基于空天地一體化智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

劉 鵬

(山西云時(shí)代技術(shù)有限公司,山西 太原030012)

0 引言

黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村建設(shè),把加快建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)作為統(tǒng)領(lǐng)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要抓手,推動(dòng)人工智能、大數(shù)據(jù)、3S、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、服務(wù)各環(huán)節(jié)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度應(yīng)用,堅(jiān)持信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合,堅(jiān)持研究開發(fā)、集成示范、推廣應(yīng)用相結(jié)合,著力突破智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù),著力培育新型智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理更加精準(zhǔn)高效,全面提升農(nóng)業(yè)智能裝備水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)能力和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合實(shí)力[1-3]。通過基于“空天地一體化”的資源服務(wù),經(jīng)政府、企業(yè)、公眾各類信息的加載和集成,支撐農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)互通和增量發(fā)展,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)達(dá)到管理高效化、服務(wù)便捷化、生產(chǎn)智能化、經(jīng)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)化的格局,最終形成高效的運(yùn)作機(jī)制,推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)可持續(xù)高速發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)

以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),依托存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)支撐環(huán)境,建立遙感數(shù)據(jù)資源的匯聚能力,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查、規(guī)范化處理后入庫管理;同時(shí),針對(duì)遙感數(shù)據(jù)處理需求,打造衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力,形成全覆蓋、多尺度、時(shí)空連續(xù)、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的時(shí)空數(shù)據(jù)資源體系。基于云架構(gòu)和統(tǒng)一服務(wù)框架,研制基于空天地一體化智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái),具有時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、多維信息融合、時(shí)空信息挖掘、時(shí)空數(shù)據(jù)共享分發(fā)、可視化分析決策等功能,為農(nóng)業(yè)遙感專題應(yīng)用提供支撐[4-5]。

2 建設(shè)方案

基于空天地一體化智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)包括智慧農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制度體系、智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源體系、數(shù)據(jù)智能處理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)承載平臺(tái)、基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

2.1 智慧農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制度體系

以“智慧農(nóng)業(yè)”建設(shè)為抓手,按照國(guó)家政務(wù)信息系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范和工作制度的要求,圍繞智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中的信息資源、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、業(yè)務(wù)開展等方面的實(shí)際需求,完善智慧農(nóng)業(yè)全市鄉(xiāng)多級(jí)管理規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和業(yè)務(wù)協(xié)作制度,打通跨層級(jí)跨部門合作機(jī)制。構(gòu)建統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)資源、生產(chǎn)加工、銷售流通、管理服務(wù)的數(shù)據(jù)采集規(guī)范、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)規(guī)范和運(yùn)行維護(hù)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)體系,開展智慧農(nóng)業(yè)三產(chǎn)融合大數(shù)據(jù)平臺(tái)與農(nóng)業(yè)部門數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)質(zhì)量、分類目錄、交換接口、訪問接口、技術(shù)產(chǎn)品以及安全保密等關(guān)鍵共性標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施,形成多級(jí)通用的完整農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,為智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)行管理提供辦法和制度,同時(shí)消除數(shù)據(jù)互通壁壘,保障數(shù)據(jù)獲取、信息互通、資源共享、集成便利,促進(jìn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)充分共享和交換。

2.2 智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源體系

以“空天地”資源為依托,豐富農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取來源,打破傳統(tǒng)表單式數(shù)據(jù)資源體系,構(gòu)建新型空天地網(wǎng)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)體系。利用空天地一體化觀測(cè)手段,豐富數(shù)據(jù)獲取方式,通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)治理、加工生產(chǎn)等方式,逐步歸集建立統(tǒng)一的遙感數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、政務(wù)數(shù)據(jù)、涉農(nóng)數(shù)據(jù)、社會(huì)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多種類型智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源體系,形成數(shù)據(jù)共建、共享、共用的索引,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)效更新及共享共用,為智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)提供全面、及時(shí)、準(zhǔn)確的信息資源,為政府管理、農(nóng)業(yè)增值提供有力的信息支撐。

1) 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù):衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要利用我國(guó)民商衛(wèi)星資源、國(guó)外商業(yè)遙感衛(wèi)星構(gòu)建衛(wèi)星遙感底圖數(shù)據(jù),采用覆蓋區(qū)域1 m,重點(diǎn)地區(qū)0.5 m影像覆蓋,制作高分辨率遙感影像DOM數(shù)據(jù)庫,形成農(nóng)業(yè)遙感大數(shù)據(jù)可視化視圖。

2) 地理信息數(shù)據(jù):地理信息大數(shù)據(jù)綜合利用衛(wèi)星、無人機(jī)、傾斜攝影、激光雷達(dá)等技術(shù)手段,建設(shè)全域覆蓋及重點(diǎn)區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型包含行政區(qū)劃、數(shù)字高程模型DEM、路網(wǎng)、地名地址、POI興趣點(diǎn)、重點(diǎn)地區(qū)三維模型(城市重點(diǎn)區(qū)域、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園、產(chǎn)業(yè)強(qiáng)鎮(zhèn)、名優(yōu)名產(chǎn)村等精細(xì)三維模型)及涉農(nóng)專題產(chǎn)品(作物長(zhǎng)勢(shì)、種植面積、作物估產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)情況等專題產(chǎn)品)等數(shù)據(jù),為智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)提供地理信息數(shù)據(jù)支撐。

3) 農(nóng)資數(shù)據(jù):農(nóng)資數(shù)據(jù)利用遙感和互聯(lián)網(wǎng)爬取等技術(shù)手段,獲取化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)機(jī)、農(nóng)具、種子、苗木等農(nóng)資資源,構(gòu)建重要農(nóng)資數(shù)據(jù)庫,繪制農(nóng)資源布底圖,推進(jìn)農(nóng)作物的數(shù)字化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息化監(jiān)督管理,為產(chǎn)業(yè)發(fā)展、行業(yè)監(jiān)管提供農(nóng)資數(shù)據(jù)支持。

4) 氣候數(shù)據(jù):氣候數(shù)據(jù)獲取主要通過氣象信息檢測(cè)傳感器、互聯(lián)網(wǎng)等手段獲取氣象日常監(jiān)測(cè)信息和預(yù)警信息,包含天氣預(yù)報(bào)、站點(diǎn)實(shí)況、空氣質(zhì)量、墑情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、農(nóng)田環(huán)境、關(guān)鍵農(nóng)事、關(guān)鍵農(nóng)時(shí)等氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)警信息,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)測(cè)與災(zāi)前預(yù)警,且對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和空間分析,并通過智慧農(nóng)業(yè)三產(chǎn)融合大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)展示。

5) 植保數(shù)據(jù):植保數(shù)據(jù)以重大病蟲害綠色防控和治理需求為導(dǎo)向,綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和裝備,建立圍繞植保的作物百科、土壤百科、農(nóng)藥百科、植物病害、植物蟲害、種植技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等數(shù)據(jù)資源中心,構(gòu)建全市植保數(shù)據(jù)信息資源共享體系。綜合分析各種因素,提高對(duì)病蟲害發(fā)生的感知、預(yù)測(cè)、防控能力,實(shí)現(xiàn)植物保護(hù)政府決策科學(xué)化、防控治理精準(zhǔn)化、公共服務(wù)高效化。

2.3 數(shù)據(jù)智能處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)智能處理系統(tǒng)針對(duì)海量可見光、高光譜等多種載荷的高分遙感數(shù)據(jù)提供高精度、高效率、自動(dòng)化、智能化處理的空天數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)能力,包含多種典型光學(xué)遙感衛(wèi)星、測(cè)繪衛(wèi)星影像處理流程,能夠在智能處理框架下經(jīng)人工編制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)DOM生成流程、影像鑲嵌流程、DSM生成流程等處理過程,具有水體提取功能。數(shù)據(jù)智能處理系統(tǒng)包括多源數(shù)據(jù)處理流程調(diào)度子系統(tǒng)、高分SAR遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)、高光譜遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)、高分光學(xué)遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)、影像處理工具包子系統(tǒng)、質(zhì)量評(píng)價(jià)子系統(tǒng)和空天大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練子系統(tǒng)。系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.4 大數(shù)據(jù)承載平臺(tái)

大數(shù)據(jù)承載平臺(tái)主要基于大規(guī)模、分布式存儲(chǔ)體系架構(gòu),實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲(chǔ)與訪問,以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源從入庫、更新、遷移備份到數(shù)據(jù)傳輸?shù)热芷诘墓芾?能夠提供統(tǒng)一時(shí)空數(shù)據(jù)組織框架,建立海量異構(gòu)數(shù)據(jù)組織模型,構(gòu)建多維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系,從業(yè)務(wù)應(yīng)用層面和組織管理層面進(jìn)行基于目標(biāo)、事件、時(shí)間、空間、語義標(biāo)簽的數(shù)據(jù)組織關(guān)聯(lián);同時(shí),針對(duì)上層的數(shù)據(jù)集成、治理、關(guān)聯(lián)、分析所需要的各類計(jì)算任務(wù),動(dòng)態(tài)調(diào)用實(shí)時(shí)計(jì)算、離線計(jì)算、即席計(jì)算等計(jì)算支撐功能,從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的快速執(zhí)行。

2.5 基礎(chǔ)支撐環(huán)境

采用模塊化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)思路,構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)融合大數(shù)據(jù)平臺(tái)的底層運(yùn)行環(huán)境,由計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT基礎(chǔ)資源構(gòu)建,由軟件支撐平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同融合。其中,硬件部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮智慧農(nóng)業(yè)數(shù)字化支撐系統(tǒng)和智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)可靠性、擴(kuò)展性以及并行計(jì)算3個(gè)方面的要求。根據(jù)產(chǎn)業(yè)化共用需求進(jìn)行設(shè)計(jì),重點(diǎn)為遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、涉農(nóng)專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供大容量、高可用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),同時(shí)為系統(tǒng)應(yīng)用軟件、軟件算力支撐、信息安全等軟件系統(tǒng)提供高可靠、靈活的計(jì)算平臺(tái)。在計(jì)算層面,軟件支撐平臺(tái)能夠?qū)⒏鱾€(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)協(xié)同成分布式計(jì)算的架構(gòu),提高硬件計(jì)算能力的同時(shí)兼顧硬件高可用特性,充分發(fā)揮計(jì)算服務(wù)器的工作效率。

3 優(yōu)勢(shì)分析

基于空天地一體化智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)涉農(nóng)數(shù)據(jù)資源的匯聚、共享交換、數(shù)據(jù)融合、分析應(yīng)用,推進(jìn)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)在精準(zhǔn)生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)管、態(tài)勢(shì)感知、綜合分析、預(yù)警預(yù)測(cè)、輔助決策等領(lǐng)域的智慧應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)過程的信息感知、融合管理、智能研判和精準(zhǔn)服務(wù),高效服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)指揮決策,指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益、提升農(nóng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、經(jīng)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)化、管理高效化、服務(wù)便捷化的能力和水平,助力智慧農(nóng)業(yè)體系建設(shè)。