混合云果园监测系统设计与开发*

季金亮，冯建中，贺日兴，白林燕，马庆勋

（1 西安科技大学，陕西 710054）（2 中国农业科学院农业信息研究所）（3首都师范大学资源环境与旅游学院）（4 中国科学院空天信息创新研究院）

目前，我国小型果园多以人工传统管理方式为主，然而面对类似于新疆和田地区大型果园产业基地，传统的果园管理方式则因其劳动强度大、工作效率低、缺乏量化和标准化指标及配套集成技术等缺点难以形成有效的动态监测与管理体系，影响果品生产效率和品质提高[1-2]。针对存在的问题，利用现代农业信息技术，加大农作物监测力度和技术集成示范应用推广，提高防御自然灾害的能力和生产管理能力成为目前现代农业发展及转型的重要方向[3-4]。

近年来，监测技术理论体系、混合云技术等新技术的快速发展为大规模果园动态实时监测和高效业务化管理平台建设提供了有力的理论和技术支撑[1,5-6]。另外，遥感监测和地面物联网监测具有广泛的应用前景[7]，在矿山监测、滑坡监测、建筑物安全等领域都得到了广泛应用[8-10]。在新疆和田地区，大规模果园监测采用遥感与地面物联网相结合（天-空-地一体化）的方式，能够实现在不同尺度上全天候、全方位的监测。此外，近年来混合云技术的兴起与发展，成为未来众多领域应用新的发展趋势[11-12]，更是农业生产服务信息平台架构选择的很好途径，能解决农业生产涉及要素众多、环节复杂、内容碎片化等问题，提高农业服务信息的整合效率和信息服务质量水平，从而满足农业实际生产中业务化的需要[13-15]。

本平台的研发采用主流的Spring Boot框架。在数据获取方面，利用天-空-地一体化监测体系对果园进行全天候、多尺度的监测；在数据安全性和计算能力方面，利用混合云技术后端业务部署在私有云，前端页面部署在公有云，通过VPN 实现公有云与私有云互联互通。

1 关键技术概述

1.1 天-空-地一体化动态监测技术

天-空-地一体化动态监测技术通过遥感技术与地面物联网技术相结合来完成，“天”，即利用卫星遥感获取多源遥感影像，从太空对地面进行大面积监测；“空”，即利用航空遥感，特别是低空无人机遥感，充分利用无人机飞行的灵活性及其遥感影像分辨率的独特优势而获取监测区域的高精度综合信息；“地”，即在监测区域搭建地面传感器，部署所需的固定或移动智能终端。依此，利用现场和非现场的监管服务方式以及多元信息提取与分析等，实现对目标对象全方位、全天候、精准、高效的监测分析或预测预报[16]。基于混合云技术的果园作物生长动态监测服务系统，以利用遥感、物联网等技术，面向果园作物和生长环境，构建天-空-地一体化农业动态采集监测服务网络，研发果园信息智能感知观测协同服务结构体系。其中，基于多级网络系统可远程按需适应性地控制现场智能终端的信息采集，具有稳定、快捷、安全的数据信息传输性能；对果园动态监测，可以全面准确地了解作物生长、小气候变化、土壤状况等，提升对果园作物的科学栽培与管理等生产水平。

1.2 混合云技术

云服务的部署模式可分为公有云、私有云和混合云等类型[17]。混合云是公有云与私有云相结合的产物，它既具有公有云可扩展和节约成本的特点，又具有私有云安全和可控的优势，有效弥补公有云和私有云各自的不足，具有广泛的应用场景[18]。在其应对服务任务峰值期或突发性业务暴发具有很大的优势，可以将私有云中的部分应用扩展至公有云，并按需回迁和释放公有云的资源[19-20]。在本研究中，我们将众多应用服务部署在公有云，对外提供访问入口，数据服务部署在私有云，提供专有计算服务。

2 平台设计

2.1 平台设计思路

根据混合云的要求，将本云平台分为公有云和私有云2 个部分。核心业务和专有资源等部署在私有云部分，确保其具有较高的安全性；公共业务部署在公有云部分，并为用户提供公有IP地址而访问云服务器，获得各类公共服务。基于安全可靠、易用灵活的原则，构建公有/私有云部分之间安全机制，实现2 个部分之间有效的协同工作及消息通信和数据传递。

本平台总体逻辑如图1 所示，首先需要将前端与后端的系统分别部署在公有云和私有云的Tomcat容器中进行程序启动，当用户通过页面发送请求至公有云部分中的前端控制器，前端控制器对用户请求进行认证、授权与记录，然后通过专有通道将用户请求发送至私有云部分的页面控制器。私有云部分中的页面控制器调用业务功能模块，功能模块中需要的数据则从数据库中调用，获取的数据在模型中进行计算处理，而后将计算结果返回至页面控制器，且经专有通道将结果传送至前端，经解码呈现给用户。

图1 平台总体逻辑

2.2 平台架构设计

平台系统分为5个层面：支撑层、感知层、数据层、业务层、表现层，如图2 所示。

（1）支撑层。支撑层是平台的基础构成部分，分为2个部分，一部分是硬件支撑构件，包括实体服务器、存储设备、网络设备以及其他硬件设备；另一部分是软件支撑部分，有阿里云的虚拟服务器、编程语言Java、Spring Boot 框架体系、数据库PostgreSql 等。

（2）感知层。感知层是平台全面感知终端和数据状态的部分，天-空-地一体化动态监测体系则是平台监测数据的主要来源途径，从天、空、地等多个维度实现对果园数据信息进行感知获取。

（3）数据层。数据层是由基于PostgreSql的数据文件、部分数据访问代码及数据表单等构成，其中表单包括土地管理数据表、用户信息数据表、土地信息数据表、遥感影像数据表、气象数据表等。

（4）业务层。业务层是平台业务功能集合，包括分级权限、用户管理、土地/监测管理等模块。

（5）表现层。表现层即平台与用户交互操作的界面，实现用户需求的传达和系统功能或应答结果的反馈与呈现。

2.3 界面设计

根据易用性原则进行设计，确保平台界面友好、方便用户操作。页面设计采用流行的UI框架Boostrap、Layui和Echarts。Bootstrap制作页面动态表格，方便快捷，创建表格字段属性易于自定义设置；Layui属于轻量级框架，搭建页面的主要部分，它可使得页面美观、内容丰富、使用方便；Echarts作为一个专注于绘制图表的框架，方便各种曲线图、柱状图、饼状图、散点图和地图等的绘制（如可将作物及其环境监测数据以曲线图、柱状图等形式直观展现给用户）。另外，页面布局采用DIV技术实现页面多区块容器标记，并利用CSS样式对页面进行渲染；利用Ajax 技术实现页面局部刷新，且在跟踪区域实时展示系统功能内容或反馈信息。

2.4 平台功能设计

根据系统安全管理和业务需求，平台登录认证功能能够安全、有效地实现对平台用户进行分级权限管理，设置不同的角色且为各角色分配相应的操作权限，保证用户信息安全和系统运行安全。平台基本业务功能主要有基础信息管理、监测数据管理、果园种植管理和预警提示功能等（图3）。基础信息管理功能是用户对自身权限范围内的信息进行管理，例如自身角色的基本信息、角色对所拥有的土地进行管理等；监测数据管理功能展示当前监测数据值以及最近时间的历史记录，并通过趋势分析展现记录数据的变化特征与规律；果园种植管理功能记录果树在生长过程中的农事操作，辅助用户制定生产计划；预警提示功能提示用户当某些监测数据偏离正常值或者当用户制定的生产计划即将到期时，向用户发出警报或提醒。

图3 平台功能模块

3 平台实现

3.1 关键技术实现

（1）搭建天-空-地一体化监测体系。天-空-地一体化监测体系，通过从天、空、地不同层面对果园进行感知监测。航天卫星遥感监测，利用多源卫星遥感影像，包括多光谱、高空间分辨率影像等数据，如利用Landsat-8卫星每隔16 d 重访对同一地区进行观测，获取大范围作物遥感影像监测数据；空中监测，主要利用固定翼有人机和低空无人机的遥感监测，特别是利用无人机定期或者在作物关键生育期进行航空摄影与遥感监测，获得高精度作物种植区域的遥感监测数据。地面监测，即利用地面布设的传感器监测、人工定期或不定期的田间调查，获得田间土壤温度、湿度、土壤pH值、植物茎流、光照强度与时长等作物及其生长环境的监测数据信息。

（2）联通混合云。将私有权限控制的阿里云空间与本地云整合构成平台混合云的私有云部分，同时利用阿里云提供的VPN网关服务，实现与平台开放访问的阿里公有云部分互连互通。将对外访问应用服务部署在公有云部分，数据存储与计算等服务部署在私有云部分，二者之间形成安全、高效的服务或消息传递机制和增溢互助机制，确保公有云部分具有可扩展和节约成本的特点，私有云部分具有安全、可控的优势。

3.2 主要功能实现

（1）分级权限。平台中用户权限分为3个等级：超级管理员、普通管理员和一般用户，分别赋予数字1、2、3 等级编号。不同等级用户拥有不同的管理权限：超级管理员具有管理注册用户及维护系统的全部功能和数据权限的用户组；普通管理员具有部分管理和维护系统功能和数据权限的用户组，可管理和查看比其等级低的用户的相关信息；一般用户则是指具有管理和查看自身相关信息、仅能访问系统公共功能/数据权限的一般用户组。利用单点登录和Session原理，当用户输入账号和密码时，首先在平台的身份认证子系统服务器端进行用户判识和确认，依据账号属性使用户获得不同等级权限，且将身份信息存于Session 域中；同时，将获得的Session-ID信息返回到界面/页面的寄存器中，以便用户根据分级权限控制对平台功能进行操作。

（2）信息管理。基于用户分级权限控制与信息管理，完成相关功能与操作，实现对各类数据/信息进行增、删、改、查询等操作，为用户提供现代化的果园管理方式，摆脱传统手工信息管理，方便用户管理果园。

（3）作物监测和预警。通过在地面上布设的一系列作物生长环境监测传感仪器与装置，使用本系统连接传感器设备，将数据存储在数据内，经过后端业务逻辑，读取监测数据，并展现在前端页面，实现对作物生长环境实/适时监测，如图4所示。当监测数据超出了系统预设的数值范围时则会向用户发送短信提示信息，以帮助用户及时了解到果园环境状况。

图4 果园环境监测情况

（4）种植管理。该模块为用户提供地图可操作界面，在地图中标注地块的种植管理信息，实现数字化管理土地，并且可通过本系统将土地管理的实际操作输入系统之中，以实现信息化管理（图5）。

图5 种植管理模块操作界面

4 结语

基于混合云技术的果园作物动态监测平台采用天-空-地一体化监测体系作为数据采集体系，利用混合云技术保障平台数据的安全性和性能易扩展性，具有如下特点。

（1）本平台是基于混合云技术果园作物动态监测平台，公有云对外开放，提供公共服务，私有云进行数据存储和计算，具有更好的数据安全性，计算性能高，扩展性强。

（2）利用天-空-地一体化监测体系实现在不同尺度上全天候、全方位的监测，保障了果园监测的全面性和实时性。

（3）本系统的建设为新疆和田地区的大规模果园管理和监测提供了现代化的技术手段，可提高果园管理效率，实现果园管理现代化，并能及时发现果园作物生长过程中存在的隐患，并作出预警。