基于云架构的自然资源动态遥感监测监管系统设计与研究

2022-03-29刘发发熊晓峰刘飞焦利伟

河南科技 2022年4期

刘发发　熊晓峰　刘飞　焦利伟

摘要：本研究以云架构分层模型为基础，积极遵循开放式设计、集中化服务、云计算支撑等先进理念，建立统一的多业务监测监管模式，通过系统搭建，实现监测图斑、预警信息、响应反馈的统一收集、统一推送、统一核查、统一反馈、统一管理，为自然资源的科学开发利用提供基础支撑。

关键词：云平台;自然资源;监测监管;数据共享

中图分类号：P237 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）4-0013-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.002

Design and Research on Dynamic Remote Sensing Monitoring and Supervision System of Natural Resources Based on Cloud Architecture

LIU Fafa XIONG Xiaofeng LIU Fei JIAO Liwei

（1.Geophysical Survey Brigade of Henan Coal Geology Bureau，Zhengzhou 450009，China;2.Henan Geological and Geophysical Exploration Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450009，China）

Abstract： This paper explores and studies the hierarchical model based on Cloud Architecture， actively follow the advanced concepts of open design， centralized service and cloud computing support， establish a unified multi business monitoring and supervision mode. Through system construction， realize the unified collection， unified push， unified verification， unified feedback and unified management of monitoring spots， early warning information and response feedback. Provide basic support for the scientific development and utilization of natural resources

Keywords：cloud platform;natural resources;monitoring and supervision;data sharing

0 引言

自然資源是天然存在、有使用价值、可提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总和，是人类生存和社会可持续发展的物质基础，也是我国社会经济可持续发展的基本保障[1]。我国作为自然资源大国，但人均自然资源相对稀缺，同时，开发利用又涉及诸多纷繁复杂的利益关系，要实现经济发展和生态保护共赢，现时还要将自然资源摆在重要战略地位参与国家宏观调控[2]。因此，积极加强自然资源监管力度，科学、合理地开发利用自然资源成为现阶段急需解决的问题[3]。

本研究面向以应用为导向的精细化管理需求，强化以云平台为基础，建立统一的多业务监测监管系统，将自然资源各类业务工作涉及动态监测监管的各类事项进行集成整合，达到监测图斑、预警信息、响应反馈等通过监测平台统一收集、统一推送、统一核查、统一反馈、统一管理的目标，为自然资源的动态监测监管以及合理化的开发利用提供科学决策[4-5]。

1 业务流程设计

自然资源动态遥感监测监管以周为频次，涉及多个业务，本研究业务流程设计如下。

一是省卫星应用技术中心从部国家卫星中心获取一批遥感影像、处理一批，做到图斑周提取、月度大范围覆盖、季度全覆盖;二是基于提取的周变化图斑，进行监测图斑地类判别和管理信息套合;三是监测数据整理入库，同步共享给各业务支撑单位;四是根据变化图斑和套合信息进行综合研判，提取调查监测、耕地保护、用途管制、生态修复、执法监督、矿山保护监督、地质勘查管理等业务监测图斑;五是各业务监测图斑整理入库，同步分发给处室局、市、县及基层所;六是乡所工作人员和四级网格员进行实地核实，市、县进行审核;七是省级进行复核汇总，形成汇总报告，辅助决策。

2 系统技术路线

2.1 系统总体架构设计

针对自然资源数据管理以及信息化的特点，以云架构的模式划分为四层体系[6]：Iaas（基础设施层）、Daas（数据服务层）、Paas（平台层）、Saas（应用层），如图2所示。Iaas层主要为硬件资源的虚拟化。Daas层基于自然资源数据管理以及开发利用的需求，聚合集成各类与自然资源空间相关的，构建包括现状、规划、管理等空间数据、日常管理产生的非空间数据及非结构化数据的平台数据库。Paas层主要实现应用支撑，包括数据服务、功能服务等。Saas层面向用户提供各种模块功能。

2.2 关键技术

2.2.1 云服务技术。系统的稳定运行需要大量的计算、存储资源，同时各地实际情况不同，需要的服务器资源也有所差异。为合理分配服务器资源，避免出现资源闲置或资源紧张的情况，本系统建设将运用云服务技术，实现服务器资源的按需分配，实现系统资源利用率最大化。

2.2.2 基于框架的系统架构。采用面向服务架构（SOA）的设计思想，构建包含标准体系、应用体系、数据体系、安全体系、基础设施体系等的集成框架，基于层次化设计思想以及不同层次间的相互独立性等特点进行总体机构设计，保障系统的安全、稳定、高效运行[8]。通过采用Restful风格的接口提供个性化的服务，通过最简单的http协议传输数据，简化系统设计，便于本系统与其他系统的对接，提高系统的开放性，同时也降低应用与服务器端通信时的流量消耗。

2.2.3 分布式计算与多级缓存动态调整技术。为提供数据读取效率，系统采用分布式技术架构。对自然资源大数据采用分布式处理方式，将数据均匀分布到多个数据库节点中，实现横向方面的扩展，减小每个数据库节点的数据量，提升存储管理性能。综合考虑到HBase是一个具有开源的、分布式的、版本化等优点的非关系型数据库，平台采用HBase分布式数据库。平台采用Memcached（高性能的分布式内存对象缓存系统）缓存模式开发，支持Memory、Redis、Memcached等多级缓存模式，充分利用内存中缓存数据资源和操作对象，减少客户端读取数据库服务器的次数，从而大大降低Web应用对数据库的负载，从而提高系统运行的速度[9]。

2.2.4 基于规则引擎及流程搭建的ETL数据关联技术。系统采用规则引擎技术，将各种软件组件嵌入程序中，并通过执行复杂的算法优化计算资源的使用。当用户客户端提交数据或者对象触发规则引擎时，为实现应用的快速响应，平台通过规则引擎来调用相应的規则，触发响应应用程序的相关指令。

2.3 系统运行环境设计

2.3.1 系统框架搭建。系统采用Django框架进行搭建，将数据模型与数据库解耦，利用其与Python语言的紧密联系的特性，实现强大的数据库功能。通过Django自身模块进行后台管理的配置，将代码和样式分开设计，实现数据查询、修改等基础操作。Django模板注册后可以通过后台对该模板数据进行操作，更加方便快捷地管理后台。

2.3.2 系统部署设计。基于云环境，将专题汇总数据、专题图件成果、分析成果、数据产品在私有云数据中心进行多形态一体化存储，实现成果目录和元数据管理[10]。通过云计算引擎，构建弹性计算服务和工作空间服务的开放式计算与存储服务能力;通过云服务引擎，构建数据服务和交换服务的开放式数据服务能力，包括在线地图服务、数据分发服务、信息查询服务、资源目录服务和数据交换服务;通过云服务引擎，构建分析服务和定制服务的个性化应用服务能力，包括在线统计服务、在线分析服务、决策支持服务、API和应用定制等[11]。如图3所示。

2.4 系统数据库设计

数据存储层主要包括业务库、共享库、元数据库等[12]。业务库主要存储各业务监测图斑ID、所属行政区、监测面积、套合基本农田面积、审批面积等信息。共享库主要存储各业务举证上传的照片、视频，为自然资源不同部门之间提供实地举证信息共享，避免重复工作，减少工作量。元数据主要包括数据内容、空间位置、覆盖范围、表示方式、数据质量、管理方式、数据的所有者、数据提供方式等有关的信息，实现元数据与数据的关联维护[13]。

3 应用示范

3.1 自然资源多业务监测

自然资源动态遥感监测监管系统目前已开展8项业务监测。系统功能主要包括管理信息数据智能套合、业务表单填报、监测监管预警、核查进度统计分析、省市县乡四级用户通知响应、移动端实地核查等。

在业务方面，一是实现国土资源利用结构变化监测，通过对三大地类、重点地类变化情况进行监测，掌握全省各地类现状情况，对于流量异常地区进行预警;二是实现耕地和基本农田监测，针对全省耕地、基本农田、补充耕地变化情况进行监测分析，发现全省耕地增加和减少原因，以及永久基本农田动土情况;三是实现城乡建设用地增减挂钩项目审批核查监管，针对项目拆旧区进行监测，确保增减挂钩项目审批结果的真实性、准确性，对发现的问题图斑，及时下发市县进行举证核实;四是实现产业集聚区土地利用情况监管，主要对批准用地情况、供后利用情况进行监测;五是实现矿山开发利用监管，针对露天矿山、生产矿山、历史遗留矿山实施常态化遥感监测;六是实现自然生态环境监测监管，追踪重大生态修复工程，围绕近期开展的南太行地区山水林田湖草生态保护修复、黄河流域生态保护等重大生态修复工程，实施生态修复效果遥感监测监管;七是实现地质灾害监测，重点监测隐患点位置、分布轮廓、发育条件、灾险情等信息;八是实现季度执法监测，省季度执法监测与部季度卫片监测相结合，互为补充，拾遗补缺，保障自然资源疑似违法用地监测全覆盖[14]。

3.2 多业务监测数据共享

自然资源动态遥感监测监管系统基于标准搭建，通用性强。在保证信息安全的条件下，系统向上与自然资源部“自然资源云”和“国土调查云”深度兼容、互为补充，向下与市县信息系统对接，横向上与政府其他部门的系统平台实现在线数据交换共享[15]。目前系统主要实现了季度遥感成果切片数据和监测图斑共享、智能套合管理信息数据成果共享、监测图斑实地核查照片视频共享、多业务监测监管成果共享、智能化平台和智能化监测技术共享。

4 结语

本研究以自然资源全业务监测监管为中心，基于云架构设计理念进行自然资源动态遥感监测监管系统搭建，形成基于自然资源专网的数据共享及数据生产系统、基于互联网的多业务集成监测监管系统、基于移动终端的实地核查系统，以微服务的方式提供给省、市、县以及乡所，一次举证、多场景应用，大大减轻基层工作量。通过系统建设，充分利用高新技术手段提升自然资源治理能力和治理体系现代化，严格落实自然资源管理和生态环境保护责任，促使自然资源从被动修复变为主动保护，将各类自然资源违法问题消灭在萌芽状态。

参考文献：

[1] 郑丽.自然资源的利用与可持续发展[J].国土与资源研究，2002（1）：9-10.

[2] 范延平，吴洪涛，邓颂平，等.面向SOA的国土资源综合信息监管平台架构设计与实现[J].国土资源信息化，2010（6）：29-36.

[3] 方从刚.信息技术支撑下的国土资源监管技术体系研究与应用[J].城市地理，2015（7X）：80-81.

[4] 自然资源部.自然资源部信息化建设总体方案[EB/OL].（2019-11-15）[2022-01-02].http：//www.mnr.gov.cn/dt/ywbb/201911/t20191125_2483426.html.

[5] 自然资源部.自然资源调查监测体系构建总体方案[Z].（2021-01-17）[2022-01-02].http：//dkj.ah.gov.cn/public/7031/40401561.html.

[6] 李佳临，于志刚，林洋.基于多云架构的“自然资源云”管理平台研究与实践[J].国土资源信息化，2020（3）：15-21.

[7] 张学利，王志辉，宋震，等. 基于云平台的自然资源资讯信息共享系统[J].科研信息化技术与应用，2018（9）：64-70.

[8] 刘恒飞，王洪昌，刘禹鑫.自然资源智慧监管平台关键技术研究与构建[J].测绘与空间地理信息，2020（z1）：76-79.

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[10] 潘柳.基于自然資源云的地质灾害监测预警平台设计[J].网络安全和信息化，2020（9）：65-67.

[11] 徐世亮.基于私有云架构的江西“自然资源云”建设实践[J].信息与电脑，2020（16）：4-7.