胡 雅
(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司,西安 710075;2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,西安 710075;3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室,陜西西安 710075;4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心,西安 710075)
土地工程中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用構(gòu)想*
胡 雅1,2,3,4
(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司,西安 710075;2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,西安 710075;3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室,陜西西安 710075;4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心,西安 710075)
大數(shù)據(jù)因其種類多、數(shù)據(jù)量大、傳遞速度快等特點在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,而大數(shù)據(jù)在土地工程中的應(yīng)用才剛剛興起。文章通過對相關(guān)文獻及報道的歸納與分析,列舉出大數(shù)據(jù)在復(fù)墾耕地管理、工程規(guī)劃、進度控制決策等方面的應(yīng)用構(gòu)想,并就土地工程大數(shù)據(jù)發(fā)展的所需條件進行了探討,以促進大數(shù)據(jù)技術(shù)在土地工程中的應(yīng)用,最終提升土地工程數(shù)據(jù)價值、促進土地整治質(zhì)量的進一步提高。
大數(shù)據(jù) 土地工程 應(yīng)用前景
大數(shù)據(jù)作為新時代高新技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,已廣泛應(yīng)用于科學(xué)、醫(yī)藥、商業(yè)等各個領(lǐng)域,受到越來越多的關(guān)注。然而,在土地工程領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用卻鮮有研究,目前尚處于起步階段。
土地工程就是運用工程手段解決土地問題,把未利用地變?yōu)榭衫玫鼗虬岩牙玫剞D(zhuǎn)變?yōu)楦咝Ю猛恋兀踔痢霸偕恋亍?,是保障發(fā)展、保護耕地、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)土地配置的重要工程手段[1]。作為交叉學(xué)科,土地工程涉及退化、污染、損毀土地的修復(fù)治理,高標準農(nóng)田建設(shè),建設(shè)用地整備,土地工程信息化等多個方面,其數(shù)據(jù)信息具有種類多、體量大的特點。在數(shù)據(jù)日新月異的時代,如何實現(xiàn)復(fù)雜土地信息的高效管理和便捷使用,提升土地工程軟實力,實現(xiàn)土地工程信息化,是擺在眾多科研人員和專家學(xué)者面前的全新話題,也是土地工程領(lǐng)域進一步發(fā)展所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。
土地工程大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)技術(shù)、理念、思維在土地工程領(lǐng)域的應(yīng)用,是收集、整理和分析多學(xué)科的數(shù)據(jù)源的重要方式。土地工程大數(shù)據(jù)通過對土地工程信息進行分類、解析,得出工程操作過程中每一個環(huán)節(jié)的評價指標,為土地工程后續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考,進而實現(xiàn)對土地工程數(shù)據(jù)信息的高效管理和利用。因此,大數(shù)據(jù)技術(shù)在土地工程中擁有良好的應(yīng)用前景,其將成為汲取土地工程數(shù)據(jù)價值、促進土地整治質(zhì)量提升、加快農(nóng)業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的重要手段。
該文通過闡述大數(shù)據(jù)技術(shù)特點,在文獻、報道調(diào)研的基礎(chǔ)上淺談大數(shù)據(jù)在土地工程中的應(yīng)用前景,旨在為土地工程中進一步應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供參考依據(jù)。
大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)資料量規(guī)模巨大到無法通過人腦甚至主流軟件工具來分析處理的那些數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠在合理時間內(nèi)達到擷取、管理、處理、并整理數(shù)據(jù),幫助人類完成經(jīng)營決策目的[2]。大數(shù)據(jù)分析方法與傳統(tǒng)分析方法的最大區(qū)別在于分析的對象是全體數(shù)據(jù),而不是數(shù)據(jù)樣本,其最大的特點在于不追求算法的復(fù)雜性和精確性,而追求可以高效地對整個數(shù)據(jù)集的分析。其具有Volume,Variety,Velocity,Value這4個特征。
1.1 數(shù)據(jù)量大(Volume)
現(xiàn)實世界中,隨處可見各種各樣的傳感器,例如衛(wèi)星、航拍飛機、攝像頭、探測器等,這些設(shè)備隨時采集著不同格式的數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)世界中,在用戶每天的的上網(wǎng)點擊、搜索等網(wǎng)絡(luò)活動產(chǎn)生數(shù)量龐大的數(shù)據(jù),隨著時間的累積,這些數(shù)據(jù)從TB發(fā)展至PB乃至ZB,可稱為海量、巨量甚至超量。
1.2 數(shù)據(jù)種類多(Variety)
互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的發(fā)展,使數(shù)據(jù)的來源及格式復(fù)雜多樣,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成整個數(shù)據(jù)網(wǎng),僅涉及農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)就包括氣象指標、土壤指標等幾類,每一類又包含了多個分項指標[3]。國土資源行業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁、音頻、視頻、圖像、地理位置等數(shù)據(jù)在行業(yè)數(shù)據(jù)庫占有率達到80%以上,這個比例還在迅速增加,除此之外,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)的來源會更加多樣化。
1.3 傳遞、處理速度快(Velocity)
網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)備的發(fā)展使數(shù)據(jù)從端點移動到處理器和存儲器的速度明顯加快。數(shù)據(jù)種類和數(shù)量的快速增長,使短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的處理分析成為必然。即時完成分析才能夠及時從數(shù)據(jù)中提取知識、發(fā)現(xiàn)價值,迅速發(fā)揮數(shù)據(jù)的效能。顯然,數(shù)據(jù)處理的速度越快、越及時,數(shù)據(jù)的價值及其發(fā)揮的效能就越大[4]。
1.4 價值高密度低(Value)
大數(shù)據(jù)的又一個特征是價值密度的高低與數(shù)據(jù)總量的大小成反比。雖然數(shù)據(jù)量很大,但往往有用的數(shù)據(jù)少。數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長加大了獲取有用信息的難度,有重大價值者可能僅為一兩秒的數(shù)據(jù)流[5]。以航拍視頻為例,在連續(xù)不間斷正常情況拍攝1 h的視頻中,可能有價值的數(shù)據(jù)僅僅只有1~2 s。因此,如何快速高效實現(xiàn)隱藏在海量數(shù)據(jù)中的價值成為科學(xué)需要解決的一大問題。
在上述4個特征中,第一個和第二個特征是關(guān)鍵,需要特別說明的是,數(shù)據(jù)量大小是相對而言的,各個行業(yè)之間的差別很大[6]。
目前,大數(shù)據(jù)的應(yīng)用目標是獲得知識、推測趨勢、掌握個性化特征、分析辨識真相。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為大數(shù)據(jù)在土地工程中耕地管理、工程控制等方面進行應(yīng)用提供了可能。
2.1 復(fù)墾耕地管理決策
2.1.1 耕種管理
復(fù)墾耕地地域分散,地形多變,環(huán)境不同,因此多方位、網(wǎng)絡(luò)化、快速高效的采集土壤、作物、氣象等變量信息進而預(yù)測灌水、施肥量成為復(fù)墾耕地管理中重要工作。國內(nèi)在農(nóng)田空間信息快速采集技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了較豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗,成熟的儀器有TDR土壤水分測定儀、電導(dǎo)率測試儀、pH值測試儀等土壤特征指標感知儀器。利用土壤環(huán)境傳感技術(shù),將速測儀采集的土壤水分、土壤呼吸、二氧化碳濃度、土壤的溫濕度、風(fēng)速、降雨量等數(shù)據(jù),通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將感知信息能夠及時傳送到診斷決策中心。以陜西省土地工程建設(shè)集團的在線監(jiān)測研究為例,通過在鹽堿地土地整治工程中建立作物、水分、鹽分、土壤、氣候等不同監(jiān)測因子的多層次(氣象云圖層、植被層、地形層、土壤層、地下水層以及工程層)、多剖面(渠—溝—林—路—田的整體和各個組合、水文微循環(huán)、水鹽運移等多斷面)、多角度的可視化在線監(jiān)測系統(tǒng),獲取鹽堿地治理實時準確的研究數(shù)據(jù),融合GIS及高分辨率遙感等不同數(shù)據(jù)源,研究鹽堿地水鹽運移。土壤有機質(zhì)、容重、質(zhì)地等指標目前還沒有相應(yīng)的傳感器實時測定設(shè)備,數(shù)據(jù)采集需要用傳統(tǒng)土壤采樣方法檢測指標含量值并通過人工錄入數(shù)據(jù)庫。
將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和實時數(shù)據(jù)收集兩種方法結(jié)合起來分析,給土壤“號脈開方”,結(jié)果可信程度高。大數(shù)據(jù)決策支持系統(tǒng)能夠根據(jù)彭曼公式和水量平衡方程自動判斷作物是否缺水,并計算出作物所需灌水量[7];能夠根據(jù)作物長勢和土壤狀況,經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析和運算,確定肥料類型、肥料用量和肥料方案;能夠根據(jù)養(yǎng)分含量高低與分布為土壤改良提供合理的元素配比。
2.1.2 作物估產(chǎn)
土地復(fù)墾是為了保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),運用3S技術(shù)可以精確計算出整治面積、掌握農(nóng)作物生長形勢、估計種植面積和作物產(chǎn)量。
遙感技術(shù)能夠從人造衛(wèi)星、飛機或者其他飛行器上收集地物目標的電磁輻射信息,識別地球環(huán)境和資源。利用遙感技術(shù)監(jiān)測作物的長勢,包括作物的苗情、生長狀況及其變化等影像數(shù)據(jù),能夠為田間管理提供及時信息,為早期估計產(chǎn)量提供依據(jù),為可能出現(xiàn)的大規(guī)模糧食短缺或盈余情況預(yù)留時間采取措施?;跈C器視覺、結(jié)構(gòu)光掃描、超聲波等聲學(xué)方法的植物地面部分信息采集[8]也為作物估產(chǎn)提供了大量圖像資料。
目前,研究作物生長、估產(chǎn)的模型主要有荷蘭WOSOFT系列,美國DSSAT系列,澳大利亞APSIM系列,F(xiàn)AO的AQUACROP;研究植物數(shù)字化模擬的植物建模、分析模型有OpenAlea,GroIMP,VTP[9],研究歷年氣候與降雨、水肥投入與產(chǎn)出情況,小麥、豆科牧草、禾谷類、甘蔗等作物的生產(chǎn)和管理的模型有基于Granular的生長管理決策系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型(APSIM)。將模型嵌入大數(shù)據(jù)平臺即可用于決策,自動生成管理方案,促進農(nóng)作物生長,提高效率,增加收益[3]。
2.1.3 重金屬污染評價
傳統(tǒng)的土壤重金屬污染主要有實驗室監(jiān)測法和現(xiàn)場快速監(jiān)測法,實驗室監(jiān)測法精度高,但勞動強度大、采樣分析費時,適用范圍小,現(xiàn)場快速監(jiān)測法雖能夠大面積、連續(xù)、高密度獲取信息,但大多處于定性或半定量的試驗階段[10]。重金屬快速探測與遙感技術(shù)的發(fā)展使得重金屬污染評價智能化成為可能。LIBS技術(shù)在重金屬元素檢測方面表現(xiàn)優(yōu)異,能夠彌補一般光譜技術(shù)在重金屬元素檢測上的不足,美國洛斯阿拉莫國家實驗室研制的土壤金屬探測儀TRACER一次測量時間1 min,最大深度可達60.95 cm[8],探測數(shù)據(jù)最終通過網(wǎng)絡(luò)匯集至大數(shù)據(jù)中心。遙感技術(shù)的成熟促進了利用植被反演和土壤監(jiān)測的方法評價重金屬污染,地物波譜特性易受土壤成分、大氣效應(yīng)、植被等環(huán)境噪音的影響[10],通過強化波譜信息提取技術(shù),提高遙感信息提取的準確性,大數(shù)據(jù)技術(shù)就能夠?qū)ν寥肋M行智能化重金屬污染評價。
大數(shù)據(jù)在復(fù)墾耕地管理方面使用時,需要保證數(shù)據(jù)的精確性、完整性和時效性,數(shù)據(jù)庫中每個數(shù)據(jù)都應(yīng)準確描述客觀世界中的實體。傳統(tǒng)的抽樣檢測得到的數(shù)據(jù)是滯后的,我們所做的決定也非常緩慢,等決定做出數(shù)月后發(fā)現(xiàn)有錯時,時間也不可能倒流;一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失就會造成決策結(jié)果不準確。因此數(shù)據(jù)準確采集,實時更新成為大數(shù)據(jù)在復(fù)墾耕地決策管理上的關(guān)鍵。
2.2 工程規(guī)劃、進度控制決策
2.2.1 土地工程能力評價
利用大數(shù)據(jù)對土地工程能力進行評價,可以使工程規(guī)劃、建設(shè)等決策行為更趨合理?;贕IS的土地工程評價可以收集資料數(shù)據(jù),將其按照圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分類錄入大數(shù)據(jù)系統(tǒng),以工程地質(zhì)分區(qū)圖、地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)圖、土地工程能力系列圖等圖形數(shù)據(jù)和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫,在基礎(chǔ)軟件平臺上進行二次開發(fā),對其功能進行一定的擴充[11],得到土地工程能力信息系統(tǒng)。土地工程能力信息系統(tǒng)的建立,能夠?qū)崿F(xiàn)各種空間、非空間地質(zhì)數(shù)據(jù)和信息的輸入、存儲、查詢、檢索、分析,顯示等功能,為土地工程規(guī)劃、管理和決策提供了工具。
2.2.2 土體有機重構(gòu)方式選擇
土體有機重構(gòu)作為工程技術(shù)手段、服務(wù)對象是有機生命體,是通過對一定深度土體進行研究,以復(fù)配、增減、置換等技術(shù)手段,為承載生命體提供必要條件[12]。土地工程的核心是土體有機重構(gòu),而土地整治工程大系統(tǒng)循環(huán)性、協(xié)同性不夠,科技滯后于工程的現(xiàn)象普遍存在,大數(shù)據(jù)耦合能夠根據(jù)目標土體的土層厚度,土壤質(zhì)量,土體結(jié)構(gòu)等指標準確預(yù)測工程中遇到的重構(gòu)方案問題,盡早展開科學(xué)研究,對土體有機重構(gòu)方式進行決策,增強土體有機重構(gòu)試驗?zāi)芰?,選擇土體最優(yōu)的重構(gòu)方式,指導(dǎo)工程實踐。
2.2.3 工程規(guī)劃、方案優(yōu)化及進度控制
土地整治工程規(guī)劃設(shè)計前期,需要考慮灌溉與引水渠道、田間道路線路選擇,由于研究范圍大,設(shè)計者精力有限,只能憑經(jīng)驗選擇。而計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展以及市場傳感器精度提高、價格降低,土地工程大規(guī)模、全方位、多維度、多場地的工程監(jiān)測得以實現(xiàn)。將光纖傳感器、攝影測量、GPS、測量機器人、合成孔徑雷達差分干涉測量設(shè)備及技術(shù)應(yīng)用于地形地貌、地籍測量及動態(tài)監(jiān)測[13],則大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可依據(jù)技術(shù)標準并考慮約束條件自動搜索出一系列經(jīng)濟、環(huán)保、合理的線路方案為線路設(shè)計人員提供參考,為了提高運算速度,還可通過云計算技術(shù)將線路優(yōu)化的計算工作安排在多個節(jié)點上進行。
施工返工既浪費時間和資源又影響工程施工進度,大數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)工程協(xié)作各方有效的協(xié)同工作平臺,施工前設(shè)計單位、建筑單位在該平臺上有效溝通,并進行3D模型模擬施工,模擬施工程序、設(shè)備調(diào)用、資源配置等,便于優(yōu)化設(shè)計方案和施工方案[14]。利用衛(wèi)星監(jiān)測工程進度,使項目管理者及各協(xié)同方直觀了解工程進展情況,完成了系統(tǒng)數(shù)字化、透明化、服務(wù)化的升級。如同同位素示蹤法一樣,給每個項目,每個示范站設(shè)置有效二維碼,人們通過掃描,可以了解項目、觀測站的基本概況,這既能促進項目建設(shè),又能很好地進行宣傳。
2.2.4 工程預(yù)警預(yù)測
大數(shù)據(jù)技術(shù)研究能夠為工程預(yù)測預(yù)警、應(yīng)急處置、災(zāi)害評估提供巨大幫助。經(jīng)過多年的監(jiān)測工作,我國國土部門、氣象部門已積累了大量的地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害實例,這些實例涉及數(shù)據(jù)量龐大,整理和充分挖掘這些數(shù)據(jù),建立土地工程災(zāi)害實例及處理措施大數(shù)據(jù),在使用過程中不斷完善信息采集及預(yù)報分析決策技術(shù),可供災(zāi)害監(jiān)測部門對新監(jiān)測到的災(zāi)害數(shù)據(jù)進行類比、分析,從而快速、及時、準確地推薦出災(zāi)害預(yù)防及處理方案,在一定程度上提高土地工程災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)警水平。
在大數(shù)據(jù)時代,可以將交叉行業(yè)數(shù)據(jù)用于解決工程量預(yù)測的問題。例如某地居民用水嚴重過量,地下水位急劇下降,同時土壤耕作能力退化,作物減產(chǎn),新城鎮(zhèn)建設(shè)房地產(chǎn)資源過剩,根據(jù)這些現(xiàn)象所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),可以預(yù)測未來十幾年內(nèi)農(nóng)民向城鎮(zhèn)搬遷軌跡,以及所形成的廢棄宅基地數(shù)量及區(qū)域。
3.1 健全的專業(yè)人才隊伍
隨著大數(shù)據(jù)與各行各業(yè)的深度融合,貴州大學(xué)設(shè)置大數(shù)據(jù)科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè),為土地工程學(xué)培養(yǎng)土地工程信息化方向的專業(yè)人才[5]。為了規(guī)避大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用過程中重采集輕分析的問題,建立包括數(shù)據(jù)采集和處理人員,數(shù)據(jù)分析人員和數(shù)據(jù)溝通和展示人員等專業(yè)的數(shù)據(jù)管理團隊[15,16],他們將本身只是信息的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對行業(yè)有價值的決策依據(jù)[17]。
3.2 完善的數(shù)據(jù)采集、管理能力
2014年,我國大數(shù)據(jù)相關(guān)硬件市場在451億元,2020年將突破至2 385億元[18],市場的快速增長反映了大量的大數(shù)據(jù)軟硬件需求,當前土地工程領(lǐng)域的農(nóng)田水肥監(jiān)測方面已基本實現(xiàn)了數(shù)字化,但由于施工階段數(shù)據(jù)采集設(shè)備不夠,數(shù)據(jù)管理能力有限,使得設(shè)計成果未能得到充分應(yīng)用,難于實現(xiàn)全階段信息的集成和共享,制約了大數(shù)據(jù)在土地工程領(lǐng)域的應(yīng)用,所以工程前設(shè)計、進度管理等方面的數(shù)據(jù)收集與管理能力亟待加強。
3.3 理論與實踐同步發(fā)展
大數(shù)據(jù)理論先行于實踐,是大部分大數(shù)據(jù)技術(shù)使用行業(yè)存在的問題,大數(shù)據(jù)理念的宣傳推廣,使得各學(xué)科行業(yè)感覺到數(shù)據(jù)深入使用對行業(yè)發(fā)展與增強行業(yè)核心競爭力的迫切需要,進而導(dǎo)致大數(shù)據(jù)過分概念化。所以,如何將數(shù)據(jù)應(yīng)用落到實處還需進一步探索。
3.4 提高數(shù)據(jù)平臺融合度
農(nóng)業(yè)、國土、建筑等行業(yè)都在積極采集數(shù)據(jù)、占有數(shù)據(jù)和利用數(shù)據(jù),然而大部分數(shù)據(jù)在各個行業(yè)、機構(gòu)、企業(yè)和政府之間相對獨立,數(shù)據(jù)之間缺少連接,如何讓相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)彼此間自由流通也是土地工程行業(yè)面臨的一個問題。盡早展開土地工程行業(yè)數(shù)據(jù)平臺建立,構(gòu)建包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、存儲技術(shù)、處理技術(shù)、分析挖掘技術(shù)、展現(xiàn)技術(shù)等一體化應(yīng)用平臺,統(tǒng)籌數(shù)據(jù)資源,對土地工程行業(yè)發(fā)展,土地工程學(xué)科建設(shè)具有非常重要的意義。在有了頂層的數(shù)據(jù)平臺后,在清晰的數(shù)據(jù)架構(gòu)框架下,逐步完善各行業(yè)信息化系統(tǒng)。逐步形成數(shù)據(jù)所有者的職責(zé)和權(quán)利、數(shù)據(jù)格式和標準、數(shù)據(jù)建立和變更流程、數(shù)據(jù)使用制度、數(shù)據(jù)安全制度和數(shù)據(jù)銷毀流程等良好的數(shù)據(jù)治理體系。
土壤信息感知技術(shù)、作物信息感知技術(shù)、環(huán)境信息感知技術(shù)、遙感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息處理技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為大數(shù)據(jù)的在土地工程中的應(yīng)用提供了無限可能。數(shù)據(jù)是智慧的加工廠,在土地工程大數(shù)據(jù)人才、設(shè)備、數(shù)據(jù)庫逐步健全的過程中,土地工程行業(yè)補充大數(shù)據(jù)應(yīng)用方向,大數(shù)據(jù)技術(shù)推進土地工程行業(yè)發(fā)展,互利共生的關(guān)系定會使得大數(shù)據(jù)技術(shù)在土地工程中的應(yīng)用前景更加廣闊。
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陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2016KCT-23)