高标准农田综合信息管理系统设计

康义，李鹏，阙艳红，李炎朋，郭渊杰，郭蓓，李文雅，刘立业

（河南中原光电测控技术有限公司，河南 郑州 450047)

0 引言

近年来随着全球粮食危机的不断加剧和我国粮食安全战略的不断深化，依法严管实现高标准农田“良管良用”，对提高水土资源利用效率、增强粮食生产能力和防灾抗灾减灾能力具有重要意义。高标准农田的建设提出时间较早，涉及内容较广泛，不同地区因地域潜力、能力、财力的不同，同时需要与当地农业产业发展相结合，故高标准农田的建管模式也有所不同，江西省高标准农田优先建设在水稻生产区和油菜籽生产保护区，推广稻渔综合种养模式[1]，河南省周口市商水县高标准农田示范区与培育新型农业经营主体相结合，打造小麦良种繁育基地，为当地种业发展提供基础[2]。因此，高标准农田的建设和管理在不同地区各有特色，本系统结合许昌市建安区一万亩高标准农田建设和高效节水灌溉的具体要求，通过搭建实用、可靠、先进、高效、自动化的高标准农田物联网综合监测与智能灌溉网，实现农田小气候、病虫害、主要作物（小麦、玉米）的长势特征参数识别及土壤等相关要素的自动连续观测，利用刷卡取水、自动扣费、以电折水等用水取水方式，实现高标准农田高效节水灌溉和水价改革政策的平稳落地。同时，将卫星遥感应用于农田监测业务，实现农田区域规划、作物种植面积、农气灾害等方面的数据分析和灾害预警，为农田监测管理、高效节水灌溉提供技术支持与信息参考。

1 总体设计

本系统通过农田感知网和地方政府提供的云服务及网络中心，结合农业生产及节水灌溉的特性，利用大数据进行高效采集、有效整合，深化农业数据和社会数据关联分析，建立涵盖物联网综合应用、高标准农田管理、土壤环境防控、农业生产监测、灾害监测服务、精细化节水灌溉、农业水价改革等多业务场景的高标准农田综合信息管理系统，为用户提供不同应用场景下的业务功能，实现高标准农田管理的规范化、科学化，提升高标准农田工程管理水平和服务能力。

1.1 总体架构

系统按照信息化建设布局分为感知层、网络层、数据层、业务层、展示层以及信息安全和标准规范体系，如图1所示。感知层负责大田当中的养分、气象、虫情、墒情、用水量等感知数据的采集和收集。网络层依托政务云核心交换机为系统提供数据交换和接入服务。数据层根据设定的规则和条件，整编入库感知数据，同时获取采集所需要的其他数据，经格式转换、数据校验后写入大数据核心数据库，为上层应用提供数据比对、清洗、转换、异常处理等交换服务所需的基本功能。业务层结合许昌市高标准农田管理的实际需求，根据管理者、生产者角色的不同，从农田经营管理角度出发，为用户提供实时的大田四情监控、农田规划管理、病虫害预测、节水灌溉、农业气象灾害监测预警、干旱预警预报、土地质量评价、水权分配、节水分析等方面的业务功能。展示层为用户提供前端展示功能，主要包括PC浏览器、手机App以及中控展示大平台的数据展示。

图1 总体设计图

1.2 业务架构

系统分为9 套业务子系统，各个子系统数据相互流转相互支撑，业务涵盖物联网数据应用、高标准农田管理、土壤环境防控、农业生产服务、农气灾害预警、精细化节水灌溉、土壤旱情监测、农业水价改革、用户服务和平台管理，业务流程如图2所示。针对高标准农田管理，系统结合GIS技术，按照管理者和生产者进行业务划分，管理者可查看历年高标准农田建设情况，而生产者可查看所属地块的灌溉情况、土壤墒情、苗情以及虫情。针对影响农业生产的病虫灾害、自然气象灾害、旱涝灾害等农业灾害，系统通过对大田感知数据的提取分析，能够发出灾害预警。针对农业水价改革，可通过系统进行水价信息、水权信息、交易信息的查看，作为管理者进行水权交易管理、农户信息管理、精准补贴信息统计、水价的调整设置。针对不同用户角色，可通过手机App 进行账号注册、绑定耕地，查看个人信息，进行水权交易，上报设备故障，接收发布灾害预警和政策信息，以及查询农业知识库。整套系统业务内容完整丰富，能够很好地支撑高标准农田中的农业生产管理工作。

图2 业务流程图

图3 技术架构图

图4 数据架构图

1.3 技术架构

系统将应用与数据分离，应用程序按业务拆分，通过超链接进行关联，使用消息队列分发数据。建立本地缓存和远程分布式缓存，提升性能。使用负载均衡，提升平台的稳定性，并赋予平台可以通过增加服务器数量提升性能的能力。随着数据量增长，使用分布式数据库服务器和分布式文件服务器来保障数据安全和系统性能。使用NoSQL 和搜索引擎弥补关系型数据库对非关系型数据处理的不足。

1.4 数据架构

平台数据架构如图所示，通过各种数据采集方式汇集业务数据，知识数据、互联网数据、物联网采集数据和文档数据等，建立数据仓库并同步进行数据治理。基于统一的数据字典建立健全各类数据库，并建立统一的数据服务接口和数据访问权限管理机制，平台各模块提供实时、同源、高效、完整的数据。

1.5 利旧方案

关于设备利旧，由于已建设备生产厂家RTU不同，传输协议也没有统一规范标准，所以本系统采用3种方案进行已建设备数据接入，一种是通过厂家配合将观测数据注入过渡数据库中，本系统定时从数据库抽取数据。第二种是通过厂家服务器API接口，读取到本系统中。第三种是对厂家RTU进行传输协议改造，按照统一标准协议传入到系统接收端，如图5所示。

图5 利旧方案

2 设计方案

2.1 农业物联网综合应用子系统

该子系统为物联网设备提供安全、便捷的接入服务，通过接口集成、数据库集成实现对多源数据、异构数据的集成，对不同传感器、不同厂家设备、不同采集终端实现数据无缝对接，将物联网设备数据进行统一管理，实现大田虫情、苗情、气象墒情、用水用电情况的全过程监控。

2.2 高标准农田管理服务子系统

该子系统以GIS地图为基础，对已建、未建和在建中的高标准农田进行可视化展示，帮助使用者快速了解当前农田状况、高标准农田建设情况、高标准农田规划。通过一张图对已建设的高标准农田、未建设高标准的农田和在建中的高标准农田进行区分，快速了解当前农田状况，切换图层，能够查看高标准农田在时间维度的建设果和不同时间点对应的高标准农田建设状况。

2.3 土壤环境防控管理子系统

该子系统通过土壤环境监测数据、地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等数据，通过GIS 空间图形化表现，对农业土壤环境质量分析和土地质量分级。通过遥感影像多光谱进行农业用地土壤环境分析和现场土壤取样，实现土壤中的氮、磷、钾等养分和重金属等土壤成分的采集、分析和统计。

2.4 农业生产监测服务子系统

该子系统整合基础地理信息数据、多源遥感数据、地面监测数据、行业业务数据及专题信息产品，构建农业要素综合数据库，在此基础之上，针对不同农业业务需求提供多种农业专题图报在线查询、在线浏览、在线下载的服务功能。通过农业空间信息应用推动农业信息化建设，提升农业管理部门的工作效率与决策水平。

2.5 农气灾害监测服务子系统

该子系统主要实现小麦玉米两类经济作物主要农业气象灾害的气象灾害监测、信息传输与管理、气象灾害监测预警信息发布的自动化、集约化、规范化与标准化。子系统主要包括小麦越冬期冻害监测预警模块、小麦晚霜冻监测预警模块、小麦干热风监测预警模块和玉米高温热害监测预警模块。

2.6 精细化节水灌溉服务系统

该子系统主要实现各种农作物生长发育状态查询、生长环境的查询、提示和预报，结合农技人员的专业知识，形成农田灌溉专项分析报告，为农田生产提出针对性指导意见、灾害预警及对策建议，能够通过互联网将农田生产针对性指导意见、灾害预警及对策建议信息发布，用户通过移动终端实现随时随地的精细化节水灌溉信息服务，实现了数据共享，最大限度地提高数据的利用价值。

2.7 土壤旱情监测评估子系统

该子系统利用HDF 或LD2 文件格式的FY-3A 和EOS/MODIS 卫星资料，在一定干旱监测模型（方法）下，结合实测土壤墒情数据，通过过去实测墒情、气象数据，推算目前土壤湿度、区域内格点土壤湿度,实现对干旱的遥感监测与土壤墒情的反演，进而预测未来土壤干旱情况和需水量情况。

2.8 农业水价综合改革管理子系统

该子系统主要对水权分配、水权交易、精准补贴等功能模块进行完善，根据土地灌溉面积和用水量做出统计，并针对不同地区能够分配不同定量的灌溉水量，设置合适的水价信息，支持水权交易。能够在系统中录入用户基础信息、耕地信息，按照耕地信息发放用水额度。根据全市的土地灌溉面积和用水量做出统计，并针对不同地区能够分配不同定量的灌溉水量，设置合适的水价信息，支持水权交易。

2.9 用户服务子系统

该子系统(App) 提供完善的种植、防疫、种植技术、农业植保相关知识库信息，农户可以通过知识库进行学习。提供政策法规农服信息等内容推送、浏览，病虫灾害、天气灾害预警等功能。

3 结论

我国农业发展正处于传统农业向现代数字农业转变的过渡期，因此建立精准化的现代智慧农田综合信息管理系统有很重要的意义。目前，该系统已完成设计开发和上线试运行。结果表明，在万亩高效节水示范区内,该系统通过对农田管理、农业生产、节水灌溉、旱情监测等业务的整合，完善了对农业生产的服务保障能力，提高了农业生产效率，使粮食增产稳产，为高标准农田走现代农业发展之路提供应用基础。