)量追溯、果品電子商務(wù)等果園經(jīng)營管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源之一，果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)需要在不同管理系統(tǒng)之間實現(xiàn)自動交換和共享�，F(xiàn)有的果園數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)一般采用私有的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯和管理，因此需要設(shè)計一個果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式，基于這樣的標(biāo)準(zhǔn)格式，才能在不同系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動交換和共享。
XML(Extensible markup language)是國際互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)開發(fā)的用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理的技術(shù)[20]，它以一種開放的、自我描述的方式定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過Schema使XML文檔結(jié)構(gòu)化，并能創(chuàng)建不依賴于平臺、語言或者格式的共享數(shù)據(jù)。近年來，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一些學(xué)者也開始采用XML技術(shù)來研究農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)表示。日本學(xué)者吉田智一[21]提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程管理中的數(shù)據(jù)表示格式FIX-pms，歐洲學(xué)者M(jìn)artini[22]提出了用于農(nóng)業(yè)信息交換的agriXchange格式規(guī)范，Kunisch M[22-23]提出了針對農(nóng)場的信息表示格式規(guī)范agroXML。本研究也采用XML技術(shù)來描述果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)。
果園環(huán)境因子眾多，不同果園因管理目的不同，所選擇的采集指標(biāo)也不同，不同采集指標(biāo)的采樣頻率也不盡相同。為了提高果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的通用性，本研究采用可變采集指標(biāo)項的數(shù)據(jù)表示方法。該方法把果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)文件分為兩個部分。第一部分用來定義所選擇的采集指標(biāo)項情況，包括指標(biāo)名稱、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)采集點的GPS坐標(biāo)、數(shù)據(jù)采用方法說明。第二部分用來順序存放所采集的數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)中采集指標(biāo)項的次序與第一部分定義的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項相對應(yīng)。
二、結(jié)果與分析
2.1 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)格式的Schema
果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)采用XML文件來存貯，按照可變采集指標(biāo)項的數(shù)據(jù)表示方法，其XML文件的語法規(guī)則采用Schema文件來定義。在Schema文件中，按照基本數(shù)據(jù)類型、基礎(chǔ)子元素類型、子元素類型、根等4個層次，一共定義了43個元素。Schema文件中各元素之間邏輯關(guān)系如圖1所示。
從圖1可以看出，果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的根元素是，它由、、、、、、這7個元素組成。版本元素描述了果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式所采用的XML Schemas版本號。時間元素< BeginDate > EndDate >描述果園環(huán)境數(shù)據(jù)采集的開始時間和結(jié)束時間。元素描述果園名稱和果園ID號， < FruitVariety>元素描述水果品種名稱、學(xué)名和ID號。通過這兩個元素的ID號可以把果園的環(huán)境數(shù)據(jù)與其他生產(chǎn)經(jīng)營管理數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。元素描述數(shù)據(jù)存貯的結(jié)構(gòu)，是對具體數(shù)據(jù)記錄存放形式的解釋，由若干個數(shù)字型、矢量型、圖像型、視頻數(shù)據(jù)型、聲音型、備注型的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項的結(jié)構(gòu)定義組成，支持可變指標(biāo)項的定義，可根據(jù)實際情況來決定數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項的數(shù)量。元素是實際采集數(shù)據(jù)的記錄實體，由順序存放的元素組成，元素中的數(shù)據(jù)項和元素中定義的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項是一一對應(yīng)的，并通過數(shù)據(jù)采集指標(biāo)項中的元素值來關(guān)聯(lián)。
2.2 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式實例
以位于陜西洛川某果園的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，其數(shù)據(jù)采集點現(xiàn)場以及采集數(shù)據(jù)的快照如圖2。各種傳感器采集的果園環(huán)境數(shù)據(jù)由專門系統(tǒng)來進(jìn)行管理，并存貯在SQL Server數(shù)據(jù)庫中。
根據(jù)Schema文件中所規(guī)定的語法形式，就可以把SQL Server數(shù)據(jù)庫中存貯的果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示成XML格式的數(shù)據(jù)。圖3是所形成的果園采集環(huán)境數(shù)據(jù)XML文件的片段。如圖3所示，在元素部分，定義了所采集的指標(biāo)項分別是大氣溫度、大氣濕度、降雨量、監(jiān)測點1的土壤溫濕度和監(jiān)測點2的土壤溫濕度以及光合輻射，這些數(shù)據(jù)都是DataItem型，如果涉及到監(jiān)測點的GPS坐標(biāo)，則在元素中定義。在< RecordSet >元素部分，則通過元素來順序存放所采集的數(shù)據(jù)。
2.3 果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的應(yīng)用
對于現(xiàn)有的果園數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)來說，利用本文所述的果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式，不需要改變其數(shù)據(jù)存貯形式和相應(yīng)的管理程序，只需在此基礎(chǔ)上，通過一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，把果園的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合果園環(huán)境數(shù)據(jù)表示格式的XML文件，然后通過webservices技術(shù)實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)共享接口，需要使用這個果園的環(huán)境數(shù)據(jù)時，只需要調(diào)用這個數(shù)據(jù)共享接口，就能獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。其應(yīng)用方案的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4，其特點在于不改造原有的果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，僅需通過新增加一個數(shù)據(jù)共享接口就能實現(xiàn)果園環(huán)境數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用。
果園環(huán)境數(shù)據(jù)共享服務(wù)包括3個接口。GetDataStruct接口返回數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義信息，實際上就是元素中的內(nèi)容。GetDataBeginEndDate接口返回已有數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束日期，以圖2所示的實例為例，其返回開始日期是2015-01-01T08：00：00，結(jié)束日期是2015-01-01T15：00：00。GetData接口返回指定起止日期的果園環(huán)境數(shù)據(jù)，實際輸出形如圖3的XML文件。
三、結(jié) 論
本研究設(shè)計了一種果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式，并通過對某果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的實際表示，以及在Internet環(huán)境中的共享應(yīng)用，來驗證果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式的設(shè)計。結(jié)果表明，該格式的設(shè)計是可行的，并且具有潛在的良好性能：(1)數(shù)據(jù)格式簡明易用;(2)系統(tǒng)集成簡單，用戶可以很方便地建立起一個網(wǎng)絡(luò)化的果園環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享系統(tǒng);(3)透明，用戶關(guān)心的事情少，并不需要知道原有果園數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要了解能提供的服務(wù)。
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