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      關于國際國內物聯網技術在自然資源相關領域應用情況的調研報告

      來源:自然資源部測繪發展研究中心 時間:2021-07-14 14:42:05 打印: 分享到:

      物聯網是利用信息傳感設備,通過互聯通訊網絡進行信息傳輸交換,實現對目標要素的智能化識別、定位、監控以及管理等,是新一代信息技術的高度集成和綜合運用,有利于提升信息獲取精準度和交流效率,促進生產生活和社會管理方式向智能化、精細化、網絡化方向轉變,對于提高綜合信息化水平、促進產業結構調整和發展方式轉變、推進國家治理能力現代化等具有重要意義。物聯網的發展在自然資源精細化管理中有很高的潛在價值。因此,測繪發展研究中心調研了國內外物聯網在自然資源領域的應用現狀和相關工作,現將其整理,供決策參考。

      一、國外物聯網在自然資源領域應用發展現狀

      (一)美國

      美國作為物聯網技術的倡導者和先行者之一,憑借其在互聯網時代積累起來的在芯片、軟件、互聯網和高端應用集成等領域強大的技術優勢,大力推進射頻識別技術(RFID)、傳感器和機器對機器通信技術(M2M)等應用,物聯網產業發展已經取得顯著成效。200811月,IBM公司發布了《智慧地球:下一代領導人議程》,提出“人類將實現智能基礎設施與物理基礎設施的全面融合,實現IT與各行各業的深度融合,從而以科學和智慧的方式對社會系統和自然系統實施管理”。200812月,奧巴馬向IBM咨詢了智慧地球有關細節,并就投資智能基礎設施對于經濟的促進效果進行了研究。

      生態領域。2011年,美國啟動大陸尺度國家生態觀測站網絡計劃,研究從區域到大陸尺度的重要生態問題?!熬W絡計劃”基于傳感器網絡和衛星遙感技術,部署了一個由約15000個傳感器和若干個空間衛星節點組成的“天地一體”觀測網絡,在今后至少30年內為科學家大范圍收集土壤、水、植物以及小型哺乳動物等500類生態環境數據,供土地利用和碳匯監測等工作分析使用。

      農業領域。1966-2014年,美國先后出臺了6項與農業信息化相關的法律法規和發展計劃,為“智慧農業”及其產業鏈條的發展提供了良好的政策環境和財政支持。20世紀80年代,美國率先提出“精確農業”的構想,為“智慧農業”奠定了良好的發展基礎。智慧農業是借助農業物聯網及大數據分析,利用紅外成像系統、衛星、生物量地圖系統、使用產量監控器、GPS、耕種區域地圖、耕種作物種類和植物種群信息、大數據分析平臺等,實現了農產品全生命周期和全生產流程的數據共享及智能決策。此外,美國有100多個信息收集處,每天匯總分析并發布全美各類農業信息;大量農業基礎數據是公開的資源,行業壁壘低,加之農場主對技術服務尤其對基于大數據的決策支持的迫切需求,使大數據公司層出不窮且呈蓬勃發展之勢。AGRI-COLA、AGRIS、Preview等多個強大數據庫及物聯網科技等創新成果給美國“智慧農業”及其產業鏈條的發展提供了優越的科研資源和技術條件。

      海洋領域。美國國防部高級研究計劃局于2017年推出海上物聯網(SIoT)項目,通過成千上萬個小型、低成本的智能漂浮傳感器,收集艦船、飛機和海洋生物在該海域活動的狀態信息,并通過衛星網絡進行云端存儲和實時分析,進一步提升美軍的海洋持續態勢感知能力。同時也對海底資產以及其他海底環境數據實時監測,監測參數包括溫度、設備磨損狀況、陀螺儀位置、加速度計讀數等??ㄌ亓漳群Q竽翀雠cNOAA科研機構合作開展了海洋物聯網項目,利用海軍海洋氣象自動裝置(NOMAD)浮標,自動收集并傳輸各種海洋數據,評估環境影響和優化農業作業。2017年,在NOMAD平臺上增加了“圖像流細胞機器人”潛水裝置,利用機載顯微鏡和機器視覺分析水中的顆粒,監測有害藻類的大量繁殖。

      林業領域。蘭卡斯特大學管理學院的Edward Truch教授于20182月發布《智慧公園》報告,指出利用物聯網技術,通過Smart Earth NetworkAPP共享軌跡和觀察數據,協助公園護林員保護脆弱物種保護和發現入侵物種,為游客和露營者提供所在地惡劣天氣實時警報等重要求生信息,構建信息實時交互的網絡系統。

      (二)日本

      日本政府高度重視物聯網,發展物聯網起步較早。2000年以來,日本政府先后發布了e-Japan2000-2005)”、“u-Japan2006-2010年)”戰略、“ICT維新愿景2.02010-2020年)”和“i-japan戰略(2015,有力地促進了物聯網發展。通過實施這些戰略,日本推動了物聯網在遠程監測、車聯網以及災難應對等方面的應用,整體技術水平居世界前列。

      日本通過綜合使用RFID、紅外感應、無線局域網等技術,構建了自成體系的物聯網/泛在網絡,在作物監測與保護、產品追溯等多個方面開展實際應用。鳥(獸)害對策支持系統”可輔助農民驅趕野生動物,防止農作物遭野生動物破壞或啃食;產品追溯系統可實現對農林產品流通管理和個體識別等。

      農業領域。日本一直把發展高效農業作為發展本國農業信息技術化的重要目標。2004年,日本總務省發布的u-Japan計劃提出,到2020年農業物聯網將達到580億至600億日元規模,農業云端計算技術的運用占農業市場的75%。此外,日本政府還計劃在10年內以農業物聯網為信息主體源,普及農用機器人,預計2020年農用機器人的市場規模將達到50億日元[1]。目前,日本主要由日立等大型科技公司牽頭研發農業物聯網技術,開展農業物聯網設備研制,并借助協會和政府力量在農業生產過程中進行推廣與應用,如智能大棚利用物聯網技術,通過建立無線網絡,連接監視攝像頭、土壤傳感器、日照傳感器、氣溫傳感器、二氧化碳排放傳感器等設備,最終傳輸到控制終端或數據終端[2]。

      能源領域。2016年,日本政府綜合科技創新會議發布《能源環境技術創新戰略2050》,強調要利用大數據分析、人工智能、先進的傳感器和物聯網技術構建一系列智能能源集成管理系統,以實現對建筑、交通和家庭用電信息的實時監測、采集和分析,從而實現對用戶用電情況實時性、全局性和系統性地遠程調控、優化管理,實現“管理節能”和“綠色用能”[3],以實現2050年全球溫室氣體排放減半和構建新型能源體系的目標。

      (三)澳大利亞

      澳大利亞于2016年發布《國家網絡安全戰略(修訂版)》,部署物聯網經濟發展戰略,保障物聯網合理健康發展,提高物聯網設備安全性、降低政府IT系統供應鏈風險等。昆士蘭州的詹姆斯·庫克大學與華為合作,在凱恩斯市的實驗室研發了最新一代的窄帶物聯網(NB-IoT)應用;思科在珀斯和悉尼分別設置了創新中心,研究物聯網在農業、宇航、資源和智慧城市等產業領域的應用。澳大利亞組建了衛星物聯網,通過布局衛星平臺,創建實時、全天候直接到軌物聯網的全球平臺,實現超低成本、可擴展的物聯網,提供全球級的物聯網服務。澳大利亞物聯網初創公司Myriota的商業衛星已搭乘SpaceX公司獵鷹”-9火箭發射入軌,補充了現有的衛星星座,同時引入終端前向鏈路,未來將建成能夠為數以億計的物聯網設備提供直接到軌通信的物聯網絡。

      生態領域。基于物聯網、自動觀測、融合地面和遙感觀測,構建了生態觀測研究網絡(TERN)。

      海洋領域。澳大利亞海洋科學研究所AIMS與物聯網初創公司Myriota合作,監測位置、洋流、海洋表面水溫和氣壓等海洋信息。

      礦業領域。建設了礦山物聯網系統及完善的產業鏈生態體系,開展了Mining3、Caving2040等遠景規劃。

      農業領域。推進深度融合物聯網、云計算、移動互聯等現代信息技術的智慧農業,安裝測定風力、風向、濕度等參數的各類傳感器,開展田間糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、果園生產不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面,實現信息傳輸解讀共享并實時了解農田狀況,提供種植、灌溉、施肥、防害和收割作物的決策支持。

      水資源領域。昆士蘭州政府計劃建設覆蓋面積超過1300平方公里的LoRaWAN物聯網網絡,用于連接數字水計量、廢水管理系統從而滿足公園和田地的用水需求。LoRaWAN安全可靠,在水計量應用中可降低水務管理成本,并能及時檢測漏損等問題。

      畜牧業領域。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)和新英格蘭大學合作推出了基于物聯網的智能農場試點建設,建設占地2800公頃的Kirby智能農場,布置大量傳感裝置,監測農場的空氣溫度、牲畜移動等情況,通過智能農場信息平臺,每5分鐘形成一張數字地圖以供決策幫助和支持,達到提高畜牧業生產力、降低人工成本、提高生產效率和水平的效果。此外,還基于物聯網開發了畜類肉信息跟蹤追溯系統,實現產品溯源,保障食品安全。

      (四)加拿大

      加拿大在阿爾伯塔省卡爾加里市建立了“智能社區——智能公民”項目,即構建基于開放標準的智能城市傳感器物聯網絡[4],用于空氣質量監測和分析,提高人們對地理空間數據和工具的認識。

      二、我國物聯網在自然資源領域應用研究現狀

      生態領域。我國生態系統觀測和研究網絡始建于20世紀80年代,主要包括中國科學院的生態系統研究網絡(CERN)、林業部門的森林生態系統研究網絡(CFERN)以及農業部門的農業生態系統觀測和研究網絡。其中,中國科學院利用1988年開始籌建的CERN,目前已擁有分布于全國各主要生態類型區的36個生態站(包括農、林、草、濕地、荒漠等生態系統類型)、5個學科分中心和1個綜合中心,構建了中國陸地生態通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)。2012年在禹城觀測站探索基礎上,建成了禹城市農業信息服務平臺和農作物遙感監測網絡,構建了基于物聯網技術的高效計量節水灌溉系統,探索形成了“四節一網兩增”現代農業模式。2013年,中科院、科技部聯合河北、山東、遼寧和天津實施國家重大科技支撐計劃項目——“渤海糧倉科技示范工程”,其中在山東省無棣縣萬畝試驗示范基地研發了“智慧稻草人”農業物聯網平臺,可以自動采集、傳輸濕度、鹽度等土壤信息。2016年,CERN啟動了國家重點研發計劃“生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示范”。2016年,欒城農業生態系統試驗站通過互聯網連接河北農業大數據、物聯網服務中心、種子站、供銷社,開展了“互聯網+智慧農業技術等試驗研究。

      林業領域。國家林業部門從20世紀60年代開始組織中國林業科學研究院和林業大學等單位,逐步建立了CFERN,目前擁有29個森林生態站和多個生態定位監測站,構成了林業生態環境效益監測網絡。其中,中國林科院亞林中心的大崗山森林生態站利用物聯網技術實現監測數據無線傳輸,同時也可以查驗儀器運營情況,提高了科研效率。此外,原國家林業局于2013年發布《中國林業物聯網發展行動計劃(2013-2020年)》,提出了林業資源監管、營造林管理、林業災害監測預警與應急防控、林業生態監測與評估、林業資源合理開發利用和林產品質量安全監管等六大主要物聯網應用建設任務,確定了15項重點物聯網應用工程,但工程是否落地實施,未見到相關報道。

      海洋領域。青島海洋科學與技術試點國家實驗室計劃開展海洋物聯網體系研究,提出通過構建跨地域、跨空域、跨海域的空天地海一體化物聯網絡,提升海洋立體化觀測預測能力和海洋數據超遠距離傳輸效率,實現對海洋看得清、查得明、報得準。

      生態環境領域。生態環境部先后建設了國家環境空氣質量監測網、國家地表水環境質量監測網、國家土壤環境質量監測網、全國污染源監測信息管理與共享系統和大氣污染物排放清單編制與分析系統、環境監測數據平臺系統等。其中,國家環境空氣質量監測網目前包含337個地級及以上城市的1436個空氣質量自動監測點位,已經全部實現自動在線連續監測,建成了國家環境空氣監測業務應用系統和國家環境質量預測預報系統。環境監測總站自2017年開始組織實施全國空氣質量自動監測站聯網工作,到2018年底31個省份和新疆生產建設兵團的2750個地方空氣自動監測站與總站數據平臺實現聯網。各站點實時數據已通過“空氣質量發布”App公開,且已納入“大氣重污染成因與治理攻關”項目數據采集與共享平臺,為開展大氣污染綜合治理,打贏藍天保衛戰奠定了扎實技術基礎,未來將在支撐環境管理、深化大氣科研、提供數據支持、推動信息共享以及服務社會公眾等方面發揮更重要的作用。國家地表水環境質量監測網目前包337個地級及以上城市的2050個國考斷面(點位),按照發展計劃到2020年將全部實現自動在線連續監測,建成了國家水質自動監測、手工監測業務應用系統。國家土壤環境質量監測網目前包含近4萬個國控點位,每年開展土壤環境質量監測,初步建成土壤環境監測業務系統(一期)。隨著污染源監測管理模式的轉變,全國污染源監測信息管理與共享系統和大氣污染物排放清單編制與分析系統逐步建成,2018年通過數據聯網接入31000家企業排污許可證信息、23000家企業自行監測信息,企業自行監測發展不斷壯大,自動在線監測取得長足進展。通過實施“國家環境信息與統計能力建設項目”,環境統計業務系統得到了進一步完善,2014年建成了環境監測數據平臺系統,具備多個要素的數據采集傳輸能力和數據統計處理能力,監測質量管理、數據實時展示、信息交換與發布、綜合辦公自動化等業務也基本實現了信息化。到2018年,各個環境要素業務應用系統基本建成,數據處理信息化能力明顯增強。

      三、相關建議

      從目前來看,國內外物聯網在自然資源調查監測工作中應用的案例還是有限的,從創新角度來看,部里應該高度重視物聯網、大數據、5G、人工智能等新技術在自然資源管理工作中的應用,加快自然資源調查監測技術體系與新技術的融合創新。相關建議如下:

      第一,加快推進自然資源調查監測物聯網發展規劃,加強資源整合,明確衛星應用技術體系建設、航空航天遙感資源布局、地面自然資源要素綜合觀測網絡和數據資源共享服務平臺的建設等,形成天空地海協同的自然資源全要素、全方位、全天候的調查監測物聯網,全面支撐山水林田湖草生命共同體的一體化、集成化調查監測。

      第二,密切跟蹤國內外物聯網相關生產商現有產品,動態評估其在自然資源領域中的應用潛力,為建設自然資源調查監測智能技術與裝備體系提供參考。

      第三,事先開展自然資源物聯網標準研究等理論探討,加快研究制定與自然資源調查監測相關的基礎共性標準、關鍵技術標準和重點應用標準。

      第四,加強人才隊伍建設,建立多層次專業化的自然資源調查監測物聯網人才培養和服務體系。依托重點研發計劃、重點工程和重點企業,培養物聯網高層次人才。

       

       

       

      (王碩 李方舟 張月 周夏)

       



      [1] 日本智慧農業發展現狀. http://www.cww.net.cn/article?id=359929.

      [2] 毛燁, 唐春根, 陳慧琴.國內外現代化農業中物聯網技術應用實踐分析[J].江蘇農業科學. 2016,44( 4): 412-414.

      [3] 日本發布面向2050能源環境技術創新戰略. https://chuansongme.com/n/417589251173.

      [4] https://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/canadas-spatial-data-infrastructure/funded-projects/21465#li4.


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