基于XML的果園環境數據采集和數據表示
摘要：針對果園環境采集數據的交換和共享規范缺乏的問題，采用可變數據采集指標項的設計方法，在分析果園環境數據特點的基礎上，提出了一種果園環境采集數據表示格式。該格式的語法規范采用Schema來定義，包括43個元素，其根元素是，并由、、、、、、這7個元素組成。通過對某果園數據采集系統所采集數據的實際表示，以及在Internet環境中的共享應用，驗證了該數據表示格式設計的可行性。
關鍵詞：果園;數據表示;XML;環境數據
突破傳統果業的限制，發展現代果業是我國水果產業發展的必然趨勢。現代果業的重要特征是果園生產和管理的數字化、信息化、機械化，數字果園的概念也應運而生[1]。果園環境涉及的數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、風速、風向、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，果園環境數據采集系統的研制與應用已得到重視，相關研究也比較多。在圍繞某一個指標進行數據采集和監測的研究方面，Changying Li[2]報道了一種氣體傳感器陣列監測藍莓果實病害的方法，樊志平等[3]設計實現了柑橘園土壤墑情遠程監控系統，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測系統， 張會霞等[5]利用“3S”技術設計實現了一種柑橘園GPS數據采集系統。在對整個果園環境多個指標進行數據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境監控系統的研究與設計，王新忠等[7]研究了基于無線傳感的丘陵葡萄園環境監測系統，楊愛潔等[8]提出了一種基于無線傳感器網絡的果園數字信息采集與管理系統，王文山等[9]采用物聯網技術設計了一種果園環境信息監測系統。另外，還有一些學者的研究則側重在果園環境數據采集所涉及的信息通訊技術，如Raul Morais等[10]報道了用于葡萄精準管理的多點環境數據采集裝置，岳學軍等[11]采用GPRS和ZigBee技術實現了果園環境監測系統，潘鶴立等[12]采用ZigBee和3G/4G技術研究分布式果園遠程環境監控系統的設計，徐興等[13]報道了山地橘園無線環境監測系統優化設計方法及如何提高監測的有效性。綜上，這些研究工作基本上都是在利用多種信息技術來實現果園環境數據的獲取和監測，不同的是使用的監測指標和監測手段有所差異，但他們都對所獲取的數據多采用私有的數據格式進行存貯和管理，對如何把所監測的數據與其他信息系統進行交換和共享則幾乎沒有涉及。
近年來如何從技術角度來消除“信息孤島”，解決信息系統之間的數據交換問題受到很多研究者的關注，常志國等[14]提出了一種交通信息基礎數據元XML Schema表示模型來解決交通信息系統之間的數據交換和共享，潘峰等[15]構建了國家衛生數據字典XML Schem來實現衛生數據的交換與共享，農業領域也有學者開展數據交換和共享方面的研究，如戴建國等[16]針對國營農場管理報道了基于 REST 架構和XML的農情數據共享技術研究，陳宏等[17]提出了蔬菜種植元數據模型信息描述方法。但針對果園環境數據表示以及數據共享技術方面的研究幾乎沒有涉及。
本研究在分析果園環境數據內涵的基礎上，研究基于XML技術的果園環境采集數據表示技術，重點解決果園環境采集數據的表示格式，為不同系統之間果園環境采集數據的交換和共享應用提供支撐。
一、材料和方法
1.1 果園環境數據分析
果園環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、污染等環境因素;生物因素是指果樹以外的動物、植物、微生物等環境因素。果園環境采集數據就是利用技術手段獲取的各種環境因子的狀態數據或者特征數據，從數據形態上來看，有數值、字符、圖像、視頻、聲音、矢量等。
果園氣候環境因子方面，大氣、溫度、光照、水分等氣候因子與果樹生產有密切的關系，目前利用物聯網技術可直接采集的數據包括空氣溫濕度、光照強度、光有效輻射、紫外線強度、降雨量、風速、風向、露點等。
果園土壤環境因子方面，利用物聯網技術或者實驗室檢測手段可以采集的數據有土壤含水率、土壤pH值、土壤有機質含量、土壤電導率、土壤溫濕度、土壤重金屬含量、地下水位、土壤鹽分等。其中，土壤有機質含量是評價果園土壤肥力的重要指標，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，又會發生漬害，土壤水分含量影響著果樹的產量和品質。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注。
果園地形環境因子方面，一般利用遙感技術和GIS技術獲取和管理果園的地形起伏、海拔、山脈、坡度、坡向、高度等地貌特征數據。
果園生物環境因子方面，果園病蟲害和雜草方面的數據更受關注。近來利用現代信息技術手段自動測報果園病蟲害數據得到研究和應用部門重視。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用情況。邢東興等[19]利用光譜數據定量化測評紅蜘蛛蟲害對紅富士蘋果樹的危害程度。
1.2 果園環境采集數據表示格式設計方法
果園環境采集數據不但為果園生產管理系統提供支撐，同時也是果品質量追溯、果品電子商務等果園經營管理系統的數據源之一，果園環境采集數據需要在不同管理系統之間實現自動交換和共享。現有的果園數據采集與管理系統一般采用私有的數據格式進行數據存貯和管理，因此需要設計一個果園環境采集數據表示格式，基于這樣的標準格式，才能在不同系統之間實現數據的自動交換和共享。
XML(Extensible markup language)是國際互聯網聯盟(W3C)開發的用于網絡環境下進行數據交換和管理的技術[20]，它以一種開放的、自我描述的方式定義數據結構，通過Schema使XML文檔結構化，并能創建不依賴于平臺、語言或者格式的共享數據。近年來，農業領域一些學者也開始采用XML技術來研究農業數據元數據標準以及數據表示。日本學者吉田智一[21]提出了農業生產工程管理中的數據表示格式FIX-pms，歐洲學者Martini[22]提出了用于農業信息交換的agriXchange格式規范，Kunisch M[22-23]提出了針對農場的信息表示格式規范agroXML。本研究也采用XML技術來描述果園環境采集數據。
果園環境因子眾多，不同果園因管理目的不同，所選擇的采集指標也不同，不同采集指標的采樣頻率也不盡相同。為了提高果園環境采集數據表示格式的通用性，本研究采用可變采集指標項的數據表示方法。該方法把果園環境采集數據文件分為兩個部分。第一部分用來定義所選擇的采集指標項情況，包括指標名稱、數據單位、數據采集點的GPS坐標、數據采用方法說明。第二部分用來順序存放所采集的數據，每條數據中采集指標項的次序與第一部分定義的數據采集指標項相對應。
二、結果與分析
2.1 果園環境采集數據格式的Schema
果園環境采集數據采用XML文件來存貯，按照可變采集指標項的數據表示方法，其XML文件的語法規則采用Schema文件來定義。在Schema文件中，按照基本數據類型、基礎子元素類型、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系如圖1所示。
從圖1可以看出，果園環境采集數據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境數據表示格式所采用的XML Schemas版本號。時間元素< BeginDate > EndDate >描述果園環境數據采集的開始時間和結束時間。元素描述果園名稱和果園ID號， < FruitVariety>元素描述水果品種名稱、學名和ID號。通過這兩個元素的ID號可以把果園的環境數據與其他生產經營管理數據進行關聯。元素描述數據存貯的結構，是對具體數據記錄存放形式的解釋，由若干個數字型、矢量型、圖像型、視頻數據型、聲音型、備注型的數據采集指標項的結構定義組成，支持可變指標項的定義，可根據實際情況來決定數據采集指標項的數量。元素是實際采集數據的記錄實體，由順序存放的元素組成，元素中的數據項和元素中定義的數據采集指標項是一一對應的，并通過數據采集指標項中的元素值來關聯。
2.2 果園環境采集數據表示格式實例
以位于陜西洛川某果園的數據采集系統為例，其數據采集點現場以及采集數據的快照如圖2。各種傳感器采集的果園環境數據由專門系統來進行管理，并存貯在SQL Server數據庫中。
根據Schema文件中所規定的語法形式，就可以把SQL Server數據庫中存貯的果園環境數據表示成XML格式的數據。圖3是所形成的果園采集環境數據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項分別是大氣溫度、大氣濕度、降雨量、監測點1的土壤溫濕度和監測點2的土壤溫濕度以及光合輻射，這些數據都是DataItem型，如果涉及到監測點的GPS坐標，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據。
2.3 果園環境采集數據表示格式的應用
對于現有的果園數據采集與管理系統來說，利用本文所述的果園環境數據表示格式，不需要改變其數據存貯形式和相應的管理程序，只需在此基礎上，通過一個數據轉換程序，把果園的環境數據轉換成符合果園環境數據表示格式的XML文件，然后通過webservices技術實現一個數據共享接口，需要使用這個果園的環境數據時，只需要調用這個數據共享接口，就能獲得相關的數據。其應用方案的邏輯結構如圖4，其特點在于不改造原有的果園數據采集系統，僅需通過新增加一個數據共享接口就能實現果園環境數據的共享應用。
果園環境數據共享服務包括3個接口。GetDataStruct接口返回數據結構定義信息，實際上就是元素中的內容。GetDataBeginEndDate接口返回已有數據的起始和結束日期，以圖2所示的實例為例，其返回開始日期是2015-01-01T08：00：00，結束日期是2015-01-01T15：00：00。GetData接口返回指定起止日期的果園環境數據，實際輸出形如圖3的XML文件。
三、結 論
本研究設計了一種果園環境采集數據表示格式，并通過對某果園數據采集系統所采集數據的實際表示，以及在Internet環境中的共享應用，來驗證果園環境采集數據表示格式的設計。結果表明，該格式的設計是可行的，并且具有潛在的良好性能：(1)數據格式簡明易用;(2)系統集成簡單，用戶可以很方便地建立起一個網絡化的果園環境數據集成共享系統;(3)透明，用戶關心的事情少，并不需要知道原有果園數據采集系統的實現細節，只需要了解能提供的服務。
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