寒地盐碱地监测平台的构建与应用.pdf
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1、农业大数据学报 2023,5(2):122-131 Journal of Agricultural Big Data DOI:10.19788/j.issn.2096-6369.230217 收稿日期:2023-03-18 基金项目:黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZKYF2021-2-A002)作者简介:张海峰,副研究员,研究方向:农业信息系统研发、物联网研发;E-mail:joker_。通信作者毕洪文,硕士,研究员,研究方向:农业信息技术;E-mail:;电话:13603609906。寒地盐碱地监测平台的构建与应用 张海峰1,张宇1,来永才2,郑妍妍1,刘凯2,毕洪文1*1.黑龙江省
2、农业科学院农业遥感与信息研究所,哈尔滨 150086;2.黑龙江省农业科学院,哈尔滨 150086 摘要:盐碱地是国家重要的后备耕地资源,选育寒地耐盐碱水稻品种、开发利用盐碱地是促进粮食增产保障国家粮食安全的重要途径。按照国家“由治理盐碱地适应作物向选育耐盐碱植物适应盐碱地转变,挖掘盐碱地开发利用潜力,努力在关键核心技术和重要创新领域取得突破”的指示精神,国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心针对东北地区盐碱地存在的耐盐碱品种匮乏、耐盐碱栽培技术缺失、盐碱地改良技术体系不完善等系列问题,利用物联网、大数据等新一代信息技术开展协同攻关,构建了集盐碱地气象土壤环境动态监测、寒地水稻表型数据采集、数据可
3、视化展示功能为一体的寒地盐碱地监测平台,实现了种质资源、生物技术、土壤肥料等多学科的信息化融合汇聚工作。本文从平台架构和功能实现角度介绍了寒地盐碱地改良利用的数字化监测方法和关键技术。平台在黑龙江省大庆、佳木斯、黑河等不同积温带进行了应用,结果表明,该平台可以辅助科研人员及时、全面掌握盐碱地块的气象及土壤信息、有效降低环境不利因素影响并形成完备的数据链;平台对不同物候期的水稻种质资源表型性状和产量品质数据进行汇聚加工处理,挖掘种质资源的环境应激反应规律,进而指导盐碱地水稻科研生产工作,为盐碱地资源开发利用提供信息技术支撑。关键词:盐碱地;寒地水稻;物联网;监测平台 引用格式:张海峰,张宇,来永
4、才,等.寒地盐碱地监测平台的构建与应用J.农业大数据学报,2023,5(2):122-131.ZHANG HaiFeng,ZHANG Yu,LAI YongCai,et al.Construction and Application of Monitoring Platform for Saline-alkali Land in Cold Regions J.Journal of Agricultural Big Data,2023,5(2):122-131.Construction and Application of Monitoring Platform for Saline-alkal
5、i Land in Cold Regions ZHANG HaiFeng1,ZHANG Yu1,LAI YongCai2,ZHENG YanYan1,LIU Kai2,BI HongWen1*1.Institute of Agricultural Remote Sensing and Information,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China;2.Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China Abstract:Sa
6、line-alkali land is an important reserve arable land resource in the country.Selecting and breeding salt-tolerant rice varieties in cold regions,and developing and utilizing saline-alkali land are important ways to promote food production and ensure national food security.In accordance with the nati
7、onal guiding spirit of transforming from controlling saline-alkali land adaptation crops to selecting saline-alkali-tolerant plants to adapt to saline-alkali land,tapping the potential for saline-alkali land development and utilization,and striving to achieve breakthroughs in key core technologies a
8、nd important innovation fields,a series of issues 第 2 期 张海峰等:寒地盐碱地监测平台的构建与应用 123 such as the imperfect technical system for saline-alkali land improvement have been addressed through collaborative research using new generation information technologies such as the Internet of Things and big data.A mo
9、nitoring platform for saline-alkali land in cold regions has been built that integrates dynamic monitoring of the meteorological and soil environment of saline-alkali land,collection of phenotypic data of rice in cold regions,and visual display of data,achieving the integration of information techno
10、logy in multiple disciplines such as germplasm resources,biotechnology,and soil fertilizers.This article introduces the digital monitoring methods and key technologies of data collection content for the improvement and utilization of saline-alkali land in cold regions from the perspective of platfor
11、m architecture and functional implementation.The platform has been applied in different accumulated temperature zones such as Daqing,Jiamusi,and Heihe in Heilongjiang Province.The results show that the platform can assist scientific researchers to timely and comprehensively grasp the meteorological
12、and soil information of saline-alkali plots,effectively reduce the impact of adverse environmental factors,and form a complete data chain;The platform aggregates and processes phenotypic traits,yield and quality data of rice germplasm resources at different phenological stages,excavates the environm
13、ental stress response rules of germplasm resources,and guides the scientific research and production of rice in saline-alkali lands,providing information technology support for the development and utilization of saline-alkali land resources.And realizing digital monitoring of saline-alkali-tolerant
14、rice screening and soil improvement in cold regions.Key words:saline-alkali land;rice in cold zone;Internet of Things;monitoring platform 1 引言 盐碱地是东北寒地重要的中低产土壤类型之一,整个东北地区盐碱化土壤总面积约为 298.69 万公顷,按土地盐碱化程度,轻度、中度、重度和极重分别为34.72%、38.96%、18.86%和 7.45%,盐碱地影响作物生长的同时加剧耕地性质的恶化,严重影响国家粮食安全战略1。盐碱地同时也是分布广泛的重要土地资源,开发
15、利用盐碱地是补充耕地、促进粮食增产的重要途径2-4。对盐碱地进行改良和利用,监测和掌握盐碱地的环境变化情况是先决条件,选育耐盐碱作物品种是重要手段。国内外利用卫星遥感技术在大尺度盐碱地监测领域取得了很多科研成果,但是仍然受到技术和成本的限制,没有在东北寒地盐碱地开展集成应用5-7。基于此,国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心(以下简称东北中心)于 2021 年工作部署会议决定,围绕寒地耐盐碱水稻科技创新、盐碱地改良、产业化发展和基础设施建设等方面谋篇布局,面向东北“三省一区”,以保障国家粮食安全为目标,以培育寒地高产、优质、适应性广的耐盐碱水稻新品种为主线,针对黑龙江省寒地盐碱地改良和稻作制过程
16、中水稻表型特征、气象环境、土壤数据、水资源等信息量大、数据密集繁杂、人工采集难度大,以及时效性差、系统性差等问题,根据东北寒地不同区域盐碱地生态特点,设立黑龙江省哈尔滨、大庆、齐齐哈尔、佳木斯、绥化、辽宁省盘锦等监测站,采用物联网、3S(全球定位系统、遥感、地理信息系统)、以及传统地面调查等技术手段,构建集“生态环境-土壤改良-种质创新-栽培技术”于一体的寒地盐碱地监测平台,实现数据的智能分析、集成展示和应用;对物联网监测数据、卫星遥感数据、无人机航拍数据和人工观测数据实现汇聚和处理。科研人员最终通过平台数据指导耐盐碱寒地水稻品种的选育和开展盐碱地土壤改良实验,创新盐碱地改良和耐寒、耐盐碱水稻
17、品种选育数字化新模式,为国创中心寒地耐盐碱水稻创新发展提供科技支撑。2 平台总体设计 2.1 平台架构 平台根据寒地盐碱水稻种质资源创新及新品种选育工作需求,应用“GIS 展示+物联网监测+人工观测调查的实验手段”,建立满足动态扩展需求的数据表结构,采用微服务架构降低平台功能的耦合度,引入minio 分布式存储架构,实现了结构化与非结构化大文件的有机融合管理,平台按照数据的流向和用途分为数据存储层、功能层和服务层(图 1)。2.1.1 数据存储层 平台使用 MySQL 数据库进行结构化数据存储,使用minio管理非结构化数据。MySQL存放水稻品种、气象、盐碱地块的属性数据,数据库包括内容表、
18、物联网设备表、地块表、作物基本信息表、作物生长调查表、作物生长物候期表、农艺性状调查表、产量调查表、土壤调查表和人员表,minio 存储遥感影像、无人机影像以及视频和图片数据,并将数据访问路径反馈至 MySQL 数据库中。分布在各地的物联网系统采 124 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 图 1 平台架构图 Fig.1 Diagram of platform architecture 集到数据后直接上传到物联网厂家的云端平台,用户通过平台只能分时间段进行数据下载,单次下载限制到 10000 条,无法满足数据实时应用和大数据分析需求。因此通过调用物联网监测平台的 REST(表述性状态转移)数据
19、接口获得 JSON 格式的传感器数据,通过解析后存储到本地MySQL数据库中供前端数据展示调用,由于项目每年的监测内容都会有一定的调整,会引入新类型的传感器设备,因此在物联网数据表的设计上模仿 BigTable 云存储技术,单条记录采用传感器类型和值配对的数据描述方式,而不是传统的单条记录承载所有传感器数据值的方式,实现了物联网监测内容的动态扩充性,建库 DDL(data definition language 数据定义语言)如图 2 所示,数据样例如图 3 所示。图 2 传感器可扩充的建表 DDL Fig.2 Data Description Language for expandable
20、sensor types 图 3 数据样例 Fig.3 Data samples 第 2 期 张海峰等:寒地盐碱地监测平台的构建与应用 125 这种数据定义方式在传感器类型扩容和负载均衡方面具有明显的优势,但是对复合条件查询支持较差,因此为了保证人工分析的可读性,可以通过下述以齐齐哈尔为例的SQL语句实现传感器数据行列转换,转换 DDL 如图 4 所示,转换后数据样例如图 5 所示。摄像头监控数据通过萤石云的视频访问接口进行RTMP(实时消息传输协议)视频流调用,由于萤石云属于商业云平台,在免费条件下只有 2 路并发,因此可以在本地有公网 IP 地址和端口开放控制设备的情况下采用GB28181
21、协议,在本地部署开源平台WVP(WEB VIDEO PLATFORM),将视频直接传回到本地媒体服务器并调用,不再受到平台并发限制。Minio分布式对象存储系统通过建立数据框的形式实现各类非结构化数据的存储与管理,单个对象最大支持 5T容量,用于存储体积较大的视频文件、遥感卫星图片和无人机航拍图片,Minio 的文件路径存储到 MySQL服务器数据表中以供使用。图 4 数据还原 DDL Fig.4 Data Description Language of data restoration 图 5 转换后传感器值数据样例 Fig.5 Sample data after conversion 2.
22、1.2 功能层 平台针对耐盐碱品种选育工作需求提供了相应的数据加工管理功能,以及物联网数据的汇聚整合与分析利用、观测数据和地理数据的标准化集成应用功能。平台利用 Nacos 服务管理架构将基本业务功能进行共性抽取并封装成独立服务,实现数据的接口调用。通过 Nacos 将平台的数据调用划分为一组小型服务,每个服务运行在独立进程中,每项服务围绕具体业务进行构建,实现独立部署,降低平台功能的耦合度。功能层主要提供物联网数据微服务、地理数据微服务、观测数据微服务并实现一定程度的业务负载均衡。平台微服务的应用可以很大程度上实现数据业务的独立126 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 性,降低不同类型数据
23、集成所带来的应用复杂度,同时在未来数据量增大时提供动态扩容方案。2.1.3 服务层 服务层主要提供前端监测展示功能和后端科研数据分析处理功能。服务层通过 Nginx 提供高性能 HTTP 访问和反向代理功能,面向用户提供网页访问。服务层的前端对物联网数据、部分人工观测数据、水稻品种、土壤改良技术、成果等内容和一些统计分析结果进行集成展示,对东北中心工作内容、部分实时监测数据和品种技术进行展示。服务层的后端面向科研需求汇聚全部原始数据,按照实验方案提供标准数据上传模板,为实验基地的管理和科研工作提供监测预警服务和数据支撑。2.2 实验数据设计 随土壤盐碱度的增加,水稻生育期延迟、分蘖数下降,每穴
24、有效穗数、成穗率与千粒重呈明显降低趋势,且品种间差异较大。试验环境主要分为盐碱地野外监测试验和盐碱池监测试验。为解决不同生态区的寒地耐盐碱水稻品种需求,项目组在黑龙江省不同积温带选取试验地块,建造盐碱池进行品种选育,盐碱池一般分为三个不同 pH 值的池子,分别为 pH 值 7 左右的参考池、pH 值 8.5 左右的中度盐碱池和 pH9.5 左右的重度盐碱池。盐碱池部署物联网系统进行数据采集和监测,其中池内监测数据包括 pH 值、电导率、土壤含水率、水质、水温和液位。盐碱地野外监测试验点选取大庆市肇源县和杜尔伯特蒙古族自治县的典型原生境盐碱地作为土壤改良和品种选育的实验基地,按照不同的实验功能划
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