鄉村振興背景下數字鄉村“一張圖”設計與實現

高 飛，張愛國，謝曉云，韓 博

(1.黎明職業大學 外語與旅游學院，福建 泉州 362000；2.廈門理工學院 計算機與信息工程學院，福建 廈門 361204；3.福建省自然資源地理信息中心，福建 福州 350003；4.河南省地質局地質災害防治中心，河南 鄭州 450012)

0 引言

2020 年7 月，中央網信辦等七部門聯合印發了《關于開展國家數字鄉村試點工作的通知》，明確了數字鄉村的工作目標，要求積極探索數字鄉村發展的新模式。數字鄉村既是鄉村振興的戰略方向，也是建設數字中國的重要內容[1]。隨著數字鄉村建設的不斷深入，數字鄉村建設逐步從單個鄉村業務的信息化向多個業務協同操作發展，業務更為復雜。目前，數字鄉村各個業務系統間具有較強的耦合性，各系統業務信息碎片化、展示不直觀且很難交互，容易形成信息孤島。隨著現代信息技術的快速融合發展，新技術逐步在數字鄉村建設中得到深化應用，使得農業農村信息化從單項技術的局部應用轉向多元技術的大范圍綜合應用成為可能[2]。

本文以南安市眉山鄉觀山村為例，基于cesium開源地圖引擎框架，利用地理信息系統、計算機、數據庫、虛擬現實等技術構建數字觀山實景三維系統，集成各類鄉村要素，通過數據融合及虛擬化的手段對觀山村進行全要素的“數字化重構”，搭建數字觀山“一張圖”，再現觀山村各類資源時空分布，實現觀山村產業發展、綜合服務、鄉村治理等全方位業務的數字化、可視化，提升鄉村信息化管理水平，全面推進鄉村振興。

1 數字鄉村“一張圖”總體設計

1.1 總體架構

數字鄉村“一張圖”對接智慧城市、數字城市建設標準，以軟硬件網絡運行支撐環境為依托，以數據質量標準、數據安全體系為保障，變業務驅動為數據驅動，構建一個圍繞村情村貌展示、鄉村信息服務、鄉村治理、村民監督參與的觀山村數字鄉村“一張圖”服務平臺[3-5]。平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 數字鄉村“一張圖”總體框架圖

系統基于SOA架構，通過集成融合觀山村各類空間數據和鄉村專題數據構建觀山村數據中心，形成觀山村數字鄉村“一張圖”核心數據庫。采用“微服務”模式實現業務功能模塊的服務化、組件化、定制化管理。從性質和功能上，平臺可劃分為基礎設施層、數據層、服務層和應用層。

(1)基礎設施層是運行支撐環境，包括網絡設備、服務器、安全保障、標準體系等幾個方面。

(2)數據層是整個平臺基礎數據支撐和管理應用基礎，包含不同維度的鄉村基礎信息數據，如電子地圖、三維實景、村莊規劃、房屋實體、土地利用等各種數據，還包含鄉村治理的各類專題數據。利用開源數據庫系統MySQL和文件系統進行管理，從而構建完備的“一張圖”數據體系，是實現數據管理、數據更新、數據應用服務的一體化數據應用服務平臺。

(3)服務層為“一張圖”基礎能力建設，是平臺架構的核心部分，滿足數據資源共享和功能服務的需求。服務層采用RuoYi微服務架構，具有高內聚和低耦合性，降低了平臺建設成本和縮小了建設周期，符合數字鄉村信息化建設實際需求。利用echarts、cesium進行空間數據的渲染和業務數據的可視化管理，為應用層提供服務[6]。服務包括地圖服務、數據分析、數據可視化、用戶權限等服務接口為空間數據和業務數據的查詢、訪問及分析提供基礎，為上層業務應用提供支撐。

(4)應用層是數字鄉村展示與治理的核心應用。應用層基于vue 等前端技術框架結合開源地圖和可視化技術，通過請求后臺服務，進行空間數據渲染和數據可視化分析，并通過展示任務結果與用戶進行交互[7]。主要包括美麗鄉村展示、鄉村信息服務、鄉村治理、現場巡查上報、村民監督參與等功能。

1.2 鄉村數據資源建設

1.2.1 數據資源體系

數字鄉村建設需面向全域、全要素、全空間的鄉村數字化環境，數字鄉村數據資源中心應建立完整的鄉村數字化大數據集，以滿足數字鄉村建設的需要[8]。

數字觀山“一張圖”數據中心借鑒智慧城市、數字城市建設數據組織管理要求，把觀山村范圍的各類地理空間數據和業務專題數據建立在統一的地理空間框架上，通過數據關聯融合將多源異構的地理空間數據和鄉村專題數據信息有效地組織起來，實現海量存儲和集成管理[9]。數據資源體系包括：基礎地理信息數據和鄉村專題信息數據。基礎地理信息數據主要包括影像數據、矢量數據、高程數據、興趣點數據、傾斜攝影數據、三維模型數據等。鄉村專題信息數據主要包括美麗鄉村專題數據、鄉村服務專題數據、規劃數據、鄉村治理專題數據、鄉村部件以及黨建信息等，其中部分鄉村服務數據通過網絡節點資源以爬蟲技術框架實現多源信息的獲取、整合與呈現[8]。

1.2.2 鄉村要素數字化處理

鄉村要素類型多樣，涉及各類多源異構的鄉村數據，包括地形、植物、水體等自然物理實體，還包括氣候、人文活動、鄉村業務等其他要素，復雜的要素也帶來了鄉村數據的龐雜。要想將這些龐雜的數據一體化整合展示，需要對數據生產標準、數據內容等進行一致性處理和數字化建設的重構。鄉村數據的數字化處理包含多源異構數據生產、數據處理、數據構建、數據更新維護等環節，最大限度地體現數據的價值。

首先是不同類型的數據生產，以航空攝影、實地測量、基礎地理信息數據收集或補充生產等多種技術獲取的地理空間數據作為鄉村要素數字化改造的基礎數據，主要包括傾斜攝影數據生產、矢量數據生產、地名興趣點數據采集、影像數據處理等。然后通過網絡數據爬取、多媒體數據收集等其他技術生產或獲取的數據在數據標準化的基礎上，對不同數據進行數據清洗、完整性檢查、去重、一致性轉換、空間化處理等操作，使得數據在同一空間基準下，能夠實現空間融合，達到建庫標準[10]。最后是數據構建和更新。處理流程如圖2所示。

圖2 鄉村要素數字化處理流程

1.2.3 數據融合

(1)多源異構數據的匯聚處理

多源異構數據匯聚就是將各種不同的數據信息進行匯聚綜合。由于觀山村各類數據來源、格式等各不相同，因此需要對各類數據進行標準化處理，以實現數據匯聚與共享。首先依據數字泉州地理空間框架建設相關的地理數據規范，對匯聚之后的多源異構數據進行時間和空間維度的分析，并進行統一的標準化處理和唯一的編碼標識。然后將觀山村各類數據按不同的數據類型制定地理數據規范模板并嵌入到數據標準體系中，構建了觀山村信息化數據生產技術體系。該體系規范和約束數據生產、檢查、清洗和轉換的各個環節，確保數據生產質量[11]。

(2)二三維空間數據融合

通過對傾斜攝影數據單體化處理與信息掛接、位置信息空間化等方式將帶有空間標識的屬性數據進行空間化處理，建立統一地理實體編碼體系實現多源、異構數據的空間融合。利用與觀山村傾斜攝影數據對應的二維矢量面為用戶提供對象的單體化表達，實現傾斜攝影模型與二維矢量面之間的二三維一體化聯動。結合專題應用需要，實現各類數據的空間信息與屬性信息以及空間對象之間的匹配關聯和動態互訪[12-14]。

1.2.4 數據組織管理

由于數字鄉村業務復雜，數據來源、類型、格式等各不相同，考慮鄉村數據現狀及未來信息化建設的漸進過程，利用開源數據庫管理軟件MySQL對關系型和非關系型數據進行數據庫結構設計，數據庫設計按照數字城市相關建設要求，統一規劃、分階段實施。數據庫建設采用邊建設邊應用、動態擴展的模式建設，使未來新增的數據能不斷滾動積累，新增數據通過簡單處理即可入庫、可視化和應用。同時考慮數據庫的擴展需要，確保數據的動態更新與業務應用的可持續性[15]。

根據觀山村現有數據情況，按數字城市數據中心建設的有關技術標準規范對各類空間數據和鄉村專題數據進行收集、整理、重組、融合等處理，并按照統一的建庫標準入庫集中管理。空間數據和非空間數據分開存儲，通過相關特征(空間碼)進行關聯和約束，實現數據間的動態互訪。數據按分層分類管理，形成包含有基礎地理數據庫和專題數據庫的鄉村資源數據中心，實現數據瀏覽、查詢檢索、更新等功能[11]。

1.3 數字鄉村“一張圖”功能設計

1.3.1 美麗鄉村

以二三維地理信息數據為底圖框架，集成鄉村各類專題數據，如自然資源、房屋、人口、鄉村部件、鄉村業務等數據，構建美麗鄉村綜合展示可視化大屏。可視化大屏以各種維度專題圖、關鍵指標、業務關聯分析、數據分析等方式，展示觀山村新農村建設示范成果和鄉村特色，為社會公眾了解觀山、暢游觀山、掌握觀山的美麗變化提供平臺[16-17]。

1.3.2 鄉村數字治理

鄉村數字治理是一個業務互聯互通、數據共建共享、人人協同的鄉村數字化治理平臺。平臺匯聚各類鄉村業務數據，通過數據分析和可視化展示為鄉村建設治理決策提供及時、準確、詳實的依據。同時開發鄉村治理隨手拍APP，建立數字化的“戶情體檢表”和“村情體檢表”，使數據管理更精細，業務治理更精準。村民通過隨手拍深度參與鄉村治理過程，形成村民集體身份認同和多元共治的鄉村治理格局，提升了鄉村治理信息化、數字化、智能化和精細化水平。

1.3.3 智慧黨建

平臺集成黨員、黨組織、黨建資訊等相關信息。通過數據整合、數據分析和信息可視化實現黨員信息管理、黨組織活動管理、黨建宣傳教育管理等。平臺建立信息推送機制，通過黨建相關信息實時推送，讓觀山村黨員第一時間了解黨情、民情，改變了傳統信息傳遞滯后，到達率低等弱點，提高了信息傳遞的時效性和資訊的閱讀率。

1.3.4 移動端隨手拍

移動隨手拍是基于移動互聯技術，以數字鄉村“一張圖”平臺為基礎，以村民參與鄉村治理為業務引線，開發實現的鄉村業務信息采集、上傳與發布功能的移動端APP。其主要功能包括數據協同、實時位置服務、現場數據采集、信息回傳等。村民利用隨手拍，主動發現和核實問題實時上報，及時反饋鄉村建設實際情況，解決了村民無法深度參與鄉村建設和及時獲取鄉村建設相關信息的問題，真正實現鄉村自治、共治和共享[15]。

1.3.5 鄉村服務

平臺集成公共服務信息、益農服務信息、惠民政策、鄉村旅游服務信息等各類數據資源，如村莊文化、村規民約、市場信息、農業資訊、環境監測信息等，通過各類數據的信息化、可視化呈現，建設多樣的數字服務產品，采用信息推送的方式為鄉村居民提供便捷的信息服務，實現鄉村各類信息的數字化服務。同時設計預留數據接口和功能服務接口，確保平臺在多源數據接入和其他系統功能接入的靈活性，后續可基于現有標準對平臺數據和系統功能進行優化。數據接口可方便將各類地理信息數據和鄉村業務專題數據無縫接入。功能服務接口可對接省、市、縣以及基層服務平臺與網站，根據鄉村業務實際，快速接入各類服務，如在線辦事、政策查看等服務，實現不同系統間的應用集成[9]，避免重復建設與投入。同時平臺建設要圍繞鄉村業務實際，充分考慮平臺的應用擴展和功能擴展，方便后續業務擴展和平臺升級[18]。

2 關鍵技術及“一張圖”實現

2.1 多源數據集成技術應用

觀山村數字鄉村“一張圖”數據中心集成了各類空間數據和各類專題信息數據，涉及矢量、影像、地形、模型和圖文視頻類多媒體等數據，數據來源不同、類型多樣。為了提高數據管理的效率，減少數據間通信的復雜性，更好的將各類數據有機地集成起來，需要統一權限管理，即對角色權限、數據權限和業務權限的統一管理，用戶僅可以使用權限內對應的業務功能和數據，提升了系統的安全性，為數據共享提供了權限支撐[6，19]。結合WebGIS技術，影像和矢量數據是直接調用省市天地圖數據服務中的WFS和WMS作為底圖，利用開源數據庫MySQL和文件庫系統管理觀山村范圍的地形數據、傾斜攝影數據、村莊規劃數據、土地利用現狀和房屋確權數據等相關業務專題數據，實現對多源數據進行匯聚綜合。對于匯聚之后的多源異構數據，采用時間和空間維度的分析，通過數據清洗、去重、轉換等處理，并對數據進行唯一的編碼標識，建立空間實體對象與屬性數據的關聯關系，構建了觀山村數據資源“一張圖”數據中心，實現了二三維空間數據、規劃數據、土地利用數據、人口數據和鄉村業務屬性數據等各類數據的集成和聯動[3]。

2.2 “一張圖”集成可視化

通過數據可視化技術實現對多源、異構、實時動態數據的可視化表達[17]，包括空間數據可視化和數據空間可視化。空間數據可視化是指大場景多源異構數據的二三維一體化可視化表達，通過對數字鄉村空間中的點、線、面各空間要素在二三維場景中的快速構建與符號化表達，應用二三維空間數據可視化特效，真實再現數字鄉村各要素對象的時空分布[13]。數據空間可視化是指包含空間位置信息的屬性數據或能夠掛接空間實體對象的信息的可視化表達，如動態圖表、大數據分析展示、圖表聯動、信息交互等，通過數據建模和數據挖掘方法，挖掘數據資源價值，直觀展示美麗鄉村、重點產業、發展趨勢等時空信息，實現對鄉村業務數據的科學精準統計與動態分析，并利用動態圖表進行展示[7，20]。系統基于cesium平臺建立二三維地理空間框架，結合echarts數據可視化插件對各類屬性數據進行動態圖表可視化展示，通過空間碼進行關聯掛接和疊加展示分析，形成數字鄉村“一張圖”全要素、全信息可視化展示大屏，為鄉村治理工作提供決策依據和技術支撐。可視化效果如圖3所示。

圖3 “一張圖”集成可視化效果

2.3 基于“微服務”模式應用

由于數字鄉村建設內容繁雜，業務需求變更較快，且項目采用邊建設邊使用的模式，傳統的單體架構會導致代碼重用率低，程序開發效率低下，系統維護難，業務間耦合性較高，系統擴展性較差[21]。而微服務架構通過服務將業務功能模塊組件化和服務化，將數字鄉村復雜的業務功能拆分為顆粒度更小、能夠重復利用的服務，各個微服務獨立開發、方便部署和維護，服務之間相互調用，協同完成業務任務，微服務架構在一定程度上解決了上面的問題[22]。

本系統采用RuoYi微服務架構作為數字鄉村“一張圖”平臺后端系統的整體框架。RuoYi微服務架構系統適合快速迭代開發，業務間耦合性低，易于擴展和維護。根據觀山村數字鄉村業務需求，對鄉村業務中的數據、功能和權限進行拆分和重組做成一個個微服務交給注冊中心進行服務注冊，并由Spring Boot Admin 服務框架進行統一管理和監控，提供服務調用、服務檢測等功能。這樣我們就把系統的需求模塊分解成了用戶管理、數據分析服務、數據可視化服務、人口管理、房屋管理、土地管理等業務功能模塊服務等。

2.4 基于移動互聯和位置服務的鄉村治理模式

觀山村是一座具有800多年獨特歷史文化積淀的名村，是泉州市“美麗鄉村建設”試點示范村。近年來，觀山村積極探索 “村莊+互聯網”的數字鄉村治理模式，運用現代信息技術，建立鄉村數字基底，不斷提升鄉村治理效能和服務管理水平，實現鄉村治理模式的創新。數字觀山“一張圖”是在三維實景場景中集成了土地、房屋、人口、鄉村部件等各類專題信息，建立統一的人口信息庫、房屋信息庫和土地信息庫，以“空間碼”為鏈，將人口、房屋、土地、鄉村部件等進行掛接關聯，形成“人—房—地”一體化關聯數據檔案，結合數據分析和可視化等技術，快速直觀展示區域整體動態，實時、全面掌握村情村務信息，實現資源優化配置、村莊規劃、房屋整治等數字化治理解決方案[2]。

基于位置服務技術，配合拍照、攝像、通訊等功能對鄉村治理與環境保護中發現的問題進行數據采集、取證，并通過網絡實時上傳。管理人員審核后現場核實給出處理意見并進行信息公開，從而建立鄉村治理主體多元化、治理過程信息化、治理結果公開化、村民共同參與的鄉村治理信息化監管體系[23]。村民通過“隨手拍”APP實時獲取和反饋各類信息，深度參與鄉村治理，突破了時空限制，提升了鄉村認同感。觀山村空間數字化治理平臺匯聚各類空間數據、管理數據、統計報表等，實現了鄉村治理的精準定位、精細管理、精心服務，為鄉村治理的決策管理提供有力支撐。最終形成美麗觀山共建、共治、共享的鄉村治理格局。隨手拍情況如圖4所示。

圖4 村民共治隨手拍

3 總結

以鄉村數據資源整合為出發點，分析了觀山村現有數據資源“一張圖”數據模型和業務功能需求，基于開源地圖引擎框架，構建了數字觀山“一張圖”，初步形成了數字鄉村建設體系相適應的“一張圖”平臺體系架構[24]。由于觀山村信息化程度較低，數據資源不夠豐富，僅就收集到的數據進行集成、融合，構建了美麗觀山、數字鄉村治理、鄉村服務等幾個應用場景，在觀山村數字治理、數字服務方面進行了一定的探索和研究，取得了階段性成果。總體上，數字觀山“一張圖”極大的改善了觀山村信息化水平，對鄉村數字管理的精細化、數字化、可視化具有重要的研究和應用價值[25]。下一步將深入研究實現高級GIS分析功能、大數據算法等，充分挖掘數據價值，賦能數字經濟應用，推進數字觀山“一張圖”與農業農村各領域深度融合應用，為鄉村發展提供信息化、智慧化的大數據平臺。