智慧农业时空“一张图”管理平台建设综述

付天新，乔占明

（1.北京中农信达信息技术有限公司,北京 100080；2.青海省地理国情监测院,青海西宁 810001）

为了响应国家“十三五”规划纲要提出的“坚持一张蓝图干到底”及对现代农业信息化发展要求,整合现有的农业数据,提升农业管理能力、提高工作效率,发展智慧农业,推进农业物联网应用,提高农业智能化和精准化水平,推进农业大数据应用,增强农业综合信息服务能力的要求。建设智慧农业时空“一张图”平台,旨在解决当前农业在数据汇交、采集、更新、积累、整合、挖掘与应用尚不能满足农业监测监管和社会化服务需求的信息化瓶颈问题从而满足农业资源参与宏观调控、资源监管、形势分析、辅助决策支持和社会化信息服务等方面的需要,提供政策、机制、管理、技术、标准、应用和服务所必要的数据支撑,实现各类农业数据汇交、存储、处理、分析、挖掘、应用及安全备份等管理和服务的数据集成环境。

近年来全国开展的农村土地承包经营权确权登记颁证、农业两区划定等工作中积累了丰富的地理空间数据,具备开展智慧农业建设的基础,为了更好地利用与管理农业资源数据,应用于农业生产和管理,并利用当下最新的信息化技术开发农业时空“一张图”平台,整合现有的农业数据,达到“以图管地、以图防灾、以图管产、以图智农”的目标,避免信息孤岛、提高效率,完成农业数据资源的共享应用、数据支撑和决策支持[1-6]。

1 技术路线

1.1 微服务架构技术

微服务架构是一种架构模式,它提倡将单一应用程序划分成小的服务,服务之间互相协调、互相配合,为用户提供最终价值。采用微服务架构来设计与组织系统的开发工作,通过微服务架构将平台中的应用场景（功能）业务化,形成面向某一业务的独立微服务；并通过积累的微服务组件,不断地丰富与完善系统功能,从而降低平台软件的耦合度、提高系统的开发速度。微服务架构能够更好地兼容与集成符合标准的异构或不同类别的服务资产（如：WebService、Rest、OGC 等）,具有良好的兼容性。系统功能迭代更新与开发完成后,可以对微服务组件中局部变化进行增量部署,不影响系统的整体运行,进而提高系统平台的可靠性与稳定性。

1.2 3S空间地理信息技术

3S技术是遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的统称,是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术、通信技术相结合,多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。平台采用基于服务GIS（Service GIS）的空间地理信息技术,遵循国际OGC标准,应用GIS服务技术和ArcGIS Api for JavaScript开发包实现空间信息服务的封装、扩展及集成应用,完成满足项目对空间数据快速浏览、查询分析、统计汇总及监测监管等方面的应用需求,并通过空间数据的可视化表达,实现对空间数据信息总量、布局、结构、时序等多个维度的展现[7-8]。

1.3 天-空-地一体化监测技术

平台采用现代遥感技术已构成的太空、空中、地面三个立体层面的应用技术,推动智慧农业时空“一张图”平台建设。天-空-地一体化技术中的天（太空）即航天卫星遥感影像观测,包括多光谱、高清影像的识别与应用等；空（空中）即航空航拍,包括航空摄影测量、无人机、倾斜摄影等；地（地面）即物联网传感器,包括温湿度、土壤墒情等。天-空-地一体化技术具有大范围、动态、全天候、全天时等优势,利用该技术快速处理与获取遥感影像、现场调查、信息提取、地理统计分析等技术手段,能够查清反映地表特征、地理现象和人类活动的基本地理环境要素的范围、位置、基本属性和数量特征,通过深入的统计和综合分析,还可以形成这些基本地理环境要素的空间分布及其相互关系的监测结果。

1.4 物联网技术

农业物联网,是指将大量的传感器节点构成监控网络,通过各种传感器采集环境信息并进行分析,帮助农民及时发现、准确定位问题,这样农业将逐渐从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式,大量使用各种自动化、智能化、远程监测、控制的生产设备,从而实现现代农业的规范化管理、精准化种养殖、机械化操作、自动化生产。实现智慧农业时空“一张图”平台对农业生产的精准控制、远程监管,可以使传统农业越来越“智慧”[9-11]。

1.5 大数据技术

大数据是指无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行抓取、管理和处理的数据集合。大数据技术具有从各种类型的数据中快速获得有价值信息的能力。适用于大数据的技术,包括大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算、互联网和可扩展的存储系统。智慧农业时空“一张图”平台应用大数据的关键在于时空大数据管理和高效的统计及挖掘计算过程。通过大数据技术可以支撑海量数据入库、ETL、数据备份、数据更新及数据质量检查等功能实现,提供指标定制、指标计算、报表服务等功能,提供时空“一张图”数据统计与数据挖掘所需的各类模型定制、模型学习、模型计算、模型分析、模型输出等功能[12-14]。

2 总体框架设计

智慧农业时空“一张图”平台建设是在信息资源规划理论与方法的基础上,规范数据、优化业务流程,以智慧农业大数据中心核心数据库和综合管理服务平台为支撑,创新农业资源管理模式,构建互联互通、协同共享的农业资源业务管理、综合监管、决策支持和社会服务体系[5-7]。智慧农业数据中心运行在业务网之中,按照统一标准,建设数据资源目录体系,实现对各类农业数据,如基础地理、遥感影像、农地确权、农业两区、土地流转及产权交易等数据资源的集中管理,并通过数据中心的不断深入应用实现联动更新与资源共享[15-19],其整体架构见图1。

图1 智慧农业时空“一张图”平台总体架构

3 系统建设

3.1 顶层设计与总体规划

采用企业总体架构、信息资源规划等方法,开展平台的顶层设计与总体规划,确定贯穿农业资源信息化的总体设计、开发与实施、运维与管理等全周期的规划方案。以计算机硬件与网络通信技术为依托,以信息化标准和安全体系为保障,以数据中心为枢纽,以业务流程为主线,以农业资源综合管理服务为技术支撑环境,构建互联互通、数据共享、应用协同、安全可靠、灵活高效的智慧农业时空“一张图”总体框架规划方案[20-22]。

3.2 标准规范体系的建设

基于国家、行业和地方等标准规范体系,结合农业、国土、林业、财政等相关行业的实际需求,建设农业资源信息化标准规范体系。规范体系包括数据资源信息框架、数据建库规范、数据采集更新规范、数据汇交更新规范、数据共享服务规范及数据管理办法。同时,还包括与应用系统集成相关的服务接口规范等标准规范建设。

3.3 “一库”建设

建立基于云架构和大数据技术,建成具有数据采集、处理、存储、计算、操纵、模拟推演、机器学习、管理与挖掘能力的农业大数据管理应用平台。系统提供数据查询引擎、数据统计分析引擎、数据计算引擎、机器学习引擎及多源数据集成ETL工具等功能。通过平台实现各类产业数据（基础数据、元数据、主题数据、空间数据等）整合到产业数据库和资源池框架之中,建立更新机制,不断丰富农业大数据库、实现农业数据资源“一库”统一管理,形成农业数据资源管理应用框架[23]（图2）。

在云环境的基础上基于云架构和大数据技术,建成具有数据采集、处理、存储、计算、操纵、模拟推演、机器学习、管理与挖掘能力的智慧农业时空“一张图”平台数据库管理系统。通过时空大数据平台管理海量时空数据,提供高效、稳定、快速的功能与服务,挖掘与分析时空数据潜在价值。实现数据中心各类农业数据的输入、输出、编辑、维护、采集与更新、数据产品的制作与制图等功能；实现数据的入库、管理与更新,确保数据从“源”到“流”、再到“源”的顺畅运行,使数据中心的农业数据资源活起来（图3）。

3.4 “一张图”建设

图2 智慧农业时空“一张图”平台数据资源架构

图3 智慧农业时空“一张图”数据库管理系统

利用云地理信息等现代化信息技术,在统一的运维环境、技术标准和安全保障体系的支撑和约束下,按照统一的数学基准,实现分散、多源、异构的地理空间数据的规范化集成应用与信息展示,以地理信息（数据）服务为核心,实现地理空间数据的开放共享,为各类应用系统提供统一的地理空间数据和功能服务支撑。智慧农业时空“一张图”展示系统包含门户子系统、基础应用平台、业务（专题）应用子系统、共享服务子系统、应用构建中心等子系统。平台支持统一的数据模型和地图资源配置,支持海量地理空间数据的资源目录、资源展示、资源查询、资源分析统计、数据挖掘及模型计算、动态配置及海量数据动图生成等功能。

3.4.1 农业“一张图”基础应用平台 采用云计算及微服务架构方法进行系统建设,提供大数据管理需要的基础图形框架,并按照顶层设计及数据资源规划的要求,从数据组织、分类、展示与应用等角度,提供统一的农业“一张图”基础应用平台。平台包括多种系统展现方式,支持网络端、移动端、大屏展示等多种终端,提供数据的可视化展示、多维组合查询、统计汇总、报表服务及空间数据在线分析等功能。平台在充分共享数据资源的同时,提供一站式服务体验。

3.4.2 农业“一张图”业务应用系统 建立在“一张图”数据库及管理系统之上,以组件及Web服务为基础,提供各类资源数据的综合应用与主题服务。系统主要面向各级业务处室及管理单位,结合业务主体,面向不同领导、不同业务部门、不同业务人员搭建界面不同、功能不同、随需应变的图形辅助审查、综合查询、比对核查、统计分析等功能模块,发挥“一张图”资源全面、权威、准确、即时等优势,辅助资源业务办理,为创新管理模式、管理精细化提供信息化手段支撑。

3.4.3 农业“一张图”构建应用中心 依托“一张图”基础应用平台、农业大数据管理平台和共享应用服务平台等,充分运用云计算与大数据存储、治理、建模、可视化等先进技术手段,建设“一张图”构建应用中心。系统提供图形框架管理维护、报表生成与自定义、专题应用构建发布、模型构建管理发布、在线制图应用及集成、可视化的智图编辑生成、构建模型服务集成应用等多项功能,以满足信息业务变化对数据、功能应用及可视化展现的要求,从而为大数据、农云建设提供有效支撑。

3.4.4 农业“一张图”可视表达平台 利用支持信息可视化的用户界面及支持分析过程的人机交互方式与技术,有效融合计算机的计算能力和人的认知能力,获得对于大规模复杂数据集的洞察。大数据可视化涉及传统的科学可视化和信息可视化,从大数据分析将掘取信息和洞悉知识作为目标的角度出发,在大数据环境下,利用各种技术分析数据,用形象直观的方式展示结果,这样则能够快速发现数据中蕴含的规律特征。平台包含多源数据管理、自助数据建模、可视化编排、空间可视化、多维数据分析及框架集成等功能（图4）。

图4 智慧农业时空“一张图”综合应用服务系统

4 结论

智慧农业时空“一张图”平台,利用云计算、大数据、移动互联、3S、物联网等现代化技术,在统一的运维管理、技术标准和安全保障体系支撑下,实现了分散、多源、异构的地理空间数据的规范管理、存储、展示、应用与共享。平台建设统一顶层设计与规划、统一标准体系、统一GIS基础、统一运维服务,面向应用场景,实现主题应用快速构建、智能专题智能表达、业务联动与分级应用等平台能力。平台通过农业空间数据有机整合、挖掘学习及扩展,实现“以图管地、以图防灾、以图管产、以图智农”,优化农业资源配置、辅助宏观决策与调控、加速产业融合、打破信息孤岛,实现数据资源的共享应用,提供空间数据支撑和决策支持。

建立农业资源的监测监管体系,实现利用天-空-地一体化数据,对农业资源的实时、直观、准确监测,摸清农业资源底数和时空分布；通过农业生产监测,实时监测农业产业结构变化；通过农业市场信息监测,掌握农产品销售流向、价格走势、品牌热度,更好地利用销售数据引导农业生产端；通过农业产业监管,实现投入品、追溯、检测、执法、信用五位一体的监管,保障农业生产安全和农产品质量安全。建立智慧农业时空“一张图”大数据平台更新机制,还可以不断积累与沉淀农业资源数据,丰富农业大数据内容,结合应用场景,实现农业大数据的良性发展和运营。