基于云架構的自然資源動態遙感監測監管系統設計與研究

劉發發　熊曉峰　劉飛　焦利偉

摘 要：本研究以云架構分層模型為基礎，積極遵循開放式設計、集中化服務、云計算支撐等先進理念，建立統一的多業務監測監管模式，通過系統搭建，實現監測圖斑、預警信息、響應反饋的統一收集、統一推送、統一核查、統一反饋、統一管理，為自然資源的科學開發利用提供基礎支撐。

關鍵詞：云平臺;自然資源;監測監管;數據共享

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境因素的總和，是人類生存和社會可持續發展的物質基礎，也是我國社會經濟可持續發展的基本保障[1]。我國作為自然資源大國，但人均自然資源相對稀缺，同時，開發利用又涉及諸多紛繁復雜的利益關系，要實現經濟發展和生態保護共贏，現時還要將自然資源擺在重要戰略地位參與國家宏觀調控[2]。因此，積極加強自然資源監管力度，科學、合理地開發利用自然資源成為現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，建立統一的多業務監測監管系統，將自然資源各類業務工作涉及動態監測監管的各類事項進行集成整合，達到監測圖斑、預警信息、響應反饋等通過監測平臺統一收集、統一推送、統一核查、統一反饋、統一管理的目標，為自然資源的動態監測監管以及合理化的開發利用提供科學決策[4-5]。

1 業務流程設計

自然資源動態遙感監測監管以周為頻次，涉及多個業務，本研究業務流程設計如下。

一是省衛星應用技術中心從部國家衛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，進行監測圖斑地類判別和管理信息套合;三是監測數據整理入庫，同步共享給各業務支撐單位;四是根據變化圖斑和套合信息進行綜合研判，提取調查監測、耕地保護、用途管制、生態修復、執法監督、礦山保護監督、地質勘查管理等業務監測圖斑;五是各業務監測圖斑整理入庫，同步分發給處室局、市、縣及基層所;六是鄉所工作人員和四級網格員進行實地核實，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 系統技術路線

2.1 系統總體架構設計

針對自然資源數據管理以及信息化的特點，以云架構的模式劃分為四層體系[6]：Iaas（基礎設施層）、Daas（數據服務層）、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層基于自然資源數據管理以及開發利用的需求，聚合集成各類與自然資源空間相關的，構建包括現狀、規劃、管理等空間數據、日常管理產生的非空間數據及非結構化數據的平臺數據庫。Paas層主要實現應用支撐，包括數據服務、功能服務等。Saas層面向用戶提供各種模塊功能。

2.2 關鍵技術

2.2.1 云服務技術。系統的穩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，避免出現資源閑置或資源緊張的情況，本系統建設將運用云服務技術，實現服務器資源的按需分配，實現系統資源利用率最大化。

2.2.2 基于框架的系統架構。采用面向服務架構（SOA）的設計思想，構建包含標準體系、應用體系、數據體系、安全體系、基礎設施體系等的集成框架，基于層次化設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設計，保障系統的安全、穩定、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協議傳輸數據，簡化系統設計，便于本系統與其他系統的對接，提高系統的開放性，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調整技術。為提供數據讀取效率，系統采用分布式技術架構。對自然資源大數據采用分布式處理方式，將數據均勻分布到多個數據庫節點中，實現橫向方面的擴展，減小每個數據庫節點的數據量，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、版本化等優點的非關系型數據庫，平臺采用HBase分布式數據庫。平臺采用Memcached（高性能的分布式內存對象緩存系統）緩存模式開發，支持Memory、Redis、Memcached等多級緩存模式，充分利用內存中緩存數據資源和操作對象，減少客戶端讀取數據庫服務器的次數，從而大大降低Web應用對數據庫的負載，從而提高系統運行的速度[9]。

2.2.4 基于規則引擎及流程搭建的ETL數據關聯技術。系統采用規則引擎技術，將各種軟件組件嵌入程序中，并通過執行復雜的算法優化計算資源的使用。當用戶客戶端提交數據或者對象觸發規則引擎時，為實現應用的快速響應，平臺通過規則引擎來調用相應的規則，觸發響應應用程序的相關指令。

2.3 系統運行環境設計

2.3.1 系統框架搭建。系統采用Django框架進行搭建，將數據模型與數據庫解耦，利用其與Python語言的緊密聯系的特性，實現強大的數據庫功能。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計，實現數據查詢、修改等基礎操作。Django模板注冊后可以通過后臺對該模板數據進行操作，更加方便快捷地管理后臺。

2.3.2 系統部署設計。基于云環境，將專題匯總數據、專題圖件成果、分析成果、數據產品在私有云數據中心進行多形態一體化存儲，實現成果目錄和元數據管理[10]。通過云計算引擎，構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，構建數據服務和交換服務的開放式數據服務能力，包括在線地圖服務、數據分發服務、信息查詢服務、資源目錄服務和數據交換服務;通過云服務引擎，構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 系統數據庫設計

數據存儲層主要包括業務庫、共享庫、元數據庫等[12]。業務庫主要存儲各業務監測圖斑ID、所屬行政區、監測面積、套合基本農田面積、審批面積等信息。共享庫主要存儲各業務舉證上傳的照片、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。元數據主要包括數據內容、空間位置、覆蓋范圍、表示方式、數據質量、管理方式、數據的所有者、數據提供方式等有關的信息，實現元數據與數據的關聯維護[13]。

3 應用示范

3.1 自然資源多業務監測

自然資源動態遙感監測監管系統目前已開展8項業務監測。系統功能主要包括管理信息數據智能套合、業務表單填報、監測監管預警、核查進度統計分析、省市縣鄉四級用戶通知響應、移動端實地核查等。

在業務方面，一是實現國土資源利用結構變化監測，通過對三大地類、重點地類變化情況進行監測，掌握全省各地類現狀情況，對于流量異常地區進行預警;二是實現耕地和基本農田監測，針對全省耕地、基本農田、補充耕地變化情況進行監測分析，發現全省耕地增加和減少原因，以及永久基本農田動土情況;三是實現城鄉建設用地增減掛鉤項目審批核查監管，針對項目拆舊區進行監測，確保增減掛鉤項目審批結果的真實性、準確性，對發現的問題圖斑，及時下發市縣進行舉證核實;四是實現產業集聚區土地利用情況監管，主要對批準用地情況、供后利用情況進行監測;五是實現礦山開發利用監管，針對露天礦山、生產礦山、歷史遺留礦山實施常態化遙感監測;六是實現自然生態環境監測監管，追蹤重大生態修復工程，圍繞近期開展的南太行地區山水林田湖草生態保護修復、黃河流域生態保護等重大生態修復工程，實施生態修復效果遙感監測監管;七是實現地質災害監測，重點監測隱患點位置、分布輪廓、發育條件、災險情等信息;八是實現季度執法監測，省季度執法監測與部季度衛片監測相結合，互為補充，拾遺補缺，保障自然資源疑似違法用地監測全覆蓋[14]。

3.2 多業務監測數據共享

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

4 結語

本研究以自然資源全業務監測監管為中心，基于云架構設計理念進行自然資源動態遙感監測監管系統搭建，形成基于自然資源專網的數據共享及數據生產系統、基于互聯網的多業務集成監測監管系統、基于移動終端的實地核查系統，以微服務的方式提供給省、市、縣以及鄉所，一次舉證、多場景應用，大大減輕基層工作量。通過系統建設，充分利用高新技術手段提升自然資源治理能力和治理體系現代化，嚴格落實自然資源管理和生態環境保護責任，促使自然資源從被動修復變為主動保護，將各類自然資源違法問題消滅在萌芽狀態。

參考文獻：

[1] 鄭麗.自然資源的利用與可持續發展[J].國土與資源研究，2002（1）：9-10.

[2] 范延平，吳洪濤，鄧頌平，等.面向SOA的國土資源綜合信息監管平臺架構設計與實現[J].國土資源信息化，2010（6）：29-36.

[3] 方從剛.信息技術支撐下的國土資源監管技術體系研究與應用[J].城市地理，2015（7X）：80-81.

[4] 自然資源部.自然資源部信息化建設總體方案[EB/OL].（2019-11-15）[2022-01-02].http：//www.mnr.gov.cn/dt/ywbb/201911/t20191125_2483426.html.

[5] 自然資源部.自然資源調查監測體系構建總體方案[Z].（2021-01-17）[2022-01-02].http：//dkj.ah.gov.cn/public/7031/40401561.html.

[6] 李佳臨，于志剛，林洋.基于多云架構的“自然資源云”管理平臺研究與實踐[J].國土資源信息化，2020（3）：15-21.

[7] 張學利，王志輝，宋震，等. 基于云平臺的自然資源資訊信息共享系統[J].科研信息化技術與應用，2018（9）：64-70.

[8] 劉恒飛，王洪昌，劉禹鑫.自然資源智慧監管平臺關鍵技術研究與構建[J].測繪與空間地理信息，2020（z1）：76-79.

[9] 赫瑞.基于空間大數據、云計算技術的省級自然資源空間基礎信息平臺架構設計[J].河北省科學院學報，2020（3）：9-14.

[10] 潘柳.基于自然資源云的地質災害監測預警平臺設計[J].網絡安全和信息化，2020（9）：65-67.

[11] 徐世亮.基于私有云架構的江西“自然資源云”建設實踐[J].信息與電腦，2020（16）：4-7.

[12] 李琪，高翔.自然資源空間數據庫設計概述[J].國土資源，2019（4）：50-51.

[13] 許大璐，彭瑞，陳進，等.基于私有云的自然資源與地理空間綜合信息庫設計[J].測繪地理信息，2019，44（2）：45-48.

[14] 趙峭立.調查監測監管全覆蓋深化應用服務全方位：河南探索自然資源動態遙感監測監管新模式[J].資源導刊，2021（6）：22-23.