1系统设计目标
根据新疆兵团农业机械化、规模化、集约化、现代化的生产优势，开发从软件工程的角度出发，按照实地调研→需求分析→系统概要设计→数据库设计→系统详细设计→系统实现→系统测试→系统应用的程序逐步完成。以基础农情数据为依托，通过深入分析棉花水氮耦合效应，应用集成计算技术、专业模型技术构建灌水施肥推荐模型为主的决策系统，实现团场资源空间信息查询、土壤养分管理、土壤水分管理、施肥灌水决策、信息咨询及系统的维护等功能。系统是一个服务型的平台，可以以专题地图、数据表格、文字等形式进行结果输出，为团场生产者，管理人员提供形象化、直观化的信息服务，为石河子总场精准农作提供科学依据。
2系统的总体设计
采用面向用户对象设计的思想，自下而上，先总体后个体，多层次建立体系结构。按照软件工程设计规范，平台设计遵循自上而下、先整体后局部的原则，采用GIS(地理信息系统)软件、数据库建设、网络技术，充分利用GIS对数据的采集和编辑能力，采用B/S结构模式进行系统构建。系统由农业资源数据库和模型数据库构成，通过接口技术实现数据库数据的调用和平台决策系统的人机交互的连接;按照平台优先开发目标，对资源数据库进行分类和模型库开发;根据系统总体规划，采用“人机交互、模型、数据库”三步件模式，最终实现网络农业资源信息查询和决策分析服务。
3系统结构与功能设计
3．1系统结构设计
从软件工程的角度出发，结合本系统的研究目的，系统由数据库、模型库、GIS二次开发组件人机界面等部分组成。系统是一个B/S与C/S相结合的系统，整体框架是采用面向服务设计。系统平台主体结构分为4层，分别为用户接入层、应用层、支撑层、表示层。用户接入层包括用户登录验证(即团场领导、普通用户、系统管理员);应用层包括决策、存储、检索、维护等应用功能;支撑层包括ArcGISDesktop及开发组件(ArcGISserver)、网络相关技术和SOLserver2005系统支撑层;表示层展示最终实现模块，对各模块数据进行访问，为用户提供交互式操作界面，包括GIS资源信息管理、棉花生产效益分析、棉田水分管理、棉花施肥推荐、生产资料与调度及专家咨询等。
3．2数据库
系统的稳定运行基于后台数据库的有力支持。系统数据库的开发过程遵循软件工程的方法，采用规范合理的设计过程。系统数据库包括属性数据库和空间数据库两大类，两库之间通过关联字段来实现关联;充分利用GIS(地理信息系统)存储和空间查询功能，建立GIS资源数据库，农户可以进行农田信息查询，查询所属地块养分信息，为经验施肥提供参考。属性数据库包括农田地理信息数据库、农田气象信息数据库、农业生产信息数据库、专家知识数据库、社会资源数据库及模型数据库。考虑到未来数据需求、业务需求、报表需求和数据完整性等方面，本系统数据库按照规范化设计的步骤进行，采用SQLServer2005实现。系统的空间数据库由Arc-GIS桌面进行创建，应用ArcGISServer进行空间信息。系统管理员可以对存储的数据进行查询、添加、删除等操作。
3．3模型库
模型库是存储和表示模型的计算机系统，是一个涉及多功能的系统，很难直接进行分析设计，必须借助模型来分析设计系统。系统依靠模型库中模型进行决策。系统中涉及到追肥模型、水分模型、棉花效益模型及生产资料分配模型。根据田间调查和田间试验探究各系统模型建立，通过验证分析得到模型，为系统构建建立基础，实现决策功能。
4系统开发与实现
系统开发与实现系统在多年试验及大量团场调查数据的基础上，通过基础数据库的建设与模型算法数据库的建立，结合系统分析和设计，进行系统平台的构建。系统运行在网络环境，以Java为开发工具，采用J2EE为开发架构，以Windowsserver为服务器操作系统，设计采用多层架构的B/S结构，通用组件框架平台技术;以SQLSERVER2005作为主要数据库;采用业内流行的应用中间件tomcat;利用XML作为系统接口的数据交换标准。
5系统功能设计
通过数据库和模型库的建立，为系统建立奠定基础，在此基础上进行系统内部功能设计。系统以棉花为主要农作物，以气象因子、农田地理条件、土壤信息及生产条件等农业资源数据为依托;系统功能明确了信息咨询及施肥灌水决策分析功能，通过属性数据与空间数据通过相关字段相关联，实现基本地图操作、专家咨询、棉花效益分析、水肥管理及GIS资源管理等功能。
5．1基本地图操作
通过打开石河子总场棉花利用现状图，根据设置GIS的相关属性来实现各类空间信息查询服务。查阅相关棉田信息，实现棉田信息导入导出、查询监测点信息及视图基本操作功能，如放大、缩小、平移、全屏及打印等。
5．2GIS资源信息管理
采用GIS(地理信息系统)软件进行基础图件的数字化规范化处理。通过ArcGISServer生成栅格图像的格式传输到客户端，进行网络地图，实现空间数据和属性数据的查询、显示、分析、输出等功能。资源信息包括所属地块、土壤理化性质(质地、有机质、全氮、速效磷、速效钾等)、棉花近几年单产及连队状况(农用机械拥有量、连队职工、灌井量)等信息。通过气象数据板块操作生成历年各月份温度和降水变化趋势图，进行打印输出结果。查询2008－2014年气候状况(如＞0℃积温，终霜期、初霜期、无霜期)及棉花播种期和苗期遇到的自然灾害，为团场技术指导员的需求生成以连队为单位的各种数据趋势图，进行相关需求分析，下发给连队技术员，为下一年确定棉花播种时间提供参考依据。
5．3生产资料管理与分配
根据提出的棉花生产目标和需求，以及资源需求和使用性质的不同，对团场劳动力、机械、农业生产资料进行一种人为的资源需求分配。
5．4产前效益分析
根据兵团农业生产的管理模式和流程，采用投入产出法，其原理为把生产过程看作是投入的过程。对石河子总场棉花生育周期生产资料投入和人工成本投入进行调查，经过分析处理，总结出适合计算机语言的数学模型。该模型依据棉花目标产量为285～409kg和职工棉花耕地面积为标准确定推荐，分别按步骤计算棉花产前成本、产中成本、收获时期人工和机械采棉成本，从而得到人工和机械采花净收益、成本收益率。分析两种采摘方式棉花整个生育期各阶段成本投入状况，为职工进行准备下一年生产资料和确定采花方式提供参考。
5．5棉花追肥推荐
植被指数是反映作物生长信息重要的光谱参数，NDVI值与作物的生长状况、发育时期关系紧密，可用于反演作物的产量关系。根据李新伟等(2014)2011－2012年在石河子大学农学院试验站的研究，得到棉花4个生育期(蕾期、花期、铃期、絮期)冠层归一化差值植被指数(NDVI)与产量的相关系数(r)分别为0．7137、0．8479、0．8979、0．6926，在花期(P=0．0034)、盛铃期(P=0．0008)达到极显著正相关。建立冠层NDVI值、施肥量与产量相关性。在此基础上建立追肥模型。用户根据目标产量参数值计算出棉花盛蕾期、花期、盛铃期、初絮期的施肥量，以及总施肥量和基肥总量。进行阶段推荐施肥，在满足高产的情况下，减少施肥量，获得更多收益，为农户施肥提供从参考。
5．6专家咨询
专家咨询功通过基于规则的知识库表达系统来实现，目前不能用模型定量的知识进行咨询。因此，采用经验模型建立咨询，内容包括:机械采棉相关标准、病虫害诊断与防治及棉花生长诊断等模块。通过用户上传到相关板块中的问题，系统会自动把问题分配给专业技术人员进行在线回答，反馈给用户进行农事指导。
5．7系统管理
系统根据安全性原则，建立独立的后台登录界面，实现对用户基本信息、角色管理(团场管理者、普通用户、系统管理员)及日志管理，可以实现对用户信息添加、修改、删除及模糊查询等功能。由于系统是个多功能的集成系统，因此根据角色来设定用户权限和业务操作。
5．8系统帮助
由于本系统是一个实用型应用软件，包括了多种功能模块的集成，用户可以下载系统使用手册，进行学习。
6结论与讨论
该系统实现了传统农业与农业信息技术的结合，利用GIS强大的空间分析能力与水肥决策系统有机融合，既实现了海量农业资源数据的空间查询，又在此基础上进行查询检索和辅助决策，同时实现了团场资源空间信息查询、土壤养分管理、土壤水分管理、施肥灌水推荐、效益分析、专家咨询及系统维护等功能。系统归纳了棉花生育时期劳动力的投入及生产资料的投入，通过产前效益分析既可以了解棉花整个生育时期的成本投入，又可以通过数据分析得到机械采棉的优势，加大推广机械采棉应用示范。系统特点:1)模型采用精准的数学模型代替了传统的经验模型。2)系统实现灌水施肥推荐，同时根据效益分析，提供了棉花各生育时期的定量化的成本投入，用形象的柱状图表现出机械采棉优势。3)本系统基于GIS强大的空间查询功能及可视化效果，实现兵团农业资源浏览、统计功能。然而，受时间的限制，系统只实现了灌水和施肥的同步管理，并没有完全实现水肥一体化决策，因此接下来工作是利用大田实验，完善水氮精细管理模型，通过验证完善本模型系统。
作者：温鹏飞 吕新 张泽 王秀徽 吴众望 张强 朱鹏 单位：石河子大学新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室 北京派得伟业科技发展有限公司