乡村振兴背景下数字乡村“一张图”设计与实现

高 飞，张爱国，谢晓云，韩 博

(1.黎明职业大学 外语与旅游学院，福建 泉州 362000；2.厦门理工学院 计算机与信息工程学院，福建 厦门 361204；3.福建省自然资源地理信息中心，福建 福州 350003；4.河南省地质局地质灾害防治中心，河南 郑州 450012)

0 引言

2020 年7 月，中央网信办等七部门联合印发了《关于开展国家数字乡村试点工作的通知》，明确了数字乡村的工作目标，要求积极探索数字乡村发展的新模式。数字乡村既是乡村振兴的战略方向，也是建设数字中国的重要内容[1]。随着数字乡村建设的不断深入，数字乡村建设逐步从单个乡村业务的信息化向多个业务协同操作发展，业务更为复杂。目前，数字乡村各个业务系统间具有较强的耦合性，各系统业务信息碎片化、展示不直观且很难交互，容易形成信息孤岛。随着现代信息技术的快速融合发展，新技术逐步在数字乡村建设中得到深化应用，使得农业农村信息化从单项技术的局部应用转向多元技术的大范围综合应用成为可能[2]。

本文以南安市眉山乡观山村为例，基于cesium开源地图引擎框架，利用地理信息系统、计算机、数据库、虚拟现实等技术构建数字观山实景三维系统，集成各类乡村要素，通过数据融合及虚拟化的手段对观山村进行全要素的“数字化重构”，搭建数字观山“一张图”，再现观山村各类资源时空分布，实现观山村产业发展、综合服务、乡村治理等全方位业务的数字化、可视化，提升乡村信息化管理水平，全面推进乡村振兴。

1 数字乡村“一张图”总体设计

1.1 总体架构

数字乡村“一张图”对接智慧城市、数字城市建设标准，以软硬件网络运行支撑环境为依托，以数据质量标准、数据安全体系为保障，变业务驱动为数据驱动，构建一个围绕村情村貌展示、乡村信息服务、乡村治理、村民监督参与的观山村数字乡村“一张图”服务平台[3-5]。平台的总体结构如图1所示。

图1 数字乡村“一张图”总体框架图

系统基于SOA架构，通过集成融合观山村各类空间数据和乡村专题数据构建观山村数据中心，形成观山村数字乡村“一张图”核心数据库。采用“微服务”模式实现业务功能模块的服务化、组件化、定制化管理。从性质和功能上，平台可划分为基础设施层、数据层、服务层和应用层。

(1)基础设施层是运行支撑环境，包括网络设备、服务器、安全保障、标准体系等几个方面。

(2)数据层是整个平台基础数据支撑和管理应用基础，包含不同维度的乡村基础信息数据，如电子地图、三维实景、村庄规划、房屋实体、土地利用等各种数据，还包含乡村治理的各类专题数据。利用开源数据库系统MySQL和文件系统进行管理，从而构建完备的“一张图”数据体系，是实现数据管理、数据更新、数据应用服务的一体化数据应用服务平台。

(3)服务层为“一张图”基础能力建设，是平台架构的核心部分，满足数据资源共享和功能服务的需求。服务层采用RuoYi微服务架构，具有高内聚和低耦合性，降低了平台建设成本和缩小了建设周期，符合数字乡村信息化建设实际需求。利用echarts、cesium进行空间数据的渲染和业务数据的可视化管理，为应用层提供服务[6]。服务包括地图服务、数据分析、数据可视化、用户权限等服务接口为空间数据和业务数据的查询、访问及分析提供基础，为上层业务应用提供支撑。

(4)应用层是数字乡村展示与治理的核心应用。应用层基于vue 等前端技术框架结合开源地图和可视化技术，通过请求后台服务，进行空间数据渲染和数据可视化分析，并通过展示任务结果与用户进行交互[7]。主要包括美丽乡村展示、乡村信息服务、乡村治理、现场巡查上报、村民监督参与等功能。

1.2 乡村数据资源建设

1.2.1 数据资源体系

数字乡村建设需面向全域、全要素、全空间的乡村数字化环境，数字乡村数据资源中心应建立完整的乡村数字化大数据集，以满足数字乡村建设的需要[8]。

数字观山“一张图”数据中心借鉴智慧城市、数字城市建设数据组织管理要求，把观山村范围的各类地理空间数据和业务专题数据建立在统一的地理空间框架上，通过数据关联融合将多源异构的地理空间数据和乡村专题数据信息有效地组织起来，实现海量存储和集成管理[9]。数据资源体系包括：基础地理信息数据和乡村专题信息数据。基础地理信息数据主要包括影像数据、矢量数据、高程数据、兴趣点数据、倾斜摄影数据、三维模型数据等。乡村专题信息数据主要包括美丽乡村专题数据、乡村服务专题数据、规划数据、乡村治理专题数据、乡村部件以及党建信息等，其中部分乡村服务数据通过网络节点资源以爬虫技术框架实现多源信息的获取、整合与呈现[8]。

1.2.2 乡村要素数字化处理

乡村要素类型多样，涉及各类多源异构的乡村数据，包括地形、植物、水体等自然物理实体，还包括气候、人文活动、乡村业务等其他要素，复杂的要素也带来了乡村数据的庞杂。要想将这些庞杂的数据一体化整合展示，需要对数据生产标准、数据内容等进行一致性处理和数字化建设的重构。乡村数据的数字化处理包含多源异构数据生产、数据处理、数据构建、数据更新维护等环节，最大限度地体现数据的价值。

首先是不同类型的数据生产，以航空摄影、实地测量、基础地理信息数据收集或补充生产等多种技术获取的地理空间数据作为乡村要素数字化改造的基础数据，主要包括倾斜摄影数据生产、矢量数据生产、地名兴趣点数据采集、影像数据处理等。然后通过网络数据爬取、多媒体数据收集等其他技术生产或获取的数据在数据标准化的基础上，对不同数据进行数据清洗、完整性检查、去重、一致性转换、空间化处理等操作，使得数据在同一空间基准下，能够实现空间融合，达到建库标准[10]。最后是数据构建和更新。处理流程如图2所示。

图2 乡村要素数字化处理流程

1.2.3 数据融合

(1)多源异构数据的汇聚处理

多源异构数据汇聚就是将各种不同的数据信息进行汇聚综合。由于观山村各类数据来源、格式等各不相同，因此需要对各类数据进行标准化处理，以实现数据汇聚与共享。首先依据数字泉州地理空间框架建设相关的地理数据规范，对汇聚之后的多源异构数据进行时间和空间维度的分析，并进行统一的标准化处理和唯一的编码标识。然后将观山村各类数据按不同的数据类型制定地理数据规范模板并嵌入到数据标准体系中，构建了观山村信息化数据生产技术体系。该体系规范和约束数据生产、检查、清洗和转换的各个环节，确保数据生产质量[11]。

(2)二三维空间数据融合

通过对倾斜摄影数据单体化处理与信息挂接、位置信息空间化等方式将带有空间标识的属性数据进行空间化处理，建立统一地理实体编码体系实现多源、异构数据的空间融合。利用与观山村倾斜摄影数据对应的二维矢量面为用户提供对象的单体化表达，实现倾斜摄影模型与二维矢量面之间的二三维一体化联动。结合专题应用需要，实现各类数据的空间信息与属性信息以及空间对象之间的匹配关联和动态互访[12-14]。

1.2.4 数据组织管理

由于数字乡村业务复杂，数据来源、类型、格式等各不相同，考虑乡村数据现状及未来信息化建设的渐进过程，利用开源数据库管理软件MySQL对关系型和非关系型数据进行数据库结构设计，数据库设计按照数字城市相关建设要求，统一规划、分阶段实施。数据库建设采用边建设边应用、动态扩展的模式建设，使未来新增的数据能不断滚动积累，新增数据通过简单处理即可入库、可视化和应用。同时考虑数据库的扩展需要，确保数据的动态更新与业务应用的可持续性[15]。

根据观山村现有数据情况，按数字城市数据中心建设的有关技术标准规范对各类空间数据和乡村专题数据进行收集、整理、重组、融合等处理，并按照统一的建库标准入库集中管理。空间数据和非空间数据分开存储，通过相关特征(空间码)进行关联和约束，实现数据间的动态互访。数据按分层分类管理，形成包含有基础地理数据库和专题数据库的乡村资源数据中心，实现数据浏览、查询检索、更新等功能[11]。

1.3 数字乡村“一张图”功能设计

1.3.1 美丽乡村

以二三维地理信息数据为底图框架，集成乡村各类专题数据，如自然资源、房屋、人口、乡村部件、乡村业务等数据，构建美丽乡村综合展示可视化大屏。可视化大屏以各种维度专题图、关键指标、业务关联分析、数据分析等方式，展示观山村新农村建设示范成果和乡村特色，为社会公众了解观山、畅游观山、掌握观山的美丽变化提供平台[16-17]。

1.3.2 乡村数字治理

乡村数字治理是一个业务互联互通、数据共建共享、人人协同的乡村数字化治理平台。平台汇聚各类乡村业务数据，通过数据分析和可视化展示为乡村建设治理决策提供及时、准确、详实的依据。同时开发乡村治理随手拍APP，建立数字化的“户情体检表”和“村情体检表”，使数据管理更精细，业务治理更精准。村民通过随手拍深度参与乡村治理过程，形成村民集体身份认同和多元共治的乡村治理格局，提升了乡村治理信息化、数字化、智能化和精细化水平。

1.3.3 智慧党建

平台集成党员、党组织、党建资讯等相关信息。通过数据整合、数据分析和信息可视化实现党员信息管理、党组织活动管理、党建宣传教育管理等。平台建立信息推送机制，通过党建相关信息实时推送，让观山村党员第一时间了解党情、民情，改变了传统信息传递滞后，到达率低等弱点，提高了信息传递的时效性和资讯的阅读率。

1.3.4 移动端随手拍

移动随手拍是基于移动互联技术，以数字乡村“一张图”平台为基础，以村民参与乡村治理为业务引线，开发实现的乡村业务信息采集、上传与发布功能的移动端APP。其主要功能包括数据协同、实时位置服务、现场数据采集、信息回传等。村民利用随手拍，主动发现和核实问题实时上报，及时反馈乡村建设实际情况，解决了村民无法深度参与乡村建设和及时获取乡村建设相关信息的问题，真正实现乡村自治、共治和共享[15]。

1.3.5 乡村服务

平台集成公共服务信息、益农服务信息、惠民政策、乡村旅游服务信息等各类数据资源，如村庄文化、村规民约、市场信息、农业资讯、环境监测信息等，通过各类数据的信息化、可视化呈现，建设多样的数字服务产品，采用信息推送的方式为乡村居民提供便捷的信息服务，实现乡村各类信息的数字化服务。同时设计预留数据接口和功能服务接口，确保平台在多源数据接入和其他系统功能接入的灵活性，后续可基于现有标准对平台数据和系统功能进行优化。数据接口可方便将各类地理信息数据和乡村业务专题数据无缝接入。功能服务接口可对接省、市、县以及基层服务平台与网站，根据乡村业务实际，快速接入各类服务，如在线办事、政策查看等服务，实现不同系统间的应用集成[9]，避免重复建设与投入。同时平台建设要围绕乡村业务实际，充分考虑平台的应用扩展和功能扩展，方便后续业务扩展和平台升级[18]。

2 关键技术及“一张图”实现

2.1 多源数据集成技术应用

观山村数字乡村“一张图”数据中心集成了各类空间数据和各类专题信息数据，涉及矢量、影像、地形、模型和图文视频类多媒体等数据，数据来源不同、类型多样。为了提高数据管理的效率，减少数据间通信的复杂性，更好的将各类数据有机地集成起来，需要统一权限管理，即对角色权限、数据权限和业务权限的统一管理，用户仅可以使用权限内对应的业务功能和数据，提升了系统的安全性，为数据共享提供了权限支撑[6，19]。结合WebGIS技术，影像和矢量数据是直接调用省市天地图数据服务中的WFS和WMS作为底图，利用开源数据库MySQL和文件库系统管理观山村范围的地形数据、倾斜摄影数据、村庄规划数据、土地利用现状和房屋确权数据等相关业务专题数据，实现对多源数据进行汇聚综合。对于汇聚之后的多源异构数据，采用时间和空间维度的分析，通过数据清洗、去重、转换等处理，并对数据进行唯一的编码标识，建立空间实体对象与属性数据的关联关系，构建了观山村数据资源“一张图”数据中心，实现了二三维空间数据、规划数据、土地利用数据、人口数据和乡村业务属性数据等各类数据的集成和联动[3]。

2.2 “一张图”集成可视化

通过数据可视化技术实现对多源、异构、实时动态数据的可视化表达[17]，包括空间数据可视化和数据空间可视化。空间数据可视化是指大场景多源异构数据的二三维一体化可视化表达，通过对数字乡村空间中的点、线、面各空间要素在二三维场景中的快速构建与符号化表达，应用二三维空间数据可视化特效，真实再现数字乡村各要素对象的时空分布[13]。数据空间可视化是指包含空间位置信息的属性数据或能够挂接空间实体对象的信息的可视化表达，如动态图表、大数据分析展示、图表联动、信息交互等，通过数据建模和数据挖掘方法，挖掘数据资源价值，直观展示美丽乡村、重点产业、发展趋势等时空信息，实现对乡村业务数据的科学精准统计与动态分析，并利用动态图表进行展示[7，20]。系统基于cesium平台建立二三维地理空间框架，结合echarts数据可视化插件对各类属性数据进行动态图表可视化展示，通过空间码进行关联挂接和叠加展示分析，形成数字乡村“一张图”全要素、全信息可视化展示大屏，为乡村治理工作提供决策依据和技术支撑。可视化效果如图3所示。

图3 “一张图”集成可视化效果

2.3 基于“微服务”模式应用

由于数字乡村建设内容繁杂，业务需求变更较快，且项目采用边建设边使用的模式，传统的单体架构会导致代码重用率低，程序开发效率低下，系统维护难，业务间耦合性较高，系统扩展性较差[21]。而微服务架构通过服务将业务功能模块组件化和服务化，将数字乡村复杂的业务功能拆分为颗粒度更小、能够重复利用的服务，各个微服务独立开发、方便部署和维护，服务之间相互调用，协同完成业务任务，微服务架构在一定程度上解决了上面的问题[22]。

本系统采用RuoYi微服务架构作为数字乡村“一张图”平台后端系统的整体框架。RuoYi微服务架构系统适合快速迭代开发，业务间耦合性低，易于扩展和维护。根据观山村数字乡村业务需求，对乡村业务中的数据、功能和权限进行拆分和重组做成一个个微服务交给注册中心进行服务注册，并由Spring Boot Admin 服务框架进行统一管理和监控，提供服务调用、服务检测等功能。这样我们就把系统的需求模块分解成了用户管理、数据分析服务、数据可视化服务、人口管理、房屋管理、土地管理等业务功能模块服务等。

2.4 基于移动互联和位置服务的乡村治理模式

观山村是一座具有800多年独特历史文化积淀的名村，是泉州市“美丽乡村建设”试点示范村。近年来，观山村积极探索 “村庄+互联网”的数字乡村治理模式，运用现代信息技术，建立乡村数字基底，不断提升乡村治理效能和服务管理水平，实现乡村治理模式的创新。数字观山“一张图”是在三维实景场景中集成了土地、房屋、人口、乡村部件等各类专题信息，建立统一的人口信息库、房屋信息库和土地信息库，以“空间码”为链，将人口、房屋、土地、乡村部件等进行挂接关联，形成“人—房—地”一体化关联数据档案，结合数据分析和可视化等技术，快速直观展示区域整体动态，实时、全面掌握村情村务信息，实现资源优化配置、村庄规划、房屋整治等数字化治理解决方案[2]。

基于位置服务技术，配合拍照、摄像、通讯等功能对乡村治理与环境保护中发现的问题进行数据采集、取证，并通过网络实时上传。管理人员审核后现场核实给出处理意见并进行信息公开，从而建立乡村治理主体多元化、治理过程信息化、治理结果公开化、村民共同参与的乡村治理信息化监管体系[23]。村民通过“随手拍”APP实时获取和反馈各类信息，深度参与乡村治理，突破了时空限制，提升了乡村认同感。观山村空间数字化治理平台汇聚各类空间数据、管理数据、统计报表等，实现了乡村治理的精准定位、精细管理、精心服务，为乡村治理的决策管理提供有力支撑。最终形成美丽观山共建、共治、共享的乡村治理格局。随手拍情况如图4所示。

图4 村民共治随手拍

3 总结

以乡村数据资源整合为出发点，分析了观山村现有数据资源“一张图”数据模型和业务功能需求，基于开源地图引擎框架，构建了数字观山“一张图”，初步形成了数字乡村建设体系相适应的“一张图”平台体系架构[24]。由于观山村信息化程度较低，数据资源不够丰富，仅就收集到的数据进行集成、融合，构建了美丽观山、数字乡村治理、乡村服务等几个应用场景，在观山村数字治理、数字服务方面进行了一定的探索和研究，取得了阶段性成果。总体上，数字观山“一张图”极大的改善了观山村信息化水平，对乡村数字管理的精细化、数字化、可视化具有重要的研究和应用价值[25]。下一步将深入研究实现高级GIS分析功能、大数据算法等，充分挖掘数据价值，赋能数字经济应用，推进数字观山“一张图”与农业农村各领域深度融合应用，为乡村发展提供信息化、智慧化的大数据平台。