混合云果園監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)*

季金亮，馮建中，賀日興，白林燕，馬慶勛

（1 西安科技大學(xué)，陜西 710054）（2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所）（3首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院）（4 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院）

目前，我國小型果園多以人工傳統(tǒng)管理方式為主，然而面對類似于新疆和田地區(qū)大型果園產(chǎn)業(yè)基地，傳統(tǒng)的果園管理方式則因其勞動強度大、工作效率低、缺乏量化和標準化指標及配套集成技術(shù)等缺點難以形成有效的動態(tài)監(jiān)測與管理體系，影響果品生產(chǎn)效率和品質(zhì)提高[1-2]。針對存在的問題，利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，加大農(nóng)作物監(jiān)測力度和技術(shù)集成示范應(yīng)用推廣，提高防御自然災(zāi)害的能力和生產(chǎn)管理能力成為目前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展及轉(zhuǎn)型的重要方向[3-4]。

近年來，監(jiān)測技術(shù)理論體系、混合云技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展為大規(guī)模果園動態(tài)實時監(jiān)測和高效業(yè)務(wù)化管理平臺建設(shè)提供了有力的理論和技術(shù)支撐[1,5-6]。另外，遙感監(jiān)測和地面物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測具有廣泛的應(yīng)用前景[7]，在礦山監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、建筑物安全等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。在新疆和田地區(qū)，大規(guī)模果園監(jiān)測采用遙感與地面物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合（天-空-地一體化）的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同尺度上全天候、全方位的監(jiān)測。此外，近年來混合云技術(shù)的興起與發(fā)展，成為未來眾多領(lǐng)域應(yīng)用新的發(fā)展趨勢[11-12]，更是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)信息平臺架構(gòu)選擇的很好途徑，能解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及要素眾多、環(huán)節(jié)復(fù)雜、內(nèi)容碎片化等問題，提高農(nóng)業(yè)服務(wù)信息的整合效率和信息服務(wù)質(zhì)量水平，從而滿足農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)中業(yè)務(wù)化的需要[13-15]。

本平臺的研發(fā)采用主流的Spring Boot框架。在數(shù)據(jù)獲取方面，利用天-空-地一體化監(jiān)測體系對果園進行全天候、多尺度的監(jiān)測；在數(shù)據(jù)安全性和計算能力方面，利用混合云技術(shù)后端業(yè)務(wù)部署在私有云，前端頁面部署在公有云，通過VPN 實現(xiàn)公有云與私有云互聯(lián)互通。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 天-空-地一體化動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

天-空-地一體化動態(tài)監(jiān)測技術(shù)通過遙感技術(shù)與地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合來完成，“天”，即利用衛(wèi)星遙感獲取多源遙感影像，從太空對地面進行大面積監(jiān)測；“空”，即利用航空遙感，特別是低空無人機遙感，充分利用無人機飛行的靈活性及其遙感影像分辨率的獨特優(yōu)勢而獲取監(jiān)測區(qū)域的高精度綜合信息；“地”，即在監(jiān)測區(qū)域搭建地面?zhèn)鞲衅?，部署所需的固定或移動智能終端。依此，利用現(xiàn)場和非現(xiàn)場的監(jiān)管服務(wù)方式以及多元信息提取與分析等，實現(xiàn)對目標對象全方位、全天候、精準、高效的監(jiān)測分析或預(yù)測預(yù)報[16]。基于混合云技術(shù)的果園作物生長動態(tài)監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)，以利用遙感、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，面向果園作物和生長環(huán)境，構(gòu)建天-空-地一體化農(nóng)業(yè)動態(tài)采集監(jiān)測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)果園信息智能感知觀測協(xié)同服務(wù)結(jié)構(gòu)體系。其中，基于多級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可遠程按需適應(yīng)性地控制現(xiàn)場智能終端的信息采集，具有穩(wěn)定、快捷、安全的數(shù)據(jù)信息傳輸性能；對果園動態(tài)監(jiān)測，可以全面準確地了解作物生長、小氣候變化、土壤狀況等，提升對果園作物的科學(xué)栽培與管理等生產(chǎn)水平。

1.2 混合云技術(shù)

云服務(wù)的部署模式可分為公有云、私有云和混合云等類型[17]?；旌显剖枪性婆c私有云相結(jié)合的產(chǎn)物，它既具有公有云可擴展和節(jié)約成本的特點，又具有私有云安全和可控的優(yōu)勢，有效彌補公有云和私有云各自的不足，具有廣泛的應(yīng)用場景[18]。在其應(yīng)對服務(wù)任務(wù)峰值期或突發(fā)性業(yè)務(wù)暴發(fā)具有很大的優(yōu)勢，可以將私有云中的部分應(yīng)用擴展至公有云，并按需回遷和釋放公有云的資源[19-20]。在本研究中，我們將眾多應(yīng)用服務(wù)部署在公有云，對外提供訪問入口，數(shù)據(jù)服務(wù)部署在私有云，提供專有計算服務(wù)。

2 平臺設(shè)計

2.1 平臺設(shè)計思路

根據(jù)混合云的要求，將本云平臺分為公有云和私有云2 個部分。核心業(yè)務(wù)和專有資源等部署在私有云部分，確保其具有較高的安全性；公共業(yè)務(wù)部署在公有云部分，并為用戶提供公有IP地址而訪問云服務(wù)器，獲得各類公共服務(wù)。基于安全可靠、易用靈活的原則，構(gòu)建公有/私有云部分之間安全機制，實現(xiàn)2 個部分之間有效的協(xié)同工作及消息通信和數(shù)據(jù)傳遞。

本平臺總體邏輯如圖1 所示，首先需要將前端與后端的系統(tǒng)分別部署在公有云和私有云的Tomcat容器中進行程序啟動，當用戶通過頁面發(fā)送請求至公有云部分中的前端控制器，前端控制器對用戶請求進行認證、授權(quán)與記錄，然后通過專有通道將用戶請求發(fā)送至私有云部分的頁面控制器。私有云部分中的頁面控制器調(diào)用業(yè)務(wù)功能模塊，功能模塊中需要的數(shù)據(jù)則從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，獲取的數(shù)據(jù)在模型中進行計算處理，而后將計算結(jié)果返回至頁面控制器，且經(jīng)專有通道將結(jié)果傳送至前端，經(jīng)解碼呈現(xiàn)給用戶。

圖1 平臺總體邏輯

2.2 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺系統(tǒng)分為5個層面：支撐層、感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層，如圖2 所示。

（1）支撐層。支撐層是平臺的基礎(chǔ)構(gòu)成部分，分為2個部分，一部分是硬件支撐構(gòu)件，包括實體服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及其他硬件設(shè)備；另一部分是軟件支撐部分，有阿里云的虛擬服務(wù)器、編程語言Java、Spring Boot 框架體系、數(shù)據(jù)庫PostgreSql 等。

（2）感知層。感知層是平臺全面感知終端和數(shù)據(jù)狀態(tài)的部分，天-空-地一體化動態(tài)監(jiān)測體系則是平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要來源途徑，從天、空、地等多個維度實現(xiàn)對果園數(shù)據(jù)信息進行感知獲取。

（3）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是由基于PostgreSql的數(shù)據(jù)文件、部分數(shù)據(jù)訪問代碼及數(shù)據(jù)表單等構(gòu)成，其中表單包括土地管理數(shù)據(jù)表、用戶信息數(shù)據(jù)表、土地信息數(shù)據(jù)表、遙感影像數(shù)據(jù)表、氣象數(shù)據(jù)表等。

（4）業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層是平臺業(yè)務(wù)功能集合，包括分級權(quán)限、用戶管理、土地/監(jiān)測管理等模塊。

（5）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層即平臺與用戶交互操作的界面，實現(xiàn)用戶需求的傳達和系統(tǒng)功能或應(yīng)答結(jié)果的反饋與呈現(xiàn)。

2.3 界面設(shè)計

根據(jù)易用性原則進行設(shè)計，確保平臺界面友好、方便用戶操作。頁面設(shè)計采用流行的UI框架Boostrap、Layui和Echarts。Bootstrap制作頁面動態(tài)表格，方便快捷，創(chuàng)建表格字段屬性易于自定義設(shè)置；Layui屬于輕量級框架，搭建頁面的主要部分，它可使得頁面美觀、內(nèi)容豐富、使用方便；Echarts作為一個專注于繪制圖表的框架，方便各種曲線圖、柱狀圖、餅狀圖、散點圖和地圖等的繪制（如可將作物及其環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線圖、柱狀圖等形式直觀展現(xiàn)給用戶）。另外，頁面布局采用DIV技術(shù)實現(xiàn)頁面多區(qū)塊容器標記，并利用CSS樣式對頁面進行渲染；利用Ajax 技術(shù)實現(xiàn)頁面局部刷新，且在跟蹤區(qū)域?qū)崟r展示系統(tǒng)功能內(nèi)容或反饋信息。

2.4 平臺功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)安全管理和業(yè)務(wù)需求，平臺登錄認證功能能夠安全、有效地實現(xiàn)對平臺用戶進行分級權(quán)限管理，設(shè)置不同的角色且為各角色分配相應(yīng)的操作權(quán)限，保證用戶信息安全和系統(tǒng)運行安全。平臺基本業(yè)務(wù)功能主要有基礎(chǔ)信息管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、果園種植管理和預(yù)警提示功能等（圖3）。基礎(chǔ)信息管理功能是用戶對自身權(quán)限范圍內(nèi)的信息進行管理，例如自身角色的基本信息、角色對所擁有的土地進行管理等；監(jiān)測數(shù)據(jù)管理功能展示當前監(jiān)測數(shù)據(jù)值以及最近時間的歷史記錄，并通過趨勢分析展現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)的變化特征與規(guī)律；果園種植管理功能記錄果樹在生長過程中的農(nóng)事操作，輔助用戶制定生產(chǎn)計劃；預(yù)警提示功能提示用戶當某些監(jiān)測數(shù)據(jù)偏離正常值或者當用戶制定的生產(chǎn)計劃即將到期時，向用戶發(fā)出警報或提醒。

圖3 平臺功能模塊

3 平臺實現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

（1）搭建天-空-地一體化監(jiān)測體系。天-空-地一體化監(jiān)測體系，通過從天、空、地不同層面對果園進行感知監(jiān)測。航天衛(wèi)星遙感監(jiān)測，利用多源衛(wèi)星遙感影像，包括多光譜、高空間分辨率影像等數(shù)據(jù)，如利用Landsat-8衛(wèi)星每隔16 d 重訪對同一地區(qū)進行觀測，獲取大范圍作物遙感影像監(jiān)測數(shù)據(jù)；空中監(jiān)測，主要利用固定翼有人機和低空無人機的遙感監(jiān)測，特別是利用無人機定期或者在作物關(guān)鍵生育期進行航空攝影與遙感監(jiān)測，獲得高精度作物種植區(qū)域的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測，即利用地面布設(shè)的傳感器監(jiān)測、人工定期或不定期的田間調(diào)查，獲得田間土壤溫度、濕度、土壤pH值、植物莖流、光照強度與時長等作物及其生長環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

（2）聯(lián)通混合云。將私有權(quán)限控制的阿里云空間與本地云整合構(gòu)成平臺混合云的私有云部分，同時利用阿里云提供的VPN網(wǎng)關(guān)服務(wù)，實現(xiàn)與平臺開放訪問的阿里公有云部分互連互通。將對外訪問應(yīng)用服務(wù)部署在公有云部分，數(shù)據(jù)存儲與計算等服務(wù)部署在私有云部分，二者之間形成安全、高效的服務(wù)或消息傳遞機制和增溢互助機制，確保公有云部分具有可擴展和節(jié)約成本的特點，私有云部分具有安全、可控的優(yōu)勢。

3.2 主要功能實現(xiàn)

（1）分級權(quán)限。平臺中用戶權(quán)限分為3個等級：超級管理員、普通管理員和一般用戶，分別賦予數(shù)字1、2、3 等級編號。不同等級用戶擁有不同的管理權(quán)限：超級管理員具有管理注冊用戶及維護系統(tǒng)的全部功能和數(shù)據(jù)權(quán)限的用戶組；普通管理員具有部分管理和維護系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)權(quán)限的用戶組，可管理和查看比其等級低的用戶的相關(guān)信息；一般用戶則是指具有管理和查看自身相關(guān)信息、僅能訪問系統(tǒng)公共功能/數(shù)據(jù)權(quán)限的一般用戶組。利用單點登錄和Session原理，當用戶輸入賬號和密碼時，首先在平臺的身份認證子系統(tǒng)服務(wù)器端進行用戶判識和確認，依據(jù)賬號屬性使用戶獲得不同等級權(quán)限，且將身份信息存于Session 域中；同時，將獲得的Session-ID信息返回到界面/頁面的寄存器中，以便用戶根據(jù)分級權(quán)限控制對平臺功能進行操作。

（2）信息管理?；谟脩舴旨墮?quán)限控制與信息管理，完成相關(guān)功能與操作，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)/信息進行增、刪、改、查詢等操作，為用戶提供現(xiàn)代化的果園管理方式，擺脫傳統(tǒng)手工信息管理，方便用戶管理果園。

（3）作物監(jiān)測和預(yù)警。通過在地面上布設(shè)的一系列作物生長環(huán)境監(jiān)測傳感儀器與裝置，使用本系統(tǒng)連接傳感器設(shè)備，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)內(nèi)，經(jīng)過后端業(yè)務(wù)邏輯，讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并展現(xiàn)在前端頁面，實現(xiàn)對作物生長環(huán)境實/適時監(jiān)測，如圖4所示。當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出了系統(tǒng)預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍時則會向用戶發(fā)送短信提示信息，以幫助用戶及時了解到果園環(huán)境狀況。

圖4 果園環(huán)境監(jiān)測情況

（4）種植管理。該模塊為用戶提供地圖可操作界面，在地圖中標注地塊的種植管理信息，實現(xiàn)數(shù)字化管理土地，并且可通過本系統(tǒng)將土地管理的實際操作輸入系統(tǒng)之中，以實現(xiàn)信息化管理（圖5）。

圖5 種植管理模塊操作界面

4 結(jié)語

基于混合云技術(shù)的果園作物動態(tài)監(jiān)測平臺采用天-空-地一體化監(jiān)測體系作為數(shù)據(jù)采集體系，利用混合云技術(shù)保障平臺數(shù)據(jù)的安全性和性能易擴展性，具有如下特點。

（1）本平臺是基于混合云技術(shù)果園作物動態(tài)監(jiān)測平臺，公有云對外開放，提供公共服務(wù)，私有云進行數(shù)據(jù)存儲和計算，具有更好的數(shù)據(jù)安全性，計算性能高，擴展性強。

（2）利用天-空-地一體化監(jiān)測體系實現(xiàn)在不同尺度上全天候、全方位的監(jiān)測，保障了果園監(jiān)測的全面性和實時性。

（3）本系統(tǒng)的建設(shè)為新疆和田地區(qū)的大規(guī)模果園管理和監(jiān)測提供了現(xiàn)代化的技術(shù)手段，可提高果園管理效率，實現(xiàn)果園管理現(xiàn)代化，并能及時發(fā)現(xiàn)果園作物生長過程中存在的隱患，并作出預(yù)警。