全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計

杭天文++李文西++陳明++龔鑫鑫++徐迅燕++高潔++吳兵++張月平++張炳寧

摘要 首先闡述了耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)的重要性以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)的特點和用戶需求，針對需要建立面向行政領(lǐng)導(dǎo)、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員、農(nóng)戶等對象的全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和標(biāo)準化管理，科學(xué)分析、深度挖掘數(shù)據(jù)價值，為全國政府部門、技術(shù)推廣服務(wù)機構(gòu)以及社會大眾提供各類服務(wù)。

關(guān)鍵詞 耕地質(zhì)量；大數(shù)據(jù)平臺；云計算；平臺設(shè)計；中國

中圖分類號 S126 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）22-0296-03

耕地是糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)要素，是不可再生、不可替代的稀缺資源[1-2]。耕地質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，影響農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，關(guān)系到農(nóng)業(yè)、農(nóng)村和整個國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[3]。2016年中央一號文件再次聚焦農(nóng)業(yè)，明確指出實施耕地質(zhì)量保護與提升行動，加強耕地質(zhì)量調(diào)查評價與監(jiān)測，2016年7月農(nóng)業(yè)部發(fā)布《耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測與評價辦法》明確指出各級人民政府農(nóng)業(yè)主管部門是耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價工作的責(zé)任主體[4]。建設(shè)耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺，應(yīng)用全國耕地質(zhì)量調(diào)查成果，可以為政府決策、科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣提供有力支撐。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 國外概況

1972年加拿大土壤信息系統(tǒng)（CSIS）建成[5]，在此之前各省已相繼建立土壤數(shù)據(jù)庫[6-7]，如1966年British Columbian建立了土壤數(shù)據(jù)庫，1967年Alberta建立了空間土壤分析數(shù)據(jù)庫。1975年英國Macauly土壤信息研究所在蘇格蘭試建第一個土壤數(shù)據(jù)庫[8]，但是由于各專業(yè)部門加入的信息沒有采取統(tǒng)一的接口標(biāo)準，因此數(shù)據(jù)的傳輸調(diào)用極為不便，直到1983年建立聯(lián)合土壤數(shù)據(jù)庫后這一狀況才有所改善。美國在20世紀70年代初創(chuàng)建土壤數(shù)據(jù)庫，20世紀80年代初州級土壤地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及國家土壤地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均建設(shè)完成[9]。1986年國際土壤學(xué)會開始著手建立1∶100萬世界土壤和地形數(shù)字化數(shù)據(jù)庫（world soils and terrain digital data base，簡稱SOTER），目的是建立一個包含數(shù)字化地圖單元及其屬性數(shù)據(jù)的世界土壤-地形體數(shù)據(jù)庫[10]。20世紀80年代末，隨著“3S”技術(shù)和自動制圖技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在數(shù)據(jù)更新、動態(tài)評價、評價精度等方面取得很大進展，并能快速完成多維、多元信息復(fù)合分析。目前，世界上許多國家都建立了有一定影響的土地資源信息系統(tǒng)[11-12]，如美國紐約土地利用與自然資源信息系統(tǒng)（LUNR）、美國明尼蘇達土地管理信息系統(tǒng)（MLMIS）、新西蘭微型計算機土地信息系統(tǒng)（MIDGE，Giltap）、澳大利亞SIRO土地利用規(guī)劃信息系統(tǒng)、日本國家土地資源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、法國國土信息系統(tǒng)以及英國土地資源信息系統(tǒng)等。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，耕地質(zhì)量的數(shù)據(jù)越來越豐富，人們通過地理信息系統(tǒng)建立了各自的耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了耕地資源的數(shù)字化、信息化管理。

1.2 國內(nèi)概況

20世紀80年代中期我國開始建立土壤數(shù)據(jù)庫。1986年，北京大學(xué)遙感中心建立了區(qū)域土壤侵蝕信息系統(tǒng)。1989年南京土壤研究所研究完成1∶50萬東北三江平原土壤信息系統(tǒng)。浙江省建立了1∶5萬大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫[13-15]。2004年南京土壤研究所建成1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫[16]，2007年建立中國土壤信息系統(tǒng)（SISChina，soil information system of China），它包含了不同尺度的土壤空間數(shù)據(jù)、土壤剖面屬性數(shù)據(jù)、土壤空間與屬性融合后的土壤專題空間化數(shù)據(jù)、土壤類型參比數(shù)據(jù)以及應(yīng)用國際土壤主流分類的中國土壤分布特征數(shù)據(jù)[17]。設(shè)在中國農(nóng)科院的國家土壤信息中心對全國第二次土壤普查資料進行了搜集整理，建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。上述這些成果在我國耕地管理方面都發(fā)揮了一定的作用，但由于缺乏統(tǒng)一的描述標(biāo)準，沒有信息資源相互融合的數(shù)據(jù)平臺，影響了數(shù)據(jù)資源的有效管理和應(yīng)用[18]。

2 平臺設(shè)計

2.1 需求分析

建國以來，我國分別于20世紀50年代和80年代組織了2次全國規(guī)模的耕地調(diào)查，于21世紀初組織了全國范圍的耕地質(zhì)量調(diào)查與質(zhì)量評價[19]；新中國成立60多年來，我國農(nóng)業(yè)科研和推廣部門做了大量的田間試驗，積累了海量的試驗數(shù)據(jù)[20]。這些數(shù)據(jù)目前大多分散在各個地區(qū)、各個部門的檔案柜或電腦中，利用率很低，甚至同一地區(qū)的不同部門都無法共享將之應(yīng)用于實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。更嚴重的情況是由于機構(gòu)調(diào)整、人員調(diào)動、辦公地點搬遷等情況，許多寶貴的資料正在迅速流失或遺失。為了保護這些珍貴的數(shù)據(jù)資源并將之應(yīng)用于耕地質(zhì)量管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)部委托揚州市耕地質(zhì)量保護站在已有的工作基礎(chǔ)上建設(shè)集耕地、肥料、墑情、環(huán)境等數(shù)據(jù)于一體的全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺，通過數(shù)據(jù)的標(biāo)準化管理、高效云平臺服務(wù)、多形式的信息發(fā)布模式以及安全運維管理機制，為社會各種需求提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

政府行政部門為農(nóng)業(yè)部以及省、市、縣各級農(nóng)業(yè)部門提供地圖瀏覽、信息查詢、統(tǒng)計、成果輸出等服務(wù)。涉及數(shù)據(jù)內(nèi)容包括土壤類型、面積、分布，土壤養(yǎng)分狀況（pH值、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等以及變化趨勢），土地利用現(xiàn)狀，耕地地力等級，耕地環(huán)境質(zhì)量，主要作物類型、分布、產(chǎn)量，土壤墑情（實時、歷史），肥料生產(chǎn)、銷售、價格情況，高標(biāo)準糧田分布、面積、建設(shè)內(nèi)容，補充耕地和設(shè)施農(nóng)業(yè)等內(nèi)容。

研究及農(nóng)業(yè)技術(shù)部門為國家、省、市、縣專業(yè)技術(shù)人員提供地圖瀏覽、信息查詢、成果輸出，以及數(shù)據(jù)準備、制作、管理、上報等服務(wù)。社會大眾為廣大農(nóng)民提供承包田塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及關(guān)于耕種、施肥、灌溉等農(nóng)事措施的具體建議。這些建議可通過手機短信、微信、數(shù)據(jù)客戶端、觸摸屏一體機、網(wǎng)頁瀏覽器等方便快捷的方式送達農(nóng)民。

2.2 設(shè)計原則

2.2.1 整體性和開放性的原則。在本項目系統(tǒng)設(shè)計時將充分考慮國家、省、市、縣不同用戶的需求和數(shù)據(jù)流動的規(guī)律，整體設(shè)計規(guī)劃，既注重各種信息資源的有機整合，同時也考慮具有一定的開放性，把握好信息集中存放和共享的協(xié)調(diào)。

2.2.2 可擴展性和易維護性的原則。在設(shè)計時應(yīng)具有一定的前瞻性，充分考慮系統(tǒng)升級、擴容、擴充和維護的可行性。針對本系統(tǒng)涉及用戶多、業(yè)務(wù)繁雜的特點，充分考慮提高業(yè)務(wù)處理的響應(yīng)速度以及統(tǒng)計匯總的速度和精度。

2.2.3 經(jīng)濟性和實用性的原則。系統(tǒng)的設(shè)計實施盡量節(jié)省項目投資，具有較好的性能價格比，設(shè)計面向?qū)嶋H，注重實效，堅持實用、經(jīng)濟的原則，合理利用現(xiàn)有設(shè)備和信息資源。

2.2.4 先進性和成熟性的原則。在系統(tǒng)設(shè)計時，將充分應(yīng)用先進和成熟的技術(shù)，滿足建設(shè)的要求，把科學(xué)的管理理念與先進的技術(shù)手段緊密結(jié)合起來，提出先進合理的業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)將使用先進成熟的技術(shù)手段和標(biāo)準化產(chǎn)品，使系統(tǒng)具有較高性能，符合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展方向，確保系統(tǒng)具有較強的生命力，有長期的使用價值，符合未來的發(fā)展趨勢。

2.2.5 可靠性和穩(wěn)定性的原則。在設(shè)計時采用了可靠的技術(shù)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)具備故障分析與恢復(fù)和容錯能力，并在安全體系建設(shè)、復(fù)雜環(huán)節(jié)解決方案和系統(tǒng)切換等各方面考慮周到、切實可行，建成的系統(tǒng)將安全可靠、穩(wěn)定性強，把各種可能的風(fēng)險降至最低。

2.2.6 安全性和保密性的原則。在系統(tǒng)設(shè)計把安全性放在首位，既考慮信息資源的充分共享，也考慮了信息的保護和隔離；系統(tǒng)在各個層次對訪問都進行了控制，設(shè)置了嚴格的操作權(quán)限；并充分利用日志系統(tǒng)、健全的備份和恢復(fù)策略增強系統(tǒng)的安全性。

2.3 框架結(jié)構(gòu)

全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺由網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)、服務(wù)端系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)客戶端系統(tǒng)、外網(wǎng)客戶端系統(tǒng)組成（圖1）。用戶分為國家、省、市、縣級行政領(lǐng)導(dǎo)，國家、省、市、縣級專業(yè)技術(shù)人員和社會公眾。行政領(lǐng)導(dǎo)通過內(nèi)網(wǎng)專線訪問全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺，應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、匯總、瀏覽以及成果輸出等功能；專業(yè)技術(shù)人員也是通過內(nèi)網(wǎng)專線定期向全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺上傳、制作相關(guān)數(shù)據(jù)；社會公眾通過手機短信、微信、數(shù)據(jù)客戶端、觸摸屏一體機、網(wǎng)頁瀏覽器等方式通過外網(wǎng)瀏覽、查詢?nèi)珖刭|(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺發(fā)布的信息。內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間通過網(wǎng)閘隔離確保數(shù)據(jù)的安全。

2.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

服務(wù)端系統(tǒng)采用Web Service結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，具體采用微軟的WCF（Windows Communication Foundation）技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，開發(fā)語言為VB.NET和 C#等，地理信息系統(tǒng)環(huán)境為ArcEngine SDK和Arc Objects SDK。

客戶端系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，開發(fā)語言為VB.NET和C#等，地理信息系統(tǒng)環(huán)境為ArcEngine SDK、ArcGIS Runtime of .NET、ArcGIS Runtime of Java、ArcGIS Runtime of Android、ArcGIS Runtime of iOS等。不同的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境有所不同，其中ArcGIS Runtime of Android、ArcGIS Runtime of iOS用于開發(fā)用戶移動手機端應(yīng)用。

2.5 系統(tǒng)運行環(huán)境

服務(wù)端運行環(huán)境為.NET 3.5或以上版本、ArcGIS for Desktop、ArcGIS for Server、ArcEngine Runtime等。客戶端根據(jù)不同的系統(tǒng)運行環(huán)境采用不同的工具軟件，主要包括.NET 3.5或以上版本、ArcEngine Runtime、ArcGIS Runtime of .NET、ArcGIS Runtime of Java等。

2.6 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺包括耕地質(zhì)量監(jiān)測、耕地質(zhì)量評價、測土配方施肥、土壤墑情監(jiān)測等工作和項目的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。該平臺數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)保密要求高，單一的、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)存儲管理的要求，平臺按照項目進行劃分，根據(jù)不同工作、項目數(shù)據(jù)的特點分別使用不同類型的數(shù)據(jù)庫軟件和大數(shù)據(jù)管理軟件對數(shù)據(jù)進行存儲管理。采用Microsoft SQL Server、Oracle、Greenplum等數(shù)據(jù)庫存儲管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；采用ArcSDE管理空間數(shù)據(jù)；Hadoop管理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)規(guī)范與數(shù)據(jù)預(yù)處理

耕地質(zhì)量評價項目數(shù)據(jù)由各項目單位采集，有的項目單位在實施項目沒有使用規(guī)定的數(shù)據(jù)標(biāo)準，這些數(shù)據(jù)進入耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺前需要進一步規(guī)范處理。目前測土配方施肥數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲管理，數(shù)據(jù)標(biāo)準相對比較規(guī)范。耕地質(zhì)量評價項目數(shù)據(jù)進入耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺 Oracle數(shù)據(jù)庫需要做數(shù)據(jù)預(yù)處理，其他項目數(shù)據(jù)也需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫的特點進行預(yù)處理。

3.2 硬件框架

服務(wù)器虛擬化可以提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務(wù)器整合。將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務(wù)器變成若干臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，不再受限于物理上的界限，且CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件可以成為動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理。

3.3 構(gòu)建全國地圖

耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺需要分別展示全國、省、地市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下級別的成果，構(gòu)建全國地圖需要應(yīng)用ArcGIS Server 緩存服務(wù)。地圖緩存服務(wù)就是能夠利用靜態(tài)圖片快速提供地圖的服務(wù)。ArcGIS Server 緩存服務(wù)由ArcGIS Server 預(yù)生成的一套地圖圖片快速顯示，滿足用戶對地圖的請求。構(gòu)建全國地圖首先需要制定緩存方案，緩存方案中如果等級過少、分配不合理、直接影響地圖瀏覽效果，如果等級過多，工作量成幾何倍數(shù)增加。制定一個科學(xué)合理的地圖切片方案非常重要，國內(nèi)外不同的地圖服務(wù)提供商都有適合自己的切片方案。耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺是參照Google、Bing、ArcGIS等公司的切片方案，按照表1方案進行切片，共20個級別。第0、1、2個級別在全國地圖上一般不需要使用，為世界地圖預(yù)留展示空間，這3個級別是否顯示通過軟件開發(fā)控制，第19個級別一般不使用，僅為特殊需求，做全國母圖時預(yù)留。

具體全國地圖制作流程：①制作國家級地圖，并按照緩存方案進行發(fā)布，對所有級別進行切片；②分別省市、地市、縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下級別地圖，并按照緩存方案進行發(fā)布，對相應(yīng)級別進行切片；③省市、地市、縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下級別地圖切片導(dǎo)出，導(dǎo)出后再分別導(dǎo)入到國家級地圖中，覆蓋國家級地圖相應(yīng)的級別和范圍；④最終形成全國一張圖。

3.4 功能模塊

3.4.1 安全認證模塊。為了確保數(shù)據(jù)安全，耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺除了用戶名和密碼管理外還使用了軟件狗進行認證，對數(shù)據(jù)上傳、發(fā)布、編輯和刪除操作需要驗證軟件狗，不插入軟件狗或者軟件狗驗證不通過只能瀏覽數(shù)據(jù)，不能修改數(shù)據(jù)。

3.4.2 數(shù)據(jù)上報模塊。數(shù)據(jù)上報模塊分客戶發(fā)送模塊和服務(wù)端接收模塊，由客戶模塊發(fā)出數(shù)據(jù)上報的請求，等待服務(wù)端接收模塊響應(yīng)并建立數(shù)據(jù)上傳通訊，然后客戶模塊每次發(fā)送100 K二進制內(nèi)容，服務(wù)端模塊進行接收，直達文件傳輸結(jié)束。

3.4.3 地圖發(fā)布模塊。地圖發(fā)布需要使用ArcGIS for Desktop的數(shù)據(jù)共享功能。ArcGIS中不提供相應(yīng)的接口，如何實現(xiàn)程序后臺自動發(fā)布是個技術(shù)難點。通過查閱大量的技術(shù)文檔，發(fā)現(xiàn)可以通過執(zhí)行Python腳本后臺發(fā)布。首先根據(jù)上次的 MXD文件自動生成數(shù)據(jù)發(fā)布的Python腳本，再調(diào)用ArcGIS進程執(zhí)行Python腳本，腳本執(zhí)行完畢地圖就自動發(fā)布成功。

3.4.4 地圖瀏覽模塊。全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（應(yīng)用版）采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，Windows Presen-tation Foundation（WPF）框架，ArcGIS Runtime of .NET環(huán)境進行開發(fā)，實現(xiàn)了全國地圖瀏覽查詢的功能。

4 平臺運行

4.1 行政領(lǐng)導(dǎo)

各級行政領(lǐng)導(dǎo)通過“全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（應(yīng)用版）”客戶端軟件（圖2）訪問瀏覽全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)。“全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（應(yīng)用版）”分若干個專題地圖展示全國耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)，每一個專題地圖分20個等級的比例尺分別從國家、省市、地市、縣市到鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以下進行展示。全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)生成14個專題圖：土地利用現(xiàn)狀圖、農(nóng)用地地塊圖、土壤類型圖、行政區(qū)劃圖、耕地地力評價圖、水稻適宜性評價圖、小麥適宜性評價圖、施肥方案推薦圖、耕地地力調(diào)查點點位圖、耕地土壤有機質(zhì)含量分布圖、耕地土壤pH值分布圖、耕地土壤全氮含量分布圖、耕地土壤有效磷含量分布圖、耕地土壤速效鉀含量分布圖。

4.2 專業(yè)技術(shù)人員

各級專業(yè)技術(shù)人員通過“全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（管理版）”客戶端軟件（圖3）訪問瀏覽全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)，定期上報、制作、更新相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 社會公眾

社會公眾通過手機短信、手機微信、手機客戶端、觸摸屏一體機、網(wǎng)頁瀏覽器等方式瀏覽、查詢?nèi)珖刭|(zhì)量大數(shù)（上接第298頁）

據(jù)平臺發(fā)布的信息。

5 應(yīng)用情況與展望

全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺一期工作已于2016年7月開發(fā)完成并投入運行，目前已有黑龍江、內(nèi)蒙古、江蘇等?。▍^(qū)）100多個縣向全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺上報了耕地質(zhì)量評價和測土配方施肥有關(guān)數(shù)據(jù)。通過“全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（應(yīng)用版）”軟件可以查詢耕地地力評價圖、土壤有機質(zhì)含量分布圖、耕地土壤pH值分布圖、耕地土壤全氮含量分布圖、耕地土壤有效磷含量分布圖、耕地土壤速效鉀含量分布圖等專題地圖；通過“全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺（手機APP）”軟件可以查詢區(qū)域地塊的土壤理化性狀、立地條件、土壤養(yǎng)分、施肥方案等信息；通過手機微信、手機短信可以查詢這些區(qū)域具體地塊的耕地經(jīng)營權(quán)、地力等級、施肥方案等信息。通過與蘇農(nóng)集團、綠云科技等農(nóng)企進行合作，全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺為農(nóng)企提供數(shù)據(jù)訪問接口。全國耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺將成為耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、分析、應(yīng)用的中樞，在我國耕地質(zhì)量管理工作中發(fā)揮重要的作用。

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