基于空天地一体化智慧农业大数据平台

刘 鹏

(山西云时代技术有限公司,山西 太原030012)

0 引言

党中央、国务院高度重视数字农业农村建设,把加快建设智慧农业作为统领现代高效农业发展的重要抓手,推动人工智能、大数据、3S、互联网及物联网技术在农业生产、经营、管理、服务各环节和农村经济社会各领域深度应用,坚持信息技术、生物技术、工程技术有机结合,坚持研究开发、集成示范、推广应用相结合,着力突破智慧农业关键核心技术,着力培育新型智慧农业产业体系,促进农业生产管理更加精准高效,全面提升农业智能装备水平、农业生产经营能力和现代农业综合实力[1-3]。通过基于“空天地一体化”的资源服务,经政府、企业、公众各类信息的加载和集成,支撑农业大数据资源的互联互通和增量发展,使农业生产经营活动达到管理高效化、服务便捷化、生产智能化、经营网络化的格局,最终形成高效的运作机制,推动智慧农业可持续高速发展。

1 总体设计

以卫星遥感数据为基础,依托存储、计算、网络等基础支撑环境,建立遥感数据资源的汇聚能力,并对数据进行质量检查、规范化处理后入库管理;同时,针对遥感数据处理需求,打造卫星数据处理、专题产品生产能力,形成全覆盖、多尺度、时空连续、现势性强的时空数据资源体系。基于云架构和统一服务框架,研制基于空天地一体化智慧农业大数据平台,具有时空基准统一、多维信息融合、时空信息挖掘、时空数据共享分发、可视化分析决策等功能,为农业遥感专题应用提供支撑[4-5]。

2 建设方案

基于空天地一体化智慧农业大数据平台的建设包括智慧农业标准制度体系、智慧农业数据资源体系、数据智能处理系统、大数据承载平台、基础支撑环境。

2.1 智慧农业标准制度体系

以“智慧农业”建设为抓手,按照国家政务信息系统建设规范和工作制度的要求,围绕智慧农业建设中的信息资源、数据、应用、业务开展等方面的实际需求,完善智慧农业全市乡多级管理规范、服务规范和业务协作制度,打通跨层级跨部门合作机制。构建统一的农业资源、生产加工、销售流通、管理服务的数据采集规范、应用标准、服务规范和运行维护规范等标准体系,开展智慧农业三产融合大数据平台与农业部门数据格式、数据质量、分类目录、交换接口、访问接口、技术产品以及安全保密等关键共性标准的制定和实施,形成多级通用的完整农业大数据标准规范体系,为智慧农业建设和系统运行管理提供办法和制度,同时消除数据互通壁垒,保障数据获取、信息互通、资源共享、集成便利,促进农业大数据充分共享和交换。

2.2 智慧农业数据资源体系

以“空天地”资源为依托,丰富农业数据获取来源,打破传统表单式数据资源体系,构建新型空天地网农业数据资源标准体系。利用空天地一体化观测手段,丰富数据获取方式,通过数据处理、数据治理、加工生产等方式,逐步归集建立统一的遥感数据、地理信息数据、政务数据、涉农数据、社会数据、互联网数据等多种类型智慧农业数据资源体系,形成数据共建、共享、共用的索引,实现数据的长效更新及共享共用,为智慧农业建设提供全面、及时、准确的信息资源,为政府管理、农业增值提供有力的信息支撑。

1) 卫星遥感数据:卫星遥感数据主要利用我国民商卫星资源、国外商业遥感卫星构建卫星遥感底图数据,采用覆盖区域1 m,重点地区0.5 m影像覆盖,制作高分辨率遥感影像DOM数据库,形成农业遥感大数据可视化视图。

2) 地理信息数据:地理信息大数据综合利用卫星、无人机、倾斜摄影、激光雷达等技术手段,建设全域覆盖及重点区域的地理信息数据,数据类型包含行政区划、数字高程模型DEM、路网、地名地址、POI兴趣点、重点地区三维模型(城市重点区域、现代农业产业园、产业强镇、名优名产村等精细三维模型)及涉农专题产品(作物长势、种植面积、作物估产、灾害监测情况等专题产品)等数据,为智慧农业大数据平台建设提供地理信息数据支撑。

3) 农资数据:农资数据利用遥感和互联网爬取等技术手段,获取化肥、农药、农膜、农机、农具、种子、苗木等农资资源,构建重要农资数据库,绘制农资源布底图,推进农作物的数字化动态监测、信息化监督管理,为产业发展、行业监管提供农资数据支持。

4) 气候数据:气候数据获取主要通过气象信息检测传感器、互联网等手段获取气象日常监测信息和预警信息,包含天气预报、站点实况、空气质量、墒情监测、灾害预报、农田环境、关键农事、关键农时等气象监测和预警信息,实现农业灾害预测与灾前预警,且对各类监测数据进行综合处理和空间分析,并通过智慧农业三产融合大数据平台进行三维动态展示。

5) 植保数据:植保数据以重大病虫害绿色防控和治理需求为导向,综合应用互联网、大数据、人工智能等现代信息技术和装备,建立围绕植保的作物百科、土壤百科、农药百科、植物病害、植物虫害、种植技术、标准化生产等数据资源中心,构建全市植保数据信息资源共享体系。综合分析各种因素,提高对病虫害发生的感知、预测、防控能力,实现植物保护政府决策科学化、防控治理精准化、公共服务高效化。

2.3 数据智能处理系统

数据智能处理系统针对海量可见光、高光谱等多种载荷的高分遥感数据提供高精度、高效率、自动化、智能化处理的空天数据产品生产能力,包含多种典型光学遥感卫星、测绘卫星影像处理流程,能够在智能处理框架下经人工编制自动实现DOM生成流程、影像镶嵌流程、DSM生成流程等处理过程,具有水体提取功能。数据智能处理系统包括多源数据处理流程调度子系统、高分SAR遥感影像标准产品生产子系统、高光谱遥感影像标准产品生产子系统、高分光学遥感影像标准产品生产子系统、影像处理工具包子系统、质量评价子系统和空天大数据深度学习训练子系统。系统流程如图1所示。

2.4 大数据承载平台

大数据承载平台主要基于大规模、分布式存储体系架构,实现分布式数据资源的统一存储与访问,以及实现数据资源从入库、更新、迁移备份到数据传输等全生命周期的管理;能够提供统一时空数据组织框架,建立海量异构数据组织模型,构建多维数据关联关系,从业务应用层面和组织管理层面进行基于目标、事件、时间、空间、语义标签的数据组织关联;同时,针对上层的数据集成、治理、关联、分析所需要的各类计算任务,动态调用实时计算、离线计算、即席计算等计算支撑功能,从而实现任务的快速执行。

2.5 基础支撑环境

采用模块化数据中心的建设思路,构建智慧农业融合大数据平台的底层运行环境,由计算、存储、网络等IT基础资源构建,由软件支撑平台进行协同融合。其中,硬件部分的设计重点考虑智慧农业数字化支撑系统和智慧农业大数据平台对可靠性、扩展性以及并行计算3个方面的要求。根据产业化共用需求进行设计,重点为遥感数据、基础地理信息数据、涉农专题数据、物联网及互联网数据提供大容量、高可用的数据存储,同时为系统应用软件、软件算力支撑、信息安全等软件系统提供高可靠、灵活的计算平台。在计算层面,软件支撑平台能够将各个计算节点协同成分布式计算的架构,提高硬件计算能力的同时兼顾硬件高可用特性,充分发挥计算服务器的工作效率。

3 优势分析

基于空天地一体化智慧农业大数据平台实现涉农数据资源的汇聚、共享交换、数据融合、分析应用,推进农业大数据在精准生产、质量监管、态势感知、综合分析、预警预测、辅助决策等领域的智慧应用,实现农业全产业过程的信息感知、融合管理、智能研判和精准服务,高效服务领导指挥决策,指导农业生产结构调整、提高农业生产经营效益、提升农产品竞争力,提升农业生产智能化、经营网络化、管理高效化、服务便捷化的能力和水平,助力智慧农业体系建设。