赫銀峰， 羅奇， 高陽， 劉玖芬

(1.中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心，新疆 烏魯木齊 830026； 2.中國地質調查局應用地質研究中心，四川 成都 610036； 3.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193； 4.中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心，北京 100055)

0 引言

2019年10月，關于做好自然資源要素綜合觀測工作的函指出，要按照自然資源生態(tài)系統的整體性把握其發(fā)展變化的內在規(guī)律，解決認識自然生態(tài)變化規(guī)律、預判發(fā)展趨勢的基礎數據支撐能力不足的問題[1]。目前，森林、草原、水、土等自然資源數據分散在自然資源部、國家林業(yè)和草原局、水利部、中國科學院等多個部門，由于各部門自成體系，相互間觀測內容和指標、數據結構和標準均不統一，缺乏有效的共享機制，數據壁壘、信息孤島現象較為嚴重，自然資源相關數據融合難、共享難的問題較為突出[2-6]。一方面，已有的數據難融合； 另一方面，擬建的自然資源要素綜合觀測網的觀測站結構復雜，觀測設備門類眾多，指標體系和數據傳輸復雜，質量和運維管理難度大。因此，建立統一的數據管理、應用、服務一體化平臺迫在眉睫。

1 自然資源一體化平臺建設關鍵問題

目前，我國對自然資源要素長期、連續(xù)、全面、綜合立體式的觀測研究站網尚沒有系統設計與部署，生態(tài)脆弱區(qū)和關鍵生態(tài)功能區(qū)的長期科學觀測數據尤為缺乏，我國在認識自然生態(tài)變化規(guī)律和預判發(fā)展趨勢等方面面臨數據支撐不足的問題。由于我國自然資源實行分頭管理，各部門間缺乏有效的融合機制，數據共享程度極低，多源異構數據融合難、共享難的問題比較突出。此外，在科研成果轉化服務方法技術和路徑方面，各門類模型難整合問題也較為明顯。鑒于此，本文從以下3個方面討論了自然資源一體化平臺建設中存在的關鍵問題。

(1)數據支撐不足問題。數據集成是數據管理中心的重要基礎。主要通過大數據中心對自然資源要素觀測站裝備終端數據進行統一接入管理、統一歸集和統一標準化處理，以供模型服務及業(yè)務應用系統分析使用[7-8]。自然資源要素綜合觀測一體化平臺大數據中心子系統的建設，會提高數據集成能力，有效解決自然資源觀測數據嚴重不足的問題。

(2)多源異構數據融合、共享難問題。多源數據融合是異構數據整合與標準處理的有效手段[9-10]。通過建設自然資源要素綜合觀測一體化平臺，統一整合標準，集成數據資源統計分析和知識發(fā)現的機器學習算法，對信息資源進行主題化匯聚和知識化分析，提高數據開發(fā)利用的完整性、真實性和時效性，可有力解決多源數據融合難、共享難的問題。

(3)各門類模型難整合問題。綜合分析應用是智能分析決策的重要支撐[11-12]。自然資源要素綜合觀測一體化平臺模型云中心系統通過數學模型服務化，構建了一套基于“云端”的模型服務平臺，集成了土壤、水文、大氣、資源承載力等模型，整合了大數據、機器學習等人工智能算法，打造了一套集各類自然資源空間結構分析、承載力適宜性評價、作用機理、耦合平衡等服務于一體的模型計算平臺，可進行統一權限認證、統一管理任務、統一調配資源。

2 自然資源要素綜合觀測一體化平臺建設

一體化平臺建設在自然資源要素綜合觀測體系總體框架下搭建，通過集成青藏高原、黑河流域、黃河流域3個試點項目的觀測數據，融合內外多源數據，開展數據匯聚、管理、分析和應用，實現對自然資源觀測數據等自然要素的數字化、信息化和專業(yè)化管理，更好地為自然資源自然要素的統一監(jiān)控和綜合分析研究提供依據。該平臺是一項涉及范圍廣、技術要求高、專業(yè)性強的系統工程，必須與自然資源觀測要素的數據標準和質量管理等統籌考慮規(guī)劃。在實施前，應首先統一規(guī)劃好系統建設的主要內容、需要實現的功能以及基礎平臺與各子系統之間的關系，然后根據各個子系統實現的難易程度和重要程度分步實施，逐步將各中心或系統集成為統一的一體化平臺。在設計時，應采用先進的物聯網、大數據、GIS等技術來進行基礎平臺的建設，確保項目建成后成為國內領先的監(jiān)測運行決策管理集成平臺。在框架設計中，應充分注重功能的實用性，考慮不同層次用戶的需求，操作方便，操作界面直觀，最好采用圖形化的方式來引導用戶進行相關查詢與處理。此外，應對已有的常用數據提供接口導入，實時采集的數據也能及時導入。

2.1 總體邏輯框架

在深度調研國內外數據管理規(guī)范和觀測網數據結構、數據質量控制方法、數據平臺功能和界面的基礎上，自然資源綜合調查指揮中心在承擔自然資源要素綜合觀測數據集成與應用服務項目過程中，初步提出了自然資源要素綜合觀測一體化平臺設計的總體框架。

2.1.1 體系建設

在標準規(guī)范體系建設方面，主要制定了自然資源要素綜合觀測信息資源采集與應用的標準和規(guī)范，包括自然資源要素數據標準規(guī)范和目錄、交換體系數據和接口標準。運行維護體系是自然資源要素綜合觀測一體化平臺正常運行的重要保障，建立平臺運維體系，可使運維管理工作規(guī)范化、科學化，提高平臺建設單位運維管理的成熟度，確保運維服務的質量，保障業(yè)務的可持續(xù)性。安全支撐體系是保證信息資源安全的重要基礎，本研究從物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全和數據安全5個層面使用技術手段構建了安全支撐體系，并建立了責權分明的安全管理制度。

2.1.2 主體架構

自然資源要素綜合觀測一體化平臺云服務主要包括基礎設施云(Infrastructure-as-a-service，IaaS)、自然資源要素綜合觀測大數據中心(Data-as-a-service，DaaS)、應用支撐平臺(Platform-as-a-service,PaaS)和應用層(Software-as-a-service,SaaS)4個層面[13](圖1)。

基礎設施云包括計算資源、存儲資源、網絡資源和針對土壤、水資源、大氣等要素的監(jiān)測終端。其中部分終端與專職部門、科研院所已有項目合作共建或共享，部分根據需求自主籌建。自然資源要素綜合觀測大數據中心包括基礎支撐數據庫、自然資源要素基礎數據庫、自然資源要素專題數據庫和系統維護數據庫，且數據中心的數據都是經過加工整理的，是自然資源要素數據的權威數據源。自然資源要素綜合觀測大數據中心采用關系型數據存儲和分布式存儲相結合的方式，滿足自然資源要素綜合觀測數據的存儲要求。針對大量的物聯網觀測數據，擬采用時序數據庫提供高性能讀寫、低成本存儲、強計算能力和多生態(tài)支持等多種能力。應用支撐平臺包括二維和三維GIS引擎、模型云、物聯網中心管理平臺和數據中心管理平臺。通過這些基礎的軟件，支撐上層應用系統建設。應用層構建門戶展示系統和分析評價系統，可實現自然資源要素綜合觀測數據的展示和分析評價等功能。

圖1 自然資源要素綜合觀測一體化平臺總體框架圖

2.2 主要功能模塊

自然資源要素綜合觀測一體化平臺初步實現了自然資源數據“采集—加工—儲存—分析—共享”的流程化處理，自然資源觀測數據在處理過程中可以通過虛擬地圖輔助研究與管理，推進自然資源要素綜合觀測的圖文一體化工作，保證客戶端的實用性和高效性。一體化平臺根據功能可分為三維大屏展示終端和分析與管理系統(圖2)。

圖2 自然資源要素綜合觀測一體化平臺管理系統

2.2.1 三維大屏展示終端

三維大屏展示終端模塊主要包括一體化平臺、物聯網中心、大數據中心、模型云中心、成果中心和科普園地6個模塊，如圖3所示。

圖3 自然資源要素綜合觀測一體化平臺三維大屏展示終端

一體化平臺為大屏顯示進入后的默認界面，可綜合展示各類自然資源要素的專題圖層、存儲當量和空間分布情況，并且能夠支持用戶自定義框選，顯示范圍內各類自然資源要素隨年份的變化情況。

物聯網中心能實現與自然資源監(jiān)測和觀測相關的所有設備的聯網展示，包括觀測站點、實驗室設備等。在物聯網中心，用戶能夠直觀看到全國各個自然資源要素觀測臺站的分布、實驗室的分布、觀測設備的運行情況以及與三級觀測臺站之間的關系，點擊觀測站(實驗室)或者觀測站圖標，就能進入虛擬三維場景中查看各個實驗室設備(或觀測站)的情況。

大數據中心可顯示自然資源調查監(jiān)測和觀測數據，包括數據總量、各類自然資源數據、自然資源使用情況、各省自然資源利用率等信息。

模型云中心主要進行全國自然資源相關模型庫模擬成果的展示，每個模型按照不同區(qū)域分區(qū)進行對應展示。選擇后能夠針對某一區(qū)域的調查評價成果進行展示，實現某一區(qū)域模型的模擬計算成果展示。

成果中心可展示系統所有的統計信息，包括一體化中心、物聯網中心、大數據中心以及模型云中心的一些數據。

科普園地主要進行自然資源相關知識的普及和展示，對社會公眾進行科普，顯示內容包括文字介紹、圖片、視頻等信息，介紹環(huán)境日、海洋日、土地日、測繪日、地球日等一些重要節(jié)日的信息。

2.2.2 分析與管理系統

自然資源要素綜合觀測分析與管理系統以服務數據分析、模型構建及科學研究等相關工作為主，主要包括綜合展示、系統管理、數據管理、綜合分析、成果展示和科普知識管理。

綜合展示主要對一體化平臺中心模塊內容進行界面演示，綜合展示各類自然資源要素的專題圖層、存儲當量和空間分布狀況； 系統管理主要包括菜單、用戶、角色和權限管理； 數據管理主要對測站基礎數據和實驗室分析數據進行清洗、加工、預處理； 綜合分析主要通過構建不同自然資源模型，利用基礎觀測數據對自然資源數量、質量和耦合作用過程等內容進行綜合分析和評價； 成果展示主要展示自然資源觀測基礎數據和專題成果圖等； 科普知識管理主要包括對科普文章、視頻、圖片等科普資料的管理。

自然資源要素綜合觀測一體化平臺，能夠對資源要素的觀測數據進行整合，具體步驟為基礎觀測數據經由物聯網匯集到自然資源數據中心，經過數據中臺的加工與規(guī)范，上傳至模型云中心，最后進行計算。隨著后續(xù)自然資源綜合要素觀測一體化平臺的完善、全國資源區(qū)觀測站的建立以及與同科研院所已有觀測網的進一步合作，數據通道將進一步打通，目前首批試點地區(qū)觀測數據已上線運行，初步實現了自然資源要素觀測項目的數字化、信息化、專業(yè)化及數據共享服務，更好地為自然資源要素統一管理和綜合分析提供了依據。

2.3 特點及優(yōu)勢

自然資源要素綜合觀測一體化平臺采用面向服務體系的微服務架構風格，以成熟的J2EE中間件及組件庫作為系統搭建的基礎，將Java作為平臺運行的核心語言，支持跨平臺(Windows/Linux/Unix)部署。在數據存儲層面，采用自主研發(fā)的數據訪問中間件對主流數據庫進行訪問，包括但不限于 Oracle/MSSQLSERVER/Postgresql/DB2等數據庫。基于平臺微服務架構，具備以下特點[14-20]。

(1)方便易用。自然資源要素綜合觀測一體化平臺系統直觀簡潔，幫助信息豐富，針對輸入項目的特點對輸入順序進行專門定制，可保證操作人員以最快速度和最少擊鍵次數完成工作，具有易于理解掌握、操作簡便、提示清晰、邏輯性強等特點。

(2)可靠穩(wěn)定。各環(huán)節(jié)具備故障分析與恢復和容錯能力，并在安全體系建設、復雜環(huán)節(jié)解決方案和系統切換等各方面考慮周到、切實可行。建成的系統安全可靠，穩(wěn)定性強，能把各種可能的風險降至最低，從而保障一體化平臺系統7×24 h不間斷的穩(wěn)定運行。

(3)靈活、可擴展。采用開放式的系統軟件平臺和模塊化的應用軟件結構，提供配置模塊和客戶化工具，確保系統可靈活地擴充其他業(yè)務功能，并可與其他業(yè)務系統進行無縫互連。

(4)技術先進成熟。采用先進、成熟的軟件開發(fā)技術和系統架構，如面向對象的設計方法、可視化的面向對象的開發(fā)工具、基于層次分解的業(yè)務邏輯設計、面向服務的軟件體系架構、基于HTML5的富客戶端技術以及基于瀏覽器架構的純WEB的解決方案等。

(5)整體化和完整性。數據由采集、存儲、整理、分析到提取、應用的整體化，實現數據錄入存儲的事務化和完整性，同時各模塊之間能實現數據共享，互聯互通，清晰體現內在邏輯聯系，且數據之間相互關聯，相互制約。

(6)安全保密。一體化平臺系統設計把安全性放在首位，在各個層次對訪問都進行了控制，設置了嚴格的操作權限。同時，選用可靠的產品與技術，在系統出現異常時，具有應變能力和容錯能力，確保系統安全可靠。此外，對某些信息資源的使用要進行一定的權限劃分，并對信息系統的運行情況進行實時監(jiān)控。

(7)信息共享。對信息資源考慮有條件、分層次的共享，使信息既得到充分、有效的利用，又符合內部信息的保密要求，前提是所有相關信息能導入現有通用軟件。

3 自然資源要素綜合觀測一體化平臺建設實踐

一體化平臺建設實踐中，以自然資源要素綜合觀測數據集成與應用服務項目為依托，通過集成青藏高原自然資源要素綜合觀測、黑河流域自然資源要素綜合觀測和黃河流域自然資源要素綜合觀測3個試點項目的數據，初步實現了多源數據的融合及綜合分析應用。

3.1 數據集成

目前，自然資源要素綜合觀測一體化平臺已接入野外觀測站點20余個，集成了青藏高原、黑河流域、黃河流域3個試點項目觀測數據，以及全國大部分地區(qū)月平均降水、月平均溫度、風速、土地覆蓋等自然資源相關數據2.7 TB，實現了首批數據上線服務和應用共享。其中，廣東省林業(yè)科學研究院對“全國自然資源要素綜合觀測一體化平臺”進行研討試用后，便邀請自然資源要素綜合觀測團隊加入廣東林業(yè)生態(tài)監(jiān)測科技創(chuàng)新聯盟建設； 山東黃河三角洲國家自然保護區(qū)管理委員會證實“土壤溫濕鹽自動觀測數據”為保護區(qū)內土壤和植被綜合治理與規(guī)劃提供了很好支撐； 祁連山國家公園青海省管理局評價《黑河流域自然資源要素綜合觀測試點項目數據成果》為區(qū)域自然資源綜合科學管理、規(guī)劃、生態(tài)保護等提供了有力支撐。

3.2 多源數據融合

按照“團結協同自然資源系統內外各單位觀測和研究力量，共同做好自然資源要素綜合觀測工作”的要求，通過調研農田、森林、草原、沙地、海洋等多種資源生態(tài)系統觀測站，全面認識了全國野外觀測站建設現狀，編制了《自然資源要素綜合觀測數據標準(初稿)》和《自然資源要素綜合觀測數據采集指南(初稿)》，統一了多源數據整合標準，集成了數據資源統計分析和知識發(fā)現的機器學習算法，對信息資源進行了標準化采集、主題化匯聚和知識化分析，提高了數據開發(fā)利用的完整性、真實性和時效性。

3.3 模型加載應用

在一體化平臺系統中，通過集成西藏自治區(qū)雅魯藏布江、拉薩河、年楚河等流域水文、氣象、水資源等觀測數據，初步構建了雅江流域自然資源要素綜合模型，研究探索了水、土壤、氣象、植被等自然資源多要素相互耦合的作用關系，為西藏自治區(qū)自然資源科學管理與調配提供了支撐。此外，通過收集2018年年度草地資源分布、年度平均溫度、地表水分指數、光合有效輻射等數據，搭載全國草地載畜量模型，計算獲得了2018年全國草地資源載畜量，為科學確定放牧強度、避免超載放牧及草地資源精準管理提供了支撐。

4 結語與展望

自然資源要素綜合觀測一體化平臺與國內不同行業(yè)、部門觀測站(網)進行了深入對接，探索了自然資源觀測數據融合機制和模式，統一了數據標準，實現了多源異構數據有效銜接，有效彌合了資源管理工作中的“短板”。

進一步建立科學的數據質控體系，研究開發(fā)數據質量控制自動化技術，保證觀測數據采集、傳輸、共享全生命周期的質量標準，仍然是解決質量監(jiān)控難題的重要方向。此外，仍需深入研究自然資源要素的時空演變稟賦，分析不同資源要素之間的相互影響關系，自然資源要素觀測數據綜合應用平臺還應加強GIS空間分析技術應用，構建針對不同資源要素和屬性的專業(yè)輔助分析決策模型。