基于衛(wèi)星遙感的天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘要：文章簡(jiǎn)要分析了天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)管理中存在的主要問題，提出了基于衛(wèi)星遙感的天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)，包括平臺(tái)總體架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)等系統(tǒng)架構(gòu)，利用Spring Cloud"Alibaba的微服務(wù)架構(gòu)，建設(shè)包括數(shù)據(jù)管理中心、數(shù)字化決策平臺(tái)、數(shù)字應(yīng)用場(chǎng)景等系統(tǒng)功能模塊，通過基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警、作物種植分布監(jiān)測(cè)、成熟度預(yù)估、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、農(nóng)事管理、項(xiàng)目監(jiān)管、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田監(jiān)管一張圖等功能。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；遙感；高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田；監(jiān)管；平臺(tái)

中圖分類號(hào)：F301.24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

為貫徹落實(shí)我國(guó)《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》《全國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃（2021—2030年）》《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于學(xué)習(xí)運(yùn)用“千村示范、萬村整治”工程經(jīng)驗(yàn)有力有效推進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興的意見》等一系列文件精神，用信息化、數(shù)字化賦能高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)，綜合利用地理信息、農(nóng)業(yè)信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及遙感影像、遠(yuǎn)程監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)施設(shè)備，為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田“投、建、用、管、還”提供信息化、智能化服務(wù)[1]。

1 "現(xiàn)狀問題分析

《全國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃（2021—2030年）》提出，到2030年全國(guó)要建成0.8億hm2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，以此穩(wěn)定保障0.6萬億kg以上糧食產(chǎn)能。《天津市推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化“十四五”規(guī)劃》提出，到2025年新建改造提升高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田6.67萬hm2。《天津市鄉(xiāng)村建設(shè)行動(dòng)實(shí)施方案》要求，到2027年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)投入提高達(dá)到3 000元·667m-2。《天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)總體規(guī)劃（2021—2030年）》提出，到2030年全市累計(jì)建成高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田30.87萬hm2，累計(jì)改造提升高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田3.27萬hm2。目前，天津市已累計(jì)建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積26.43萬hm2。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)階段天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目建設(shè)和維護(hù)仍以傳統(tǒng)的管理方式和手段為主，主要存在以下問題：

（1）農(nóng)田底圖底數(shù)不清。天津市耕地及農(nóng)田資源管理比較分散，農(nóng)田底圖底數(shù)掌握不全面、不及時(shí)、不準(zhǔn)確，跨層級(jí)、跨部門、跨業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，未實(shí)現(xiàn)貫通共享。

（2）項(xiàng)目監(jiān)管模式傳統(tǒng)。表現(xiàn)為農(nóng)田建設(shè)選址條件與改造提升需求信息不對(duì)稱，農(nóng)田建設(shè)選址、立項(xiàng)、實(shí)施、驗(yàn)收等全程監(jiān)管有待加強(qiáng)。

（3）管護(hù)機(jī)制不健全。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)后，管護(hù)措施和管護(hù)手段薄弱，后續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和跟蹤督導(dǎo)機(jī)制不完善。

（4）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能仍有待提高。高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)后，生產(chǎn)管理方式仍較為粗放，良種良法、病蟲害防治、智慧灌溉等農(nóng)業(yè)新技術(shù)應(yīng)用不足，直接影響到高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目建設(shè)效益的發(fā)揮。

2 "平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)管理需求，建設(shè)基于衛(wèi)星遙感的天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門提供高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)一體化監(jiān)管服務(wù)，解決建設(shè)過程中監(jiān)管難、項(xiàng)目建成后期管護(hù)難、已有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析難等問題，推動(dòng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)管理從粗放模式向精細(xì)管理、科學(xué)決策模式的轉(zhuǎn)變。

2.1 " 平臺(tái)總體架構(gòu)

平臺(tái)總體架構(gòu)采用B/S三層架構(gòu)。技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循Spring Cloud Alibaba微服務(wù)架構(gòu)和理念，

采用分層設(shè)計(jì)體系架構(gòu)，充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延續(xù)性。平臺(tái)總體架構(gòu)見圖1。

2.2 " 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)采用Spring Cloud Alibaba架構(gòu)。Spring Cloud是分布式微服務(wù)架構(gòu)下的一站式解決方案，是各個(gè)微服務(wù)架構(gòu)落地技術(shù)的集合體，利用東方通TongWeb7的開發(fā)便利性，簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊(cè)、配置中心、消息總線、負(fù)載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等，做到一鍵啟動(dòng)和部署功能。技術(shù)架構(gòu)主要應(yīng)用Gateway網(wǎng)關(guān)服務(wù)、Nacos注冊(cè)中心服務(wù)、遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)、移動(dòng)端小程序開發(fā)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)[2]。平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)見圖2。

3 "平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田一體化綜合監(jiān)管服務(wù)為目標(biāo)，利用云計(jì)算、衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)、人工智能等實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)信息資源“上云入庫(kù)”，以“1+1+3”為框架，縱觀全局進(jìn)行整體規(guī)劃，著力打造“1”個(gè)農(nóng)田數(shù)據(jù)管理中心、“1”個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田數(shù)字化決策平臺(tái)和“3”個(gè)農(nóng)田數(shù)字應(yīng)用場(chǎng)景。平臺(tái)基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過AI智能分析，實(shí)現(xiàn)作物種植分布監(jiān)測(cè)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、作物產(chǎn)量預(yù)估、作物成熟度預(yù)估、非糧化監(jiān)測(cè)和土壤墑情監(jiān)測(cè)等功能，為各類農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)警及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理提供數(shù)據(jù)支撐。平臺(tái)功能設(shè)計(jì)見圖3。

3.1 " 數(shù)據(jù)管理中心

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田數(shù)據(jù)管理中心匯聚農(nóng)田主體、生產(chǎn)、環(huán)境、病蟲害、質(zhì)量安全等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為數(shù)字化決策平臺(tái)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)底座，推動(dòng)形成全覆蓋、業(yè)務(wù)協(xié)同、上下聯(lián)動(dòng)、信息共享的平臺(tái)發(fā)展格局。

3.2 " 數(shù)字化決策平臺(tái)

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田數(shù)字化決策平臺(tái)通過土壤改良、節(jié)水節(jié)肥減藥、病蟲害綠色防控、生態(tài)保護(hù)等農(nóng)藝技術(shù)與數(shù)字化平臺(tái)的緊密結(jié)合，構(gòu)建科學(xué)統(tǒng)

一、層次分明、結(jié)構(gòu)合理的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)體系，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田高質(zhì)量建設(shè)、高效率管理、高水平利用，為農(nóng)田升級(jí)改造提供技術(shù)支撐。數(shù)字化決策平臺(tái)的主要特點(diǎn)為：一是數(shù)據(jù)綜合查詢。數(shù)字化決策平臺(tái)面向高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目管理人員，提供數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)管理等功能，支持高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田相關(guān)數(shù)據(jù)管理與查詢。二是高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)監(jiān)管一張圖。數(shù)字化決策平臺(tái)匯聚衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、灌溉信息數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、土壤墑情數(shù)據(jù)等信息數(shù)據(jù)，提供集灌溉、種植監(jiān)測(cè)等信息于一體的決策一張圖，輔助管理人員進(jìn)行決策[3-6]。

3.3 " 數(shù)字應(yīng)用場(chǎng)景

一是利用大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)技術(shù)，基于不同作物物候特征、圖像紋理表現(xiàn)特征，構(gòu)建相適應(yīng)的深度學(xué)習(xí)模型，利用遙感＋氣象技術(shù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、作物歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)等信息，建設(shè)農(nóng)田數(shù)字化應(yīng)用，提供作物種植分布監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)、農(nóng)情與病蟲害監(jiān)測(cè)、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、作物產(chǎn)量預(yù)估及農(nóng)田記事等。二是基于深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，提供數(shù)據(jù)采集工具，通過對(duì)主要數(shù)據(jù)采集分析，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建、運(yùn)、維、管的高效管理，提供非農(nóng)非糧監(jiān)測(cè)、建設(shè)過程監(jiān)管及巡田管護(hù)機(jī)制。三是建設(shè)農(nóng)田運(yùn)營(yíng)應(yīng)用，引入創(chuàng)新技術(shù)，提供土地流轉(zhuǎn)服務(wù)、農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)、訂單農(nóng)業(yè)及農(nóng)文旅應(yīng)用服務(wù)[4]。

4 "系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 " 功能實(shí)現(xiàn)

結(jié)合天津市已有的農(nóng)業(yè)信息化成果，以網(wǎng)絡(luò)分析和大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用新一代信息技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)信息平臺(tái)，開發(fā)建設(shè)基于衛(wèi)星遙感為核心的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)區(qū)域的項(xiàng)目監(jiān)管、種植監(jiān)測(cè)及可視化展示。平臺(tái)底層基于J2EE環(huán)境開發(fā)，利用Spring Cloud Alibaba的微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯處理和系統(tǒng)安全控制，結(jié)合遙感技術(shù)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用國(guó)密算法對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密脫敏，最終將各類結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的長(zhǎng)效監(jiān)管及服務(wù)。

4.1.1 "病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警 "結(jié)合遙感、氣象和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等多種技術(shù)手段進(jìn)行作物病蟲害爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析或作物發(fā)病定局預(yù)測(cè)；基于衛(wèi)星遙感基礎(chǔ)底圖，進(jìn)行疊加分析、緩沖區(qū)分析等空間挖掘，形成相應(yīng)的作物病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)警地圖，對(duì)各種作物病蟲害預(yù)警提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)。平臺(tái)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警示例圖見圖4。

4.1.2 "作物種植分布監(jiān)測(cè) "利用多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，反演相關(guān)植被指數(shù)，利用融合環(huán)境大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，基于不同農(nóng)作物物候期特征、圖像紋理表現(xiàn)特征等，構(gòu)建適應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物種類的識(shí)別和分類，計(jì)算與統(tǒng)計(jì)具體作物的實(shí)際種植面積以及分布，為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田作物種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃提供依據(jù)。平臺(tái)以水稻為例的分布監(jiān)測(cè)圖見圖5。

4.1.3 "農(nóng)田記事管理 "平臺(tái)提供農(nóng)事操作規(guī)程、農(nóng)事操作提醒、農(nóng)事操作記錄等服務(wù)，指導(dǎo)提醒農(nóng)戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)開展農(nóng)事操作，實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)戶作業(yè)情況，農(nóng)戶可實(shí)時(shí)查看物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息，保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)均一性。平臺(tái)農(nóng)事管理示例圖見圖6。

4.1.4 "項(xiàng)目監(jiān)管 "平臺(tái)面向高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田執(zhí)法監(jiān)管部門及監(jiān)理單位提供本區(qū)域的項(xiàng)目申報(bào)、信息填報(bào)、項(xiàng)目管理、資金管理、流程管理、數(shù)據(jù)查詢等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容信息和數(shù)據(jù)管理的明細(xì)化。平臺(tái)項(xiàng)目監(jiān)管示例圖見圖7。

4.1.5 "高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田監(jiān)管一張圖 "針對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目庫(kù)建設(shè)，以數(shù)字地球框架為基礎(chǔ)，將高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目庫(kù)落到時(shí)空一張圖上，以時(shí)間、空間等維度實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目庫(kù)信息一張圖的展示與瀏覽查詢、統(tǒng)計(jì)分析。平臺(tái)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田監(jiān)管一張圖示例圖見圖8。

4.1.6 "高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田基礎(chǔ)資源一張圖 "平臺(tái)匯聚衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)、智慧灌溉信息數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、土壤墑情等物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，提供集灌溉信息、種植監(jiān)測(cè)信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、病蟲害預(yù)警、氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與一體的綜合決策地圖，輔助管理者全面掌握高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田農(nóng)作物的種植動(dòng)態(tài)。平臺(tái)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田基礎(chǔ)資源一張圖示例圖見圖9。

4.2 " 安全管理

天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)將按照信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，符合商用密碼應(yīng)用安全要求，由專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)安全等級(jí)測(cè)評(píng)和商用密碼應(yīng)用安全性評(píng)估。等級(jí)測(cè)評(píng)的范圍主要包括平臺(tái)的物理環(huán)境、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、安全管理制度和操作人員等。商用密碼應(yīng)用安全性測(cè)評(píng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T39786-2021《信息安全技術(shù) 信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用基本要求》進(jìn)行評(píng)估。從平臺(tái)安全可靠性、使用維護(hù)方便程度、可集成擴(kuò)展性以及應(yīng)用開發(fā)支持等方面考慮，將平臺(tái)部署在電子政務(wù)云，保證云主機(jī)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及中間件均達(dá)到安全可靠標(biāo)準(zhǔn)[7]。

天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田信息化監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)建設(shè)可有效降低人工工作量，提升工作效率，提高工作質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目全過程、多維度、精細(xì)化監(jiān)管，結(jié)合高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的資金管理和績(jī)效管理，確保項(xiàng)目建設(shè)各階段備案管

理信息化、規(guī)范化，同時(shí)可對(duì)接全國(guó)農(nóng)田建設(shè)綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管平臺(tái)，滿足農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的數(shù)據(jù)填報(bào)及上報(bào)要求。在項(xiàng)目建設(shè)管理的逐級(jí)上報(bào)過程中，整合天津市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目管理，有效把控項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息填報(bào)情況，確保數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤和前后數(shù)據(jù)矛盾等問題的出現(xiàn)[5]。

參考文獻(xiàn)

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