農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用框架及關鍵技術

彭秀媛++周國民

摘要：農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型進行分析和決策的重要參數(shù)。經(jīng)調查，目前農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型運行缺少農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)支持，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)成為越來越不可忽視的重要資源，因此考慮搭建一座農(nóng)業(yè)應用與農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)之間的橋梁，集成共享基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集的環(huán)境數(shù)據(jù)以滿足農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型的需求。針對實現(xiàn)過程中存在的集成、共享、實現(xiàn)設計等方面的問題，采用面向對象分層設計思想，提出了農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享應用框架，基于該框架低成本地實現(xiàn)分散的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享和一站式在線數(shù)據(jù)服務與應用。該研究具有理論價值和實際意義，同時也為其他類型的農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)共享應用提供借鑒。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)；共享；在線API服務；數(shù)據(jù)代理；元數(shù)據(jù)庫；元數(shù)據(jù)模型

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0192-03

農(nóng)業(yè)不可須臾離開農(nóng)業(yè)環(huán)境，沒有農(nóng)業(yè)環(huán)境條件就沒有最基本的農(nóng)業(yè)。本研究所指的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)包括土壤、農(nóng)用水、農(nóng)田大氣、農(nóng)作物等相關數(shù)據(jù)，它們是農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型進行分析和決策所需的重要參數(shù)。目前農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型運行缺少農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)支持，農(nóng)業(yè)科研過程中使用的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)中的農(nóng)田大氣部分一般從省、國家級氣象中心獲得，存在獲取數(shù)據(jù)元素單一、時效性差、獲取途徑少等問題，其他農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)元素一般通過自行架設數(shù)據(jù)平臺或者數(shù)據(jù)購買等方式獲取。雖然百度API Store中提供了包括中國天氣數(shù)據(jù)集市、全球天氣等15個氣象數(shù)據(jù)的在線API服務[1]，但遵循各自的API服務調用模式，且更傾向于氣象數(shù)據(jù)，包含部分生活相關氣象信息，對農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)涵蓋不全，在線API調用也受訪問次數(shù)、購買套餐使用期限等限制[2]。

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展以及國家對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的推動，物聯(lián)網(wǎng)的應用研究已深入到農(nóng)業(yè)科學研究的方方面面，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控設備也層出不窮，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的使用量逐年上升[3-4]。目前，應用于設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的設備較多，應用于大田生產(chǎn)的設備量也逐年增加，且隨著設備使用范圍不斷擴大，該部分數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)覆蓋面積逐年上升，數(shù)據(jù)監(jiān)測項逐年增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在遼寧地區(qū)應用的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺有20多個，此類平臺擁有的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)已經(jīng)成為不可忽視的重要資源。

因此，考慮搭建一座農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)應用之間的橋梁，集成共享基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集的環(huán)境數(shù)據(jù)來滿足農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型的需求。但實現(xiàn)過程中須解決以下問題：（1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)具有天然的在線特性，數(shù)據(jù)以數(shù)字格式存儲，但基本是獨立進行分析，很少進行共享或者與其他數(shù)據(jù)集進行融合使用；（2）基于物聯(lián)網(wǎng)技術采集的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)常歸屬于不同的組織，且其采集的數(shù)據(jù)元素、接入方式、數(shù)據(jù)格式、時間間隔等方面均不同；（3）農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)、模型采用的應用程序與數(shù)據(jù)庫緊密連接的開發(fā)方式，使得針對某個數(shù)據(jù)源開發(fā)的應用系統(tǒng)對另一個數(shù)據(jù)源并不可用，并且數(shù)據(jù)僅能夠內部使用，這就導致了由于需求而產(chǎn)生的重復開發(fā)工作，同時也縮小了應用系統(tǒng)的應用覆蓋范圍。同時考慮由于研究方法的轉變以及多種快速發(fā)展技術的相互融合，科學數(shù)據(jù)體量已經(jīng)十分龐大，對科學數(shù)據(jù)更須要自動分析和共享[5]。因此本研究提出農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享應用框架，低成本的實現(xiàn)分散的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)集成共享和一站式在線數(shù)據(jù)服務與應用，進一步發(fā)揮農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的價值，進一步突出農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)對農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要作用。本研究具有理論價值和實際意義，能為其他類型的農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)共享應用提供借鑒。

1農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用框架

通過分析能夠提供在線API數(shù)據(jù)服務的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)特點、共享與應用的需求，提出基于在線API數(shù)據(jù)服務的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用框架，采用面向對象分層設計思想，圖1中該框架適用于集成數(shù)量多、更新頻繁并且不可預知用戶查詢需求的數(shù)據(jù)集成共享應用需求。

框架基于MVC設計模式，采用面向服務（SOA）架構，由服務提供者、服務請求者、服務代理者通過HTTP、XML、SOAP、UDDI、WSDL等基本W(wǎng)eb服務組件協(xié)同工作，其工作原理如圖2所示。服務請求者即GIS系統(tǒng)、模型、農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)等，可以通過站點訪問模式獲取選擇范圍內所有監(jiān)測點中所需數(shù)據(jù)元素，也可以通過空間訪問模式獲取被選地理空間范圍內的所有監(jiān)測點中所需數(shù)據(jù)元素。服務代理即數(shù)據(jù)代理中間件[6-7]，其接受服務請求，從定位的數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)標準化為中間數(shù)據(jù)格式，進一步進行集成等數(shù)據(jù)處理操作，最后將數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)請求者，中間件隱藏數(shù)據(jù)提供方數(shù)據(jù)庫之間的異構，且對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫不作任何更改。服務提供者即異構的環(huán)境數(shù)據(jù)庫，通過REST接口提供Restful風格的數(shù)據(jù)在線API web service服務，并定期匯交本地數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)[8]。

2農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用框架關鍵技術

2.1數(shù)據(jù)代理中間件

數(shù)據(jù)代理中間件主要功能是智能定位和訪問透明接入[9]。數(shù)據(jù)代理中間件基于元數(shù)據(jù)庫面向客戶端提供可見數(shù)據(jù)目錄，并根據(jù)該目錄及用戶需求智能定位目標數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)驅動基于REST接口使用本地數(shù)據(jù)庫理解的接入方式透明訪問目標數(shù)據(jù)庫，并從數(shù)據(jù)庫中獲取可用數(shù)據(jù)，當有多個目標數(shù)據(jù)庫時可同時獲取，并將返回數(shù)據(jù)依據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)模型進行標準化，如須數(shù)據(jù)融合則根據(jù)圖3所示流程進行數(shù)據(jù)融合，之后將數(shù)據(jù)提供給共享應用端進行可視化顯示。

所有的應用程序和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫之間通過中間件進行連接，這樣即使添加新的數(shù)據(jù)庫，通過為該數(shù)據(jù)庫開發(fā)1個數(shù)據(jù)驅動并插入中間件，就能非常容易地將該數(shù)據(jù)源加入到該異構體系中，不須要對異構數(shù)據(jù)庫進行任何的更改[10]，也不須要對現(xiàn)有的應用作任何修改；而且即使數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)了新的元數(shù)據(jù)元素，通過匯交元數(shù)據(jù)并更新農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型，即可實現(xiàn)對新元數(shù)據(jù)元素的擴展。

2.2元數(shù)據(jù)庫

元數(shù)據(jù)庫存儲的是數(shù)據(jù)代理中間件支持的所有數(shù)據(jù)源端匯交上來的元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)匯交工作是由每個數(shù)據(jù)源端的REST接口進行的，它定期搜集數(shù)據(jù)源端元數(shù)據(jù)并依據(jù)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)模型進行標準化后匯交到元數(shù)據(jù)庫進行全局統(tǒng)一管理。

2.3農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型

參考農(nóng)業(yè)科技核心元數(shù)據(jù)標準（ASTICM）[11]，從實際應用角度設計農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型，分為資源描述信息、核心信息、引用信息3個部分（圖4）。

其中，資源描述信息用于描述1個農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)集的相關信息。引用信息主要由使用者在使用時產(chǎn)生，核心信息是模型的中心內容，其中元數(shù)據(jù)元素和標志信息定義如表1所示，表中元數(shù)據(jù)元素為當前常用的全部元素，關聯(lián)信息采用RDF/OWL進行描述，構建元素間語義映射關系，面向語義實現(xiàn)實例化的本地元數(shù)據(jù)與其他外部元數(shù)據(jù)、全局元數(shù)據(jù)的連接，同時也便于元數(shù)據(jù)元素的擴展。

元數(shù)據(jù)模型的制定過程實質是一個不斷完善、進步的過程，現(xiàn)有模型只是依據(jù)當前應用而設計，隨著技術的發(fā)展、新需求的產(chǎn)生、實踐的反饋，模型的修訂和維護工作將持續(xù)進行。

3結語

本研究提出了農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用框架，為農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)共享應用提供了新的解決方案。該框架整合分散的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)共享應用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、模型建設應用中，解決部分數(shù)據(jù)處理工作，并加速農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、模型的建設周期。該框架中元數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)代理中間件以及控制邏輯方面的靈活性、可擴展性為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、模型在線應用打下了基礎。共享的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)可采用基于Web系統(tǒng)、基于地理信息系統(tǒng)、封裝為插件等共享應用模式進行應用。下一步工作中，筆者將搭建實證研究環(huán)境，評估該框架模型的性能并進行優(yōu)化，并基于該思想進一步開展農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)與作物數(shù)據(jù)集成應用等研究。

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