关于国际国内物联网技术在自然资源相关领域应用情况的调研报告

物联网是利用信息传感设备,通过互联通讯网络进行信息传输交换,实现对目标要素的智能化识别、定位、监控以及管理等,是新一代信息技术的高度集成和综合运用,有利于提升信息获取精准度和交流效率,促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变,对于提高综合信息化水平、促进产业结构调整和发展方式转变、推进国家治理能力现代化等具有重要意义。物联网的发展在自然资源精细化管理中有很高的潜在价值。因此,测绘发展研究中心调研了国内外物联网在自然资源领域的应用现状和相关工作,现将其整理,供决策参考。

一、国外物联网在自然资源领域应用发展现状

(一)美国

美国作为物联网技术的倡导者和先行者之一,凭借其在互联网时代积累起来的在芯片、软件、互联网和高端应用集成等领域强大的技术优势,大力推进射频识别技术(RFID)、传感器和机器对机器通信技术(M2M)等应用,物联网产业发展已经取得显著成效。2008年11月,IBM公司发布了《智慧地球:下一代领导人议程》,提出“人类将实现智能基础设施与物理基础设施的全面融合,实现IT与各行各业的深度融合,从而以科学和智慧的方式对社会系统和自然系统实施管理”。2008年12月,奥巴马向IBM咨询了智慧地球有关细节,并就投资智能基础设施对于经济的促进效果进行了研究。

生态领域。2011年,美国启动大陆尺度国家生态观测站网络计划,研究从区域到大陆尺度的重要生态问题。“网络计划”基于传感器网络和卫星遥感技术,部署了一个由约15000个传感器和若干个空间卫星节点组成的“天地一体”观测网络,在今后至少30年内为科学家大范围收集土壤、水、植物以及小型哺乳动物等500类生态环境数据,供土地利用和碳汇监测等工作分析使用。

农业领域。1966-2014年,美国先后出台了6项与农业信息化相关的法律法规和发展计划,为“智慧农业”及其产业链条的发展提供了良好的政策环境和财政支持。20世纪80年代,美国率先提出“精确农业”的构想,为“智慧农业”奠定了良好的发展基础。智慧农业是借助农业物联网及大数据分析,利用红外成像系统、卫星、生物量地图系统、使用产量监控器、GPS、耕种区域地图、耕种作物种类和植物种群信息、大数据分析平台等,实现了农产品全生命周期和全生产流程的数据共享及智能决策。此外,美国有100多个信息收集处,每天汇总分析并发布全美各类农业信息;大量农业基础数据是公开的资源,行业壁垒低,加之农场主对技术服务尤其对基于大数据的决策支持的迫切需求,使大数据公司层出不穷且呈蓬勃发展之势。AGRI-COLA、AGRIS、Preview等多个强大数据库及物联网科技等创新成果给美国“智慧农业”及其产业链条的发展提供了优越的科研资源和技术条件。

海洋领域。美国国防部高级研究计划局于2017年推出海上物联网(SIoT)项目,通过成千上万个小型、低成本的智能漂浮传感器,收集舰船、飞机和海洋生物在该海域活动的状态信息,并通过卫星网络进行云端存储和实时分析,进一步提升美军的海洋持续态势感知能力。同时也对海底资产以及其他海底环境数据实时监测,监测参数包括温度、设备磨损状况、陀螺仪位置、加速度计读数等。卡特琳娜海洋牧场与NOAA科研机构合作开展了海洋物联网项目,利用海军海洋气象自动装置(NOMAD)浮标,自动收集并传输各种海洋数据,评估环境影响和优化农业作业。2017年,在NOMAD平台上增加了“图像流细胞机器人”潜水装置,利用机载显微镜和机器视觉分析水中的颗粒,监测有害藻类的大量繁殖。

林业领域。兰卡斯特大学管理学院的Edward Truch教授于2018年2月发布《智慧公园》报告,指出利用物联网技术,通过Smart Earth Network等APP共享轨迹和观察数据,协助公园护林员保护脆弱物种保护和发现入侵物种,为游客和露营者提供所在地恶劣天气实时警报等重要求生信息,构建信息实时交互的网络系统。

(二)日本

日本政府高度重视物联网,发展物联网起步较早。2000年以来,日本政府先后发布了“e-Japan(2000-2005年)”、“u-Japan(2006-2010年)”战略、“ICT维新愿景2.0(2010-2020年)”和“i-japan战略(2015)”等,有力地促进了物联网发展。通过实施这些战略,日本推动了物联网在远程监测、车联网以及灾难应对等方面的应用,整体技术水平居世界前列。

日本通过综合使用RFID、红外感应、无线局域网等技术,构建了自成体系的物联网/泛在网络,在作物监测与保护、产品追溯等多个方面开展实际应用。“鸟(兽)害对策支持系统”可辅助农民驱赶野生动物,防止农作物遭野生动物破坏或啃食;产品追溯系统可实现对农林产品流通管理和个体识别等。

农业领域。日本一直把发展高效农业作为发展本国农业信息技术化的重要目标。2004年,日本总务省发布的u-Japan计划提出,到2020年农业物联网将达到580亿至600亿日元规模,农业云端计算技术的运用占农业市场的75%。此外,日本政府还计划在10年内以农业物联网为信息主体源,普及农用机器人,预计2020年农用机器人的市场规模将达到50亿日元[1]。目前,日本主要由日立等大型科技公司牵头研发农业物联网技术,开展农业物联网设备研制,并借助协会和政府力量在农业生产过程中进行推广与应用,如智能大棚利用物联网技术,通过建立无线网络,连接监视摄像头、土壤传感器、日照传感器、气温传感器、二氧化碳排放传感器等设备,最终传输到控制终端或数据终端[2]

能源领域。2016年,日本政府综合科技创新会议发布《能源环境技术创新战略2050》,强调要利用大数据分析、人工智能、先进的传感器和物联网技术构建一系列智能能源集成管理系统,以实现对建筑、交通和家庭用电信息的实时监测、采集和分析,从而实现对用户用电情况实时性、全局性和系统性地远程调控、优化管理,实现“管理节能”和“绿色用能”[3],以实现2050年全球温室气体排放减半和构建新型能源体系的目标。

(三)澳大利亚

澳大利亚于2016年发布《国家网络安全战略(修订版)》,部署物联网经济发展战略,保障物联网合理健康发展,提高物联网设备安全性、降低政府IT系统供应链风险等。昆士兰州的詹姆斯·库克大学与华为合作,在凯恩斯市的实验室研发了最新一代的窄带物联网(NB-IoT)应用;思科在珀斯和悉尼分别设置了创新中心,研究物联网在农业、宇航、资源和智慧城市等产业领域的应用。澳大利亚组建了卫星物联网,通过布局卫星平台,创建实时、全天候直接到轨物联网的全球平台,实现超低成本、可扩展的物联网,提供全球级的物联网服务。澳大利亚物联网初创公司Myriota的商业卫星已搭乘SpaceX公司“猎鹰”-9火箭发射入轨,补充了现有的卫星星座,同时引入终端前向链路,未来将建成能够为数以亿计的物联网设备提供直接到轨通信的物联网络。

生态领域。基于物联网、自动观测、融合地面和遥感观测,构建了生态观测研究网络(TERN)。

海洋领域。澳大利亚海洋科学研究所AIMS与物联网初创公司Myriota合作,监测位置、洋流、海洋表面水温和气压等海洋信息。

矿业领域。建设了矿山物联网系统及完善的产业链生态体系,开展了Mining3、Caving2040等远景规划。

农业领域。推进深度融合物联网、云计算、移动互联等现代信息技术的智慧农业,安装测定风力、风向、湿度等参数的各类传感器,开展田间粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控制、果园生产不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水产精细化养殖监测网络和精细养殖等方面,实现信息传输解读共享并实时了解农田状况,提供种植、灌溉、施肥、防害和收割作物的决策支持。

水资源领域。昆士兰州政府计划建设覆盖面积超过1300平方公里的LoRaWAN物联网网络,用于连接数字水计量、废水管理系统从而满足公园和田地的用水需求。LoRaWAN安全可靠,在水计量应用中可降低水务管理成本,并能及时检测漏损等问题。

畜牧业领域。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)和新英格兰大学合作推出了基于物联网的智能农场试点建设,建设占地2800公顷的Kirby智能农场,布置大量传感装置,监测农场的空气温度、牲畜移动等情况,通过智能农场信息平台,每5分钟形成一张数字地图以供决策帮助和支持,达到提高畜牧业生产力、降低人工成本、提高生产效率和水平的效果。此外,还基于物联网开发了畜类肉信息跟踪追溯系统,实现产品溯源,保障食品安全。

(四)加拿大

加拿大在阿尔伯塔省卡尔加里市建立了“智能社区——智能公民”项目,即构建基于开放标准的智能城市传感器物联网络[4],用于空气质量监测和分析,提高人们对地理空间数据和工具的认识。

二、我国物联网在自然资源领域应用研究现状

生态领域。我国生态系统观测和研究网络始建于20世纪80年代,主要包括中国科学院的生态系统研究网络(CERN)、林业部门的森林生态系统研究网络(CFERN)以及农业部门的农业生态系统观测和研究网络。其中,中国科学院利用1988年开始筹建的CERN,目前已拥有分布于全国各主要生态类型区的36个生态站(包括农、林、草、湿地、荒漠等生态系统类型)、5个学科分中心和1个综合中心,构建了中国陆地生态通量观测研究网络(ChinaFLUX)。2012年在禹城观测站探索基础上,建成了禹城市农业信息服务平台和农作物遥感监测网络,构建了基于物联网技术的高效计量节水灌溉系统,探索形成了“四节一网两增”现代农业模式。2013年,中科院、科技部联合河北、山东、辽宁和天津实施国家重大科技支撑计划项目——“渤海粮仓科技示范工程”,其中在山东省无棣县万亩试验示范基地研发了“智慧稻草人”农业物联网平台,可以自动采集、传输湿度、盐度等土壤信息。2016年,CERN启动了国家重点研发计划“生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范”。2016年,栾城农业生态系统试验站通过互联网连接河北农业大数据、物联网服务中心、种子站、供销社,开展了“互联网+”智慧农业技术等试验研究。

林业领域。国家林业部门从20世纪60年代开始组织中国林业科学研究院和林业大学等单位,逐步建立了CFERN,目前拥有29个森林生态站和多个生态定位监测站,构成了林业生态环境效益监测网络。其中,中国林科院亚林中心的大岗山森林生态站利用物联网技术实现监测数据无线传输,同时也可以查验仪器运营情况,提高了科研效率。此外,原国家林业局于2013年发布《中国林业物联网发展行动计划(2013-2020年)》,提出了林业资源监管、营造林管理、林业灾害监测预警与应急防控、林业生态监测与评估、林业资源合理开发利用和林产品质量安全监管等六大主要物联网应用建设任务,确定了15项重点物联网应用工程,但工程是否落地实施,未见到相关报道。

海洋领域。青岛海洋科学与技术试点国家实验室计划开展海洋物联网体系研究,提出通过构建跨地域、跨空域、跨海域的空天地海一体化物联网络,提升海洋立体化观测预测能力和海洋数据超远距离传输效率,实现对海洋看得清、查得明、报得准。

生态环境领域。生态环境部先后建设了国家环境空气质量监测网、国家地表水环境质量监测网、国家土壤环境质量监测网、全国污染源监测信息管理与共享系统和大气污染物排放清单编制与分析系统、环境监测数据平台系统等。其中,国家环境空气质量监测网目前包含337个地级及以上城市的1436个空气质量自动监测点位,已经全部实现自动在线连续监测,建成了国家环境空气监测业务应用系统和国家环境质量预测预报系统。环境监测总站自2017年开始组织实施全国空气质量自动监测站联网工作,到2018年底31个省份和新疆生产建设兵团的2750个地方空气自动监测站与总站数据平台实现联网。各站点实时数据已通过“空气质量发布”App公开,且已纳入“大气重污染成因与治理攻关”项目数据采集与共享平台,为开展大气污染综合治理,打赢蓝天保卫战奠定了扎实技术基础,未来将在支撑环境管理、深化大气科研、提供数据支持、推动信息共享以及服务社会公众等方面发挥更重要的作用。国家地表水环境质量监测网目前包含337个地级及以上城市的2050个国考断面(点位),按照发展计划到2020年将全部实现自动在线连续监测,建成了国家水质自动监测、手工监测业务应用系统。国家土壤环境质量监测网目前包含近4万个国控点位,每年开展土壤环境质量监测,初步建成土壤环境监测业务系统(一期)。随着污染源监测管理模式的转变,全国污染源监测信息管理与共享系统和大气污染物排放清单编制与分析系统逐步建成,2018年通过数据联网接入31000家企业排污许可证信息、23000家企业自行监测信息,企业自行监测发展不断壮大,自动在线监测取得长足进展。通过实施“国家环境信息与统计能力建设项目”,环境统计业务系统得到了进一步完善,2014年建成了环境监测数据平台系统,具备多个要素的数据采集传输能力和数据统计处理能力,监测质量管理、数据实时展示、信息交换与发布、综合办公自动化等业务也基本实现了信息化。到2018年,各个环境要素业务应用系统基本建成,数据处理信息化能力明显增强。

三、相关建议

从目前来看,国内外物联网在自然资源调查监测工作中应用的案例还是有限的,从创新角度来看,部里应该高度重视物联网、大数据、5G、人工智能等新技术在自然资源管理工作中的应用,加快自然资源调查监测技术体系与新技术的融合创新。相关建议如下:

第一,加快推进自然资源调查监测物联网发展规划,加强资源整合,明确卫星应用技术体系建设、航空航天遥感资源布局、地面自然资源要素综合观测网络和数据资源共享服务平台的建设等,形成天空地海协同的自然资源全要素、全方位、全天候的调查监测物联网,全面支撑山水林田湖草生命共同体的一体化、集成化调查监测。

第二,密切跟踪国内外物联网相关生产商现有产品,动态评估其在自然资源领域中的应用潜力,为建设自然资源调查监测智能技术与装备体系提供参考。

第三,事先开展自然资源物联网标准研究等理论探讨,加快研究制定与自然资源调查监测相关的基础共性标准、关键技术标准和重点应用标准。

第四,加强人才队伍建设,建立多层次专业化的自然资源调查监测物联网人才培养和服务体系。依托重点研发计划、重点工程和重点企业,培养物联网高层次人才。

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