新疆特色林果大數(shù)據(jù)管理平臺設計與建設實踐

高健 王蕾 羅磊 張繪芳 李曦光 張山清

摘要：? 基于大數(shù)據(jù)、云計算、地理信息系統(tǒng)設計新疆特色林果大數(shù)據(jù)管理平臺，平臺由基礎支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務資源層、資源應用層和用戶層構(gòu)成，建設7個數(shù)據(jù)庫管理新疆主要林果資源，建成了集綜合展示、統(tǒng)計分析、氣象與病蟲害分析、產(chǎn)業(yè)分析和技術(shù)服務功能為一體的現(xiàn)代化林果管理平臺，實現(xiàn)了新疆林果資源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理和應用。

關(guān)鍵詞：? 大數(shù)據(jù);? 云計算;? 地理信息系統(tǒng);? 新疆;? 特色林果;? 適生區(qū)域

中圖分類號：? ?S 759. 8， F 326.27? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2019）05 - 0045 - 05

新疆地處我國西北邊陲，屬溫帶大陸性氣候，干旱降水少，日照時數(shù)多，太陽輻射強，晝夜溫差大。新疆獨特的地理氣候和生態(tài)環(huán)境，使當?shù)亓止哂泻橇扛?、營養(yǎng)豐富的特點。借助于天山、昆侖山穩(wěn)定的水源補給和得天獨厚的光熱條件，新疆發(fā)展特色林果業(yè)條件優(yōu)越、潛力巨大。2017年，新疆特色林果種植總面積達123.04萬hm2，其中鮮果種植面積35.17萬hm2，干果種植面積45.17萬hm2，林果總產(chǎn)量達751.4萬噸，均位居全國前列。在新疆特色林果業(yè)總體規(guī)模不斷擴大、效益不斷增長的同時，也暴露出很多問題，如種植結(jié)構(gòu)不合理、技術(shù)支持不到位、數(shù)據(jù)統(tǒng)計渠道不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)時效性不強且差異較大等。為此，新疆林業(yè)科學院設計建設了基于大數(shù)據(jù)、云計算和地理信息技術(shù)的新疆特色林果大數(shù)據(jù)管理平臺（以下簡稱林果平臺），實現(xiàn)全疆林果業(yè)數(shù)據(jù)的集中存儲、統(tǒng)計分析、挖掘應用和成果展示，為各有關(guān)單位提供決策支持，為新疆林果業(yè)的長遠發(fā)展奠定堅實的基礎。

1 平臺建設基礎

1. 1 建設目標

據(jù)統(tǒng)計，新疆共有80多個林果品種，其中又以紅棗、核桃、蘋果、梨、葡萄、杏、巴旦木、枸杞、沙棘9大林果為主。林果平臺以9大林果數(shù)據(jù)為管理對象，綜合考慮種植戶的技術(shù)服務需求、科研單位的數(shù)據(jù)與成果需求、各級管理部門的決策需求和加工銷售企業(yè)的市場信息需求，展示新疆林果資源的宏觀與微觀數(shù)據(jù)，具體建設目標有：（1）管理決策，如提供專題圖、統(tǒng)計圖表、趨勢分析等;（2）科學研究，如氣象、病蟲害影響的統(tǒng)計分析等;（3）技術(shù)服務，如林果栽培、有害生物防治、測土配肥等技術(shù)的開發(fā)與服務等;（4）產(chǎn)業(yè)支持，如加工基地分布分析、產(chǎn)量分析、銷量分析、產(chǎn)地對比等。

1. 2 總體架構(gòu)

林果平臺是一個整合了多種功能的大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，需要實現(xiàn)不斷增長的林果業(yè)數(shù)據(jù)與各類相關(guān)資源數(shù)據(jù)的存儲與應用，還需要兼顧信息資源整合、數(shù)據(jù)共享、大數(shù)據(jù)挖掘與分析等功能，因此，平臺總體架構(gòu)的設計需要有良好的兼容性、擴展性與高效性。經(jīng)設計，平臺總體架構(gòu)由基礎支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務資源層、資源應用層和用戶層構(gòu)成（圖1）。

（1）基礎支撐層，包括網(wǎng)絡通信設備、數(shù)據(jù)服務器、應用服務器、林果業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備等。

（2）數(shù)據(jù)資源層，包括全疆交通道路、河流水系、居民建筑等矢量數(shù)據(jù)，以及全疆高清遙感影像數(shù)據(jù)、三維地形數(shù)據(jù)、林果資源數(shù)據(jù)等。

（3）服務資源層，以數(shù)據(jù)服務總線為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的注冊管理、服務接口、服務安全管理和運行監(jiān)控等功能。

（4）資源應用層，包括支撐應用、通用應用和專業(yè)應用，具有綜合展示、查詢、統(tǒng)計分析和預測決策等功能，實現(xiàn)全疆特色林果資源“一張圖”。

（5）用戶層，包括新疆自治區(qū)政府、林果辦、科技處、信息中心、林科院和規(guī)劃院等相關(guān)單位，還包括全疆各州縣林業(yè)技術(shù)人員、林果種植戶、林果加工企業(yè)等。

1. 3 數(shù)據(jù)庫建設

數(shù)據(jù)是平臺運行的首要資源，根據(jù)林果生長規(guī)律和數(shù)據(jù)使用需要，平臺分類建設了7個數(shù)據(jù)庫。（1）林果小班空間數(shù)據(jù)庫，包括小班矢量數(shù)據(jù)、投影、坐標系等。（2）林果小班屬性數(shù)據(jù)庫，包括地類、樹種、品種、樹齡、樹高、郁閉度、面積、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。（3）林果有害生物數(shù)據(jù)庫，包括有害生物類別、地區(qū)、受災程度、受災面積、防治措施等數(shù)據(jù)。（4）林果氣候適生性數(shù)據(jù)庫，包括樹種、積溫條件、高溫耐受條件、低溫耐受條件等數(shù)據(jù)。（5）林果科技資料數(shù)據(jù)庫，包括樹種、品種、資料大類、資料小類、作者、出版年度等數(shù)據(jù)。（6）林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)庫，包括生產(chǎn)基地、企業(yè)、產(chǎn)品類別、產(chǎn)量、銷量、價格、庫存等數(shù)據(jù)。（7）全疆各監(jiān)測站歷年氣象數(shù)據(jù)庫，包括：小時溫度、日均溫度、日高溫、日低溫、降水量、日照時數(shù)、干熱風和霜凍情況等數(shù)據(jù)。

2 平臺核心功能

為保證林果數(shù)據(jù)全面、準確、實用，平臺設置了綜合展示、統(tǒng)計分析、氣象與病蟲害分析、產(chǎn)業(yè)分析和技術(shù)服務5大核心功能。

2. 1 綜合展示

綜合展示功能包括小班展示、變化對比、樹種分布、土壤資源展示等4項子功能。（1）小班展示功能，以高清遙感影像為底圖展示各縣的林果小班分布，可以分樹種展示。（2）變化對比功能，按地區(qū)對多期小班分布圖進行卷簾式對比，查找發(fā)現(xiàn)變化情況。（3）樹種分布功能，展示全疆范圍內(nèi)某一樹種的種植分布情況。（4）土壤資源展示功能，展示壤土、沙土、黏土等各類土壤的分布情況，可以與樹種分布疊加。

2. 2 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能包括種植面積統(tǒng)計、成熟時期統(tǒng)計、產(chǎn)量預測、綜合資訊、圖表生成等5項子功能。（1）種植面積統(tǒng)計功能，分樹種統(tǒng)計各地州、縣的林果種植面積。（2）成熟時期統(tǒng)計功能，統(tǒng)計各地區(qū)各樹種果品的成熟時期。（3）產(chǎn)量預測功能，按產(chǎn)前、初產(chǎn)、盛產(chǎn)和衰產(chǎn)4個時期統(tǒng)計種植面積，預測林果產(chǎn)量。（4）綜合查詢功能，按屬性查詢小班情況，如查詢株行距等，及時發(fā)現(xiàn)種植密度不合理地區(qū)。（5）圖表生成功能，制成各縣林果小班分布專題圖，按樹種、產(chǎn)期、產(chǎn)量等生成各類統(tǒng)計報表。

2. 3 氣象與病蟲害分析

氣象與病蟲害分析功能包括氣象因子分析、適生區(qū)域分析、受災情況統(tǒng)計等3項子功能。（1）氣象因子分析功能，分析高溫、低溫、積溫、霜凍對林果樹種的影響。（2）適生區(qū)域分析功能，分析各林果樹種的適生區(qū)域分布。（3）受災情況統(tǒng)計功能，按地區(qū)統(tǒng)計各樹種病蟲害受災情況，以及受災分布展示。

2. 4 產(chǎn)業(yè)分析

產(chǎn)業(yè)分析功能包括產(chǎn)銷統(tǒng)計和產(chǎn)銷預測2項子功能。（1）產(chǎn)銷統(tǒng)計功能，生產(chǎn)加工基地分布、產(chǎn)量與銷量統(tǒng)計，分析市場價格變化情況。（2）產(chǎn)銷預測功能，預測林果產(chǎn)量和銷量，輔助產(chǎn)業(yè)經(jīng)營者決策。

2. 5 技術(shù)服務

技術(shù)服務功能包括資料服務、測土測肥、手機APP服務等3項子功能。（1）資料服務功能，瀏覽和下載果樹栽培、管理、病蟲害防治等專業(yè)技術(shù)資料。（2）測土配肥功能，基于當前土壤肥力，結(jié)合樹種、產(chǎn)期給出氮磷鉀施肥量。（3）手機APP服務功能，基于手機終端為相關(guān)人員提供技術(shù)支持。

3 平臺建設關(guān)鍵技術(shù)

3. 1 數(shù)據(jù)采集

自2012年開始，新疆林科院制定了平臺數(shù)據(jù)采集標準和作業(yè)規(guī)范，確定了30多項調(diào)查因子，并多次進行數(shù)據(jù)采集培訓。新疆自治區(qū)林業(yè)廳將調(diào)查經(jīng)費下?lián)艿礁骺h林業(yè)局，縣林業(yè)局組織技術(shù)隊伍實施林果小班普查，獲取有害生物數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、林果科技文獻與技術(shù)資料數(shù)據(jù)、林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)等。普查人員使用平板電腦采集小班空間數(shù)據(jù)，以Excel表填寫調(diào)查因子，以谷歌影像為底圖，手工描繪小班邊界線，再將這些采集到的數(shù)據(jù)匯總到新疆林科院。新疆林科院負責數(shù)據(jù)質(zhì)量的把關(guān)和審核，達不到質(zhì)量標準的數(shù)據(jù)，退回重新校對填寫。至2017年底，全疆85個縣的林果小班數(shù)據(jù)采集完成，各類數(shù)據(jù)經(jīng)過匯集、抽取、清洗、加工后，按照數(shù)據(jù)庫的建設規(guī)則加載到資源數(shù)據(jù)庫中，為平臺運行提供大數(shù)據(jù)支持。后期將視資金情況，每隔5年對重點縣的林果資源進行一次普查。

3. 2 云計算技術(shù)應用

地理信息數(shù)據(jù)的快速顯示是林果平臺建設需要解決的關(guān)鍵問題之一。全疆高清影像數(shù)據(jù)容量高達600 GB，切片后總?cè)萘砍^16 TB;林果小班矢量數(shù)據(jù)2.4 GB，切片后超過10 GB。為了滿足用戶的高效率訪問，尤其是高并發(fā)狀態(tài)下的地理信息數(shù)據(jù)支持，平臺采用了云計算技術(shù)。利用服務器和高容量存儲設備，采用云計算技術(shù)實現(xiàn)底層網(wǎng)絡與硬件的連接，使平臺具有高伸縮性、高可擴充性和高容錯性。在負載均衡方面，Web應用服務器集群采用靜態(tài)調(diào)度輪轉(zhuǎn)算法，將眾多用戶請求依次分發(fā)到集群內(nèi)不同的服務器上，使各個服務器平均分擔用戶的連接請求[ 3 ]，減少中心服務器的訪問負載。

3. 3 氣候要素柵格化

新疆地域遼闊，各地氣候差異巨大，掌握全疆氣候資源空間分布情況是科學經(jīng)營林果的前提。當前，全疆共有105個氣象監(jiān)測站，相對于廣袤的面積，氣象站數(shù)量仍然偏少，難以滿足氣象規(guī)劃對要素空間連續(xù)性和精細化的要求。為了得到精細化的氣象要素空間分布情況，借助地理信息系統(tǒng)在全疆范圍進行柵格化，處理設置大小為500 m×500 m的正方形柵格點，每個氣象監(jiān)測站都落在某個網(wǎng)格內(nèi)。此外，建立氣象要素與地理因子（海拔、經(jīng)度、緯度）三維二次模型，進行氣象要素的細柵格推算，每個柵格的氣象要素模擬值由相鄰的幾個監(jiān)測站的監(jiān)測值計算出來[ 4 ]，公式為：

w=w（x，y，z）+d=（a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5yz+a6az+a7x2+a8y2+a9z2）+d

式中，w為各氣候要素的柵格點模擬值，w（x，y，z）為宏觀地理因子影響的氣候要素的柵格點模擬值，d為局部小地形因子和隨機因素對各氣候要素的影響，即殘差項，x， y， z分別為柵格點的經(jīng)度、緯度和平均海拔高度，a0 - a9為待定系數(shù)。通過插值計算，全疆每個柵格都擁有1組氣象數(shù)據(jù)，從而獲得全疆氣候資源精細化空間分布。

3. 4 適生區(qū)域規(guī)劃

林果數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)均屬于林業(yè)大數(shù)據(jù)的范疇[ 1 ]，借助地理信息系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行挖掘、分析和應用具有重要意義[ 2 ]。基于林業(yè)大數(shù)據(jù)資源，規(guī)劃各林果樹種的適生區(qū)域是林果平臺的一項重要功能。通過分析整理出各林果樹種對氣候的生長需求，主要包括氣溫、積溫、霜凍、高溫、低溫等因素，根據(jù)適生性指標及管理需要，將種植區(qū)域劃分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)3個等級。以一定標準為依據(jù)，借助于全疆氣象網(wǎng)格化模型計算出的氣象數(shù)據(jù)，得到林果樹種適宜生長、次適宜生長和不適宜生長的網(wǎng)格。利用地理信息系統(tǒng)工具，分別用3種不同的顏色渲染網(wǎng)格，得到林果樹種的適生區(qū)域規(guī)劃?；谶@項功能，地區(qū)林果業(yè)管理者和林業(yè)技術(shù)人員可以根據(jù)各林果樹種的適生區(qū)域進行擴種和減種，合理調(diào)整種植比例，科學指導當?shù)亓止麡I(yè)生產(chǎn)。需要注意的是，適生區(qū)域規(guī)劃要結(jié)合氣候適生性指標和耕地資源情況來進行。

以核桃為例，根據(jù)氣候適生性指標，平臺自動計算生成了核桃適生區(qū)規(guī)劃（圖1），如果單純從氣候條件的角度進行規(guī)劃，核桃在塔克拉瑪干沙漠里存在面積相當大的適生區(qū)域，但事實上，這里嚴重缺水，并不適合核桃生長。因此，需要借助全疆耕地資源分布圖，對系統(tǒng)計算結(jié)果進行修正。在地理信息軟件中對這2個圖層進行疊加操作，針對適宜區(qū)和次適宜區(qū)，取其與耕地資源區(qū)域的交集，最終確定該樹種的適宜區(qū)和次適宜區(qū)，如此便生成了合理的規(guī)劃（圖2）。

4 結(jié) 論

4. 1 新疆特色林果大數(shù)據(jù)管理平臺建設了全疆統(tǒng)一采集、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一應用的林果資源數(shù)據(jù)庫，成功實現(xiàn)了全疆林果資源“一張圖”的綜合展示目標，該成果為國內(nèi)同行業(yè)首創(chuàng)，取得了很多建設經(jīng)驗。

4. 2 平臺建設需要多學科合作。林果平臺建設與氣象、病蟲害、土肥等學科存在密切的關(guān)聯(lián)，建設單位可通過資源共享、成果共享的策略與相關(guān)單位建立合作關(guān)系，解決跨學科研究與資源應用問題，推動項目順利開展。

4. 3 建設需要投入足夠人力。數(shù)據(jù)調(diào)查、數(shù)據(jù)錄入、平臺調(diào)試需要投入大量人力，如小班矢量數(shù)據(jù)的采集是以谷歌遙感影像為底圖，在高清影像下，有些地區(qū)的小班矢量圖與影像底圖存在較大偏差，系統(tǒng)難以自動調(diào)節(jié)。建設單位對24多萬個小班逐一進行人工糾偏，大幅度提高了顯示精度，而這沒有足夠的人力是難以實現(xiàn)的。

4. 4 調(diào)查項目需要不斷改進。在平臺建設過程中，發(fā)現(xiàn)一些前期設置的調(diào)查因子不合理，如“樹齡”沒有統(tǒng)計苗齡的大小，導致樹種生產(chǎn)期統(tǒng)計的精度不足;此外，“近三年平均產(chǎn)量”應該細分為“前年產(chǎn)量，去年產(chǎn)量、今年產(chǎn)量”3個因子，這樣不僅可以掌握各年產(chǎn)量，還可以分析產(chǎn)量變化規(guī)律，進而預測未來產(chǎn)量，這些問題可在后期調(diào)查中予以改進。

參考文獻

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第1作者簡介：? 高? ?。?973-），? 男，? 高級工程師，? 主要從事林業(yè)生態(tài)與智慧林業(yè)研究工作。

通訊作者：? 張山清（1966-），? 女，? 高級工程師，? 碩士，? ?主要從事氣候變化與應用氣象、? 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃研究工作。

收稿日期： 2019 - 07 - 26

（責任編輯：? ?王 巖）

Design and Construction Practice of Xinjiang Characteristic Fruit?Geographic Information Integrated Application Platform

GAO Jian

（Institute of Modern Forestry， Xinjiang Academy of Forestry，? Urumqi 830000）

Abstract Based on big data and cloud computing technology， Xinjiang's characteristic forest fruit big data management platform is built. The platform consists of basic support layer， data resource layer， resource service layer， resource application layer and user layer. Based on 7 databases， Xinjiang's main forest fruit resources are managed. The information forest fruit management platform integrating comprehensive display， statistical analysis， meteorological and pest analysis， industrial analysis and technical services has been developed， which realizes the unified storage， management and application of Xinjiang forest fruit resources data. Platform development goals for management decision making， scientific research， technical services， and industry support.

Key words Big data;? Cloud computing;? GIS;? Xinjiang;Characteristic fruit; Suitable area