基于物聯(lián)網(wǎng)三維GIS的農(nóng)業(yè)智能化管理系統(tǒng)研究

齊東蘭QI Dong-lan；魏永強(qiáng)WEI Yong-qiang

（①陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710100；②西安測(cè)繪研究所，西安 710054）

0 引言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)[1]，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)勘查的方式判斷農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，效率不高，且會(huì)造成一定的人力資源浪費(fèi)；隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，為農(nóng)業(yè)的智能管理提供了條件。葛文杰等[2]對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術(shù)體系進(jìn)行了闡述，總結(jié)出國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，指出了我國(guó)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在應(yīng)用局限性、產(chǎn)品不夠豐富、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)沒(méi)有得到充分挖掘利用等問(wèn)題，為我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了方向。李道亮等[3]對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器工藝、農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)、農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)模型等方面提出了多方面具體的要求，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)。潘榮敏[4-7]等利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建庫(kù)系統(tǒng)，研究了農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸加密技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和三維應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，逼真地展現(xiàn)區(qū)域的三維地理環(huán)境、實(shí)時(shí)展示農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，包括空氣溫度及濕度、光照、CO2濃度、土壤溫度及濕度、病蟲(chóng)害等環(huán)境參數(shù)?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)用需求，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行分析處理，并以直觀的圖表、文字、視頻等多種方式展示分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)的高效益規(guī)?；芾?。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)技術(shù) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)紅外感應(yīng)器、激光掃描、射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合傳感器、信息處理、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有種類(lèi)繁多、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，如何有效存儲(chǔ)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以更好地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是急需解決的問(wèn)題。云計(jì)算能夠解決數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)問(wèn)題，可以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)效率、性能和穩(wěn)定性。

本文通過(guò)搭建大數(shù)據(jù)平臺(tái)Hadoop集群環(huán)境，建設(shè)以云存儲(chǔ)、云服務(wù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理中心，提供數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)功能。數(shù)據(jù)分類(lèi)功能將傳感器數(shù)據(jù)按不同類(lèi)型分類(lèi)，例如溫度信息、濕度信息、GNSS信息等；數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)海量傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并建立存儲(chǔ)緩沖池，設(shè)置數(shù)據(jù)應(yīng)用接口以便未來(lái)應(yīng)用擴(kuò)展；數(shù)據(jù)分發(fā)功能通過(guò)提供數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分發(fā)接口，實(shí)時(shí)向系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)。

將所有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Hadoop集群環(huán)境下的各分布式數(shù)據(jù)庫(kù)HBase中，通過(guò)Hive數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)工具來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。利用并行計(jì)算，把實(shí)時(shí)獲取的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分解為成百上千個(gè)小數(shù)據(jù)集，每個(gè)（或若干個(gè)）數(shù)據(jù)集分別由集群中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理并生成中間結(jié)果，然后將這些中間結(jié)果采用并行計(jì)算的方式進(jìn)行合并，形成最終結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)和并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。

以傳統(tǒng)RDBMS技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)兩套方案分別建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境，從數(shù)據(jù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)的角度對(duì)兩種存儲(chǔ)方式進(jìn)行壓力測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，兩種方式都能保證所有并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)，但云計(jì)算技術(shù)下的數(shù)據(jù)并發(fā)效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單機(jī)方式，尤其是數(shù)據(jù)量增加的情況下，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表1 RDBMS技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)存儲(chǔ)方案的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)效率對(duì)比

1.2基于RSA的數(shù)據(jù)加密技術(shù)RSA公鑰密碼體制是由Rivest、Shamirh和Adleman三人在1978年提出的[8]，已成為公鑰數(shù)據(jù)加密的標(biāo)準(zhǔn)。它使用相互關(guān)聯(lián)的一對(duì)密鑰：一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰[9-10]，公鑰是公開(kāi)信息，而私鑰是需要保密的，基于加密和解密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的加解密處理。數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心到三維應(yīng)用系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)運(yùn)營(yíng)商基站，再通過(guò)運(yùn)營(yíng)商基站接入互聯(lián)網(wǎng)，最終被對(duì)方接收。在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)數(shù)次中轉(zhuǎn)，每一次中轉(zhuǎn)都有被竊聽(tīng)和截?cái)嗟娘L(fēng)險(xiǎn)。為了保證系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)傳輸過(guò)程中的安全性，必須在數(shù)據(jù)發(fā)送前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，待接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解密。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和三維應(yīng)用系統(tǒng)之間傳輸信息時(shí)通過(guò)RSA非對(duì)稱(chēng)密碼算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和三維應(yīng)用系統(tǒng)各產(chǎn)生一組RSA非對(duì)稱(chēng)密鑰，雙方保存好私鑰，公鑰提供給對(duì)方。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心使用三維應(yīng)用系統(tǒng)的公鑰對(duì)農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行加密處理，三維應(yīng)用系統(tǒng)使用自己的私鑰進(jìn)行解密，解析出需要的信息；同樣，三維應(yīng)用系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心提供的公鑰將分析出的預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，然后使用自己的私鑰進(jìn)行解密，得到需要的信息，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)加解密過(guò)程

2 農(nóng)業(yè)三維應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用典型的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，利用SuperMap iServer提供場(chǎng)景服務(wù)，基于SuperMap iClient3D for Plugin進(jìn)行客戶(hù)端開(kāi)發(fā)。將三維模型服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)獲取的傳感器數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，在Web端逼真地展現(xiàn)農(nóng)業(yè)區(qū)域三維地理環(huán)境、以多種形式實(shí)時(shí)顯示物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，并提供分析功能。系統(tǒng)由三維應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。①三維應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層：為系統(tǒng)提供三維數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)層和服務(wù)層。數(shù)據(jù)層由地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)組成，其中三維模型數(shù)據(jù)包括重要物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（安裝設(shè)備的大棚、露天監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的精細(xì)模型，該模型的編號(hào)與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；使用SuperMap iServer對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，分別對(duì)應(yīng)地形服務(wù)、影像服務(wù)、三維模型服務(wù)，為應(yīng)用層提供服務(wù)支持。②物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)層，負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)信息的存儲(chǔ)和管理，維護(hù)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，并提供數(shù)據(jù)備份功能，包括感知層、傳輸層和服務(wù)層。感知層利用傳感器、讀卡器、音視頻采集器等實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)信息，包括溫度、相對(duì)濕度、pH值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等信息；傳輸層通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)層；服務(wù)層對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分類(lèi)、判斷后將有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。服務(wù)層采用云計(jì)算架構(gòu)模式，通過(guò)搭建云平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)資源的整合，提升性能。③應(yīng)用層，包括系統(tǒng)的三維場(chǎng)景瀏覽、量測(cè)、查詢(xún)等基本地圖操作，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息的多形式實(shí)時(shí)展示以及分析處理等應(yīng)用。

圖2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三維應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成：基本操作、物聯(lián)網(wǎng)信息查詢(xún)與展示模塊、分析預(yù)警模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1基本操作 包括三維場(chǎng)景瀏覽展示、標(biāo)注、場(chǎng)景自動(dòng)飛行、三維量測(cè)；地圖的放大、縮小、全幅、漫游、旋轉(zhuǎn)等基本的場(chǎng)景瀏覽功能；預(yù)先設(shè)計(jì)飛行路線(xiàn)、設(shè)定相關(guān)參數(shù)（如飛行速度、飛行總時(shí)間、是否鎖定方位角、高程等），然后自動(dòng)飛行，以身臨其境的方式進(jìn)入管理區(qū)域。

3.2物聯(lián)網(wǎng)信息查詢(xún)與展示模塊 包括物聯(lián)網(wǎng)基本信息展示、物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息展示、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的視頻實(shí)時(shí)播放與歷史視頻回放。通過(guò)在三維系統(tǒng)中接入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息，以文本形式展示基本信息；以?xún)x表盤(pán)、折線(xiàn)圖等形式實(shí)時(shí)展示監(jiān)控傳感器采集的數(shù)據(jù)；通過(guò)獲取監(jiān)控視頻通道，實(shí)時(shí)展示監(jiān)控區(qū)內(nèi)的影像，也可以根據(jù)時(shí)間段查看歷史監(jiān)控影像，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行全程監(jiān)控。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的多種展現(xiàn)形式，直觀地反映農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)信息，并且能夠快速及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，準(zhǔn)確定位問(wèn)題農(nóng)作物所在的位置，大大減輕工作量，并從整體上直觀地為農(nóng)作物種植提供更加科學(xué)的決策依據(jù)，如圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息實(shí)時(shí)展示界面

3.3分析模塊 該模塊將接收到的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行分析處理，支持某時(shí)間段之內(nèi)的歷史信息查詢(xún)，以便詳細(xì)觀察該時(shí)間段內(nèi)的具體情況，為用戶(hù)提供分析決策依據(jù)。用戶(hù)可以自定義農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范圍，根據(jù)該范圍值判斷是否超出預(yù)警閾值，如果超出閾值，通過(guò)獲取預(yù)警類(lèi)型的參數(shù)之后，計(jì)算出相應(yīng)的編號(hào)，發(fā)送預(yù)警信息，如表2所示。

表2 農(nóng)業(yè)分析預(yù)警數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)智能管理的需求，提出了將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)三維應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，利用云計(jì)算技術(shù)，解決了農(nóng)業(yè)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的高效管理；基于SuperMap三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用三維建模、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三維應(yīng)用系統(tǒng)；以文字、圖形、視頻等多種形式實(shí)時(shí)展示物聯(lián)網(wǎng)信息，提供農(nóng)業(yè)信息的預(yù)警分析功能，為農(nóng)作物日常生長(zhǎng)管理提供了方便直觀的方法；并在于洪區(qū)農(nóng)業(yè)智能化管理中得到應(yīng)用，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)行了探索與實(shí)踐。