基于云架構(gòu)的自然資源動態(tài)遙感監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與研究

劉發(fā)發(fā)　熊曉峰　劉飛　焦利偉

摘 要：本研究以云架構(gòu)分層模型為基礎(chǔ)，積極遵循開放式設(shè)計、集中化服務、云計算支撐等先進理念，建立統(tǒng)一的多業(yè)務監(jiān)測監(jiān)管模式，通過系統(tǒng)搭建，實現(xiàn)監(jiān)測圖斑、預警信息、響應反饋的統(tǒng)一收集、統(tǒng)一推送、統(tǒng)一核查、統(tǒng)一反饋、統(tǒng)一管理，為自然資源的科學開發(fā)利用提供基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：云平臺;自然資源;監(jiān)測監(jiān)管;數(shù)據(jù)共享

中圖分類號：P237 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0013-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.002

Design and Research on Dynamic Remote Sensing Monitoring and Supervision System of Natural Resources Based on Cloud Architecture

LIU Fafa XIONG Xiaofeng LIU Fei JIAO Liwei

（1.Geophysical Survey Brigade of Henan Coal Geology Bureau，Zhengzhou 450009，China;2.Henan Geological and Geophysical Exploration Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450009，China）

Abstract： This paper explores and studies the hierarchical model based on Cloud Architecture， actively follow the advanced concepts of open design， centralized service and cloud computing support， establish a unified multi business monitoring and supervision mode. Through system construction， realize the unified collection， unified push， unified verification， unified feedback and unified management of monitoring spots， early warning information and response feedback. Provide basic support for the scientific development and utilization of natural resources

Keywords：cloud platform;natural resources;monitoring and supervision;data sharing

0 引言

自然資源是天然存在、有使用價值、可提高人類當前和未來福利的自然環(huán)境因素的總和，是人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基本保障[1]。我國作為自然資源大國，但人均自然資源相對稀缺，同時，開發(fā)利用又涉及諸多紛繁復雜的利益關(guān)系，要實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護共贏，現(xiàn)時還要將自然資源擺在重要戰(zhàn)略地位參與國家宏觀調(diào)控[2]。因此，積極加強自然資源監(jiān)管力度，科學、合理地開發(fā)利用自然資源成為現(xiàn)階段急需解決的問題[3]。

本研究面向以應用為導向的精細化管理需求，強化以云平臺為基礎(chǔ)，建立統(tǒng)一的多業(yè)務監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)，將自然資源各類業(yè)務工作涉及動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管的各類事項進行集成整合，達到監(jiān)測圖斑、預警信息、響應反饋等通過監(jiān)測平臺統(tǒng)一收集、統(tǒng)一推送、統(tǒng)一核查、統(tǒng)一反饋、統(tǒng)一管理的目標，為自然資源的動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管以及合理化的開發(fā)利用提供科學決策[4-5]。

1 業(yè)務流程設(shè)計

自然資源動態(tài)遙感監(jiān)測監(jiān)管以周為頻次，涉及多個業(yè)務，本研究業(yè)務流程設(shè)計如下。

一是省衛(wèi)星應用技術(shù)中心從部國家衛(wèi)星中心獲取一批遙感影像、處理一批，做到圖斑周提取、月度大范圍覆蓋、季度全覆蓋;二是基于提取的周變化圖斑，進行監(jiān)測圖斑地類判別和管理信息套合;三是監(jiān)測數(shù)據(jù)整理入庫，同步共享給各業(yè)務支撐單位;四是根據(jù)變化圖斑和套合信息進行綜合研判，提取調(diào)查監(jiān)測、耕地保護、用途管制、生態(tài)修復、執(zhí)法監(jiān)督、礦山保護監(jiān)督、地質(zhì)勘查管理等業(yè)務監(jiān)測圖斑;五是各業(yè)務監(jiān)測圖斑整理入庫，同步分發(fā)給處室局、市、縣及基層所;六是鄉(xiāng)所工作人員和四級網(wǎng)格員進行實地核實，市、縣進行審核;七是省級進行復核匯總，形成匯總報告，輔助決策。

2 系統(tǒng)技術(shù)路線

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

針對自然資源數(shù)據(jù)管理以及信息化的特點，以云架構(gòu)的模式劃分為四層體系[6]：Iaas（基礎(chǔ)設(shè)施層）、Daas（數(shù)據(jù)服務層）、Paas（平臺層）、Saas（應用層），如圖2所示。Iaas層主要為硬件資源的虛擬化。Daas層基于自然資源數(shù)據(jù)管理以及開發(fā)利用的需求，聚合集成各類與自然資源空間相關(guān)的，構(gòu)建包括現(xiàn)狀、規(guī)劃、管理等空間數(shù)據(jù)、日常管理產(chǎn)生的非空間數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的平臺數(shù)據(jù)庫。Paas層主要實現(xiàn)應用支撐，包括數(shù)據(jù)服務、功能服務等。Saas層面向用戶提供各種模塊功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 云服務技術(shù)。系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需要大量的計算、存儲資源，同時各地實際情況不同，需要的服務器資源也有所差異。為合理分配服務器資源，避免出現(xiàn)資源閑置或資源緊張的情況，本系統(tǒng)建設(shè)將運用云服務技術(shù)，實現(xiàn)服務器資源的按需分配，實現(xiàn)系統(tǒng)資源利用率最大化。

2.2.2 基于框架的系統(tǒng)架構(gòu)。采用面向服務架構(gòu)（SOA）的設(shè)計思想，構(gòu)建包含標準體系、應用體系、數(shù)據(jù)體系、安全體系、基礎(chǔ)設(shè)施體系等的集成框架，基于層次化設(shè)計思想以及不同層次間的相互獨立性等特點進行總體機構(gòu)設(shè)計，保障系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行[8]。通過采用Restful風格的接口提供個性化的服務，通過最簡單的http協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，簡化系統(tǒng)設(shè)計，便于本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的對接，提高系統(tǒng)的開放性，同時也降低應用與服務器端通信時的流量消耗。

2.2.3 分布式計算與多級緩存動態(tài)調(diào)整技術(shù)。為提供數(shù)據(jù)讀取效率，系統(tǒng)采用分布式技術(shù)架構(gòu)。對自然資源大數(shù)據(jù)采用分布式處理方式，將數(shù)據(jù)均勻分布到多個數(shù)據(jù)庫節(jié)點中，實現(xiàn)橫向方面的擴展，減小每個數(shù)據(jù)庫節(jié)點的數(shù)據(jù)量，提升存儲管理性能。綜合考慮到HBase是一個具有開源的、分布式的、版本化等優(yōu)點的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，平臺采用HBase分布式數(shù)據(jù)庫。平臺采用Memcached（高性能的分布式內(nèi)存對象緩存系統(tǒng)）緩存模式開發(fā)，支持Memory、Redis、Memcached等多級緩存模式，充分利用內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)資源和操作對象，減少客戶端讀取數(shù)據(jù)庫服務器的次數(shù)，從而大大降低Web應用對數(shù)據(jù)庫的負載，從而提高系統(tǒng)運行的速度[9]。

2.2.4 基于規(guī)則引擎及流程搭建的ETL數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。系統(tǒng)采用規(guī)則引擎技術(shù)，將各種軟件組件嵌入程序中，并通過執(zhí)行復雜的算法優(yōu)化計算資源的使用。當用戶客戶端提交數(shù)據(jù)或者對象觸發(fā)規(guī)則引擎時，為實現(xiàn)應用的快速響應，平臺通過規(guī)則引擎來調(diào)用相應的規(guī)則，觸發(fā)響應應用程序的相關(guān)指令。

2.3 系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)框架搭建。系統(tǒng)采用Django框架進行搭建，將數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫解耦，利用其與Python語言的緊密聯(lián)系的特性，實現(xiàn)強大的數(shù)據(jù)庫功能。通過Django自身模塊進行后臺管理的配置，將代碼和樣式分開設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、修改等基礎(chǔ)操作。Django模板注冊后可以通過后臺對該模板數(shù)據(jù)進行操作，更加方便快捷地管理后臺。

2.3.2 系統(tǒng)部署設(shè)計?；谠骗h(huán)境，將專題匯總數(shù)據(jù)、專題圖件成果、分析成果、數(shù)據(jù)產(chǎn)品在私有云數(shù)據(jù)中心進行多形態(tài)一體化存儲，實現(xiàn)成果目錄和元數(shù)據(jù)管理[10]。通過云計算引擎，構(gòu)建彈性計算服務和工作空間服務的開放式計算與存儲服務能力;通過云服務引擎，構(gòu)建數(shù)據(jù)服務和交換服務的開放式數(shù)據(jù)服務能力，包括在線地圖服務、數(shù)據(jù)分發(fā)服務、信息查詢服務、資源目錄服務和數(shù)據(jù)交換服務;通過云服務引擎，構(gòu)建分析服務和定制服務的個性化應用服務能力，包括在線統(tǒng)計服務、在線分析服務、決策支持服務、API和應用定制等[11]。如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲層主要包括業(yè)務庫、共享庫、元數(shù)據(jù)庫等[12]。業(yè)務庫主要存儲各業(yè)務監(jiān)測圖斑ID、所屬行政區(qū)、監(jiān)測面積、套合基本農(nóng)田面積、審批面積等信息。共享庫主要存儲各業(yè)務舉證上傳的照片、視頻，為自然資源不同部門之間提供實地舉證信息共享，避免重復工作，減少工作量。元數(shù)據(jù)主要包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、空間位置、覆蓋范圍、表示方式、數(shù)據(jù)質(zhì)量、管理方式、數(shù)據(jù)的所有者、數(shù)據(jù)提供方式等有關(guān)的信息，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)維護[13]。

3 應用示范

3.1 自然資源多業(yè)務監(jiān)測

自然資源動態(tài)遙感監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)目前已開展8項業(yè)務監(jiān)測。系統(tǒng)功能主要包括管理信息數(shù)據(jù)智能套合、業(yè)務表單填報、監(jiān)測監(jiān)管預警、核查進度統(tǒng)計分析、省市縣鄉(xiāng)四級用戶通知響應、移動端實地核查等。

在業(yè)務方面，一是實現(xiàn)國土資源利用結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測，通過對三大地類、重點地類變化情況進行監(jiān)測，掌握全省各地類現(xiàn)狀情況，對于流量異常地區(qū)進行預警;二是實現(xiàn)耕地和基本農(nóng)田監(jiān)測，針對全省耕地、基本農(nóng)田、補充耕地變化情況進行監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)全省耕地增加和減少原因，以及永久基本農(nóng)田動土情況;三是實現(xiàn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤項目審批核查監(jiān)管，針對項目拆舊區(qū)進行監(jiān)測，確保增減掛鉤項目審批結(jié)果的真實性、準確性，對發(fā)現(xiàn)的問題圖斑，及時下發(fā)市縣進行舉證核實;四是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)土地利用情況監(jiān)管，主要對批準用地情況、供后利用情況進行監(jiān)測;五是實現(xiàn)礦山開發(fā)利用監(jiān)管，針對露天礦山、生產(chǎn)礦山、歷史遺留礦山實施常態(tài)化遙感監(jiān)測;六是實現(xiàn)自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管，追蹤重大生態(tài)修復工程，圍繞近期開展的南太行地區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護修復、黃河流域生態(tài)保護等重大生態(tài)修復工程，實施生態(tài)修復效果遙感監(jiān)測監(jiān)管;七是實現(xiàn)地質(zhì)災害監(jiān)測，重點監(jiān)測隱患點位置、分布輪廓、發(fā)育條件、災險情等信息;八是實現(xiàn)季度執(zhí)法監(jiān)測，省季度執(zhí)法監(jiān)測與部季度衛(wèi)片監(jiān)測相結(jié)合，互為補充，拾遺補缺，保障自然資源疑似違法用地監(jiān)測全覆蓋[14]。

3.2 多業(yè)務監(jiān)測數(shù)據(jù)共享

自然資源動態(tài)遙感監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)基于標準搭建，通用性強。在保證信息安全的條件下，系統(tǒng)向上與自然資源部“自然資源云”和“國土調(diào)查云”深度兼容、互為補充，向下與市縣信息系統(tǒng)對接，橫向上與政府其他部門的系統(tǒng)平臺實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)交換共享[15]。目前系統(tǒng)主要實現(xiàn)了季度遙感成果切片數(shù)據(jù)和監(jiān)測圖斑共享、智能套合管理信息數(shù)據(jù)成果共享、監(jiān)測圖斑實地核查照片視頻共享、多業(yè)務監(jiān)測監(jiān)管成果共享、智能化平臺和智能化監(jiān)測技術(shù)共享。

4 結(jié)語

本研究以自然資源全業(yè)務監(jiān)測監(jiān)管為中心，基于云架構(gòu)設(shè)計理念進行自然資源動態(tài)遙感監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)搭建，形成基于自然資源專網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)、基于互聯(lián)網(wǎng)的多業(yè)務集成監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)、基于移動終端的實地核查系統(tǒng)，以微服務的方式提供給省、市、縣以及鄉(xiāng)所，一次舉證、多場景應用，大大減輕基層工作量。通過系統(tǒng)建設(shè)，充分利用高新技術(shù)手段提升自然資源治理能力和治理體系現(xiàn)代化，嚴格落實自然資源管理和生態(tài)環(huán)境保護責任，促使自然資源從被動修復變?yōu)橹鲃颖Ｗo，將各類自然資源違法問題消滅在萌芽狀態(tài)。

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