CN111629049B - 一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台 - Google Patents

一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，平台包括生态环境数据采集模块、云计算处理平台模块和全景数据接收端模块；所述云计算处理平台模块与所述生态环境数据采集模块无线连接，接收所述生态环境数据采集模块发送来的分类数据，并进一步包括云存储模块和数据处理模块；所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，所述数据处理模块对云存储模块中的各类数据进行数据处理，并将处理后的数据发送至全景数据接收端模块；本发明性能安全可靠，既能便捷的系统化跟踪了解目标区域的生态系统信息，数据处理速度快，资源消耗少，也能对出故障的观测点位快速定位。

Description

一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台
技术领域
本发明涉及生态系统观测技术领域，尤其涉及一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台。
背景技术
生态监测是指利用物理、化学、生化、生态学等技术手段，对生态环境中的各个要素、生物与环境之间的相互关系、生态系统结构和功能进行监控和测试。对人类活动影响下自然环境变化的监测。通过不断监视自然和人工生态系统及生物圈其他组成部分(外部大气圈、地下水等)的状况。确定改变的方向和速度，并查明多种形式的人类活动在这种改变中所起的作用。
生态监测是在地球的全部或者局部范围内观察和收集生命支持能力的数据、并加以分析研究，以了解生态环境的现状和变化。主要包括宏观生态监测和微观生态监测。
目前对于生态系统观测的手段应用还比较落后，大多数仍然在采用利用GPRS网络进行数据的传输与分析，数据更新的实时性和处理精度、处理效率较差，需要大量的人工劳动相配合。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，包括生态环境数据采集模块、云计算处理平台模块和全景数据接收端模块；
优选的，所述云计算处理平台模块与所述生态环境数据采集模块无线连接，接收所述生态环境数据采集模块发送来的分类数据，并进一步包括云存储模块和数据处理模块；
优选的，所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，
优选的，所述数据处理模块对云存储模块中的各类数据进行数据处理，并将处理后的数据发送至全景数据接收端模块；
优选的，所述数据处理模块进一步包括多个第一主机，其实现公共云计算环境，其中，资源管理器供公共云资源接口，通过该接口，一个或多个公共云客户端与一个或多个虚拟机交互；以及实现私有云计算环境的多个第二主机，其中至少一个第二主机包括一个或多个私有云虚拟机，其中至少一个第一主机还包括私有云VM资源提供者，资源管理器通过该资源提供者与私有云虚拟机进行交互，其中，私有云VM资源提供者将执行虚拟机管理操作的请求从公共云资源接口转换为私有云虚拟机接口，以及私有云虚拟机响应于从私有云VM资源提供者接收到转换后的请求，执行请求的虚拟机操作；
优选的，所述全景数据接收端模块至少为一个PC端或者移动通信设备终端。
优选的，所述云计算处理平台模块还包括异常数据监测单元，实时监测所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，当所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据被监控到超出稳态潮流数据阈值时，所述异常数据监测单元向所述全景数据接收端模块发出数据采集设备的故障信息。
优选的，所述私有云VM资源提供者为每个现有私有云虚拟机调用，并且其中，所述私有云VM资源提供者在每个现有私有云虚拟机与对应的私有云虚拟机之间通过公有云资源标识符建立关联；所述私有云VM资源提供者通过扫描现有私有云虚拟机的列表以查找不具有对应公共云虚拟机的私有云虚拟机来识别每个现有私有云虚拟机。
优选的，所述资源管理器将云计算任务的初始放置到第一主机，该第一主机被确定为用于执行云计算任务的第一最佳主机；
资源管理器确定第一功能到第二主机的补充放置，该第二主机被确定为用于加速执行第一功能的第二最佳主机，其中第一功能不能被第一主机中的一个或多个FPGA加速；根据初始位置和补充位置，在第一主机和第二主机上执行云计算任务。
优选的，所述生态环境数据采集模块包括地面监测数据采集模块、航空监测数据采集模块和卫星监测数据采集模块。
优选的，所述航空监测数据采集模块包括气体监测传感器、光谱传感器。
优选的，所述卫星监测数据采集模块包括图像成像设备。
优选的，所述地面监测数据采集模块包括至少一个摄像机、气象传感器、土壤传感器和GPS定位装置。
优选的，所述全景数据接收端模块与云计算处理平台模块信号连接，实时接收云计算处理平台模块处理过的生态数据信息以及异常数据监测单元的观测设备异常状况信息。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，具备以下有益效果：
1、利用私有云VM资源提供者可以经由私有网络或因特网仅向特定用户提供计算资源，例如，仅向特定的生态系统观测组织的成员或与特定组织相关联的用户提供计算资源，并且可以使用例如由高校等托管的数据中心中的资源、特定组织的资源或托管在另一个位置的数据中心中的资源，这些资源可能由另一个组织运营。私有云可以由公共云提供商通过创建可访问因特网的私有云来实现，其访问仅限于特定用户。
私有云可以由生态系统检测组织在由组织本身(或由其他组织)托管的硬件资源上(例如，在数据中心中)使用私有云软件来实现。
通过这种方式，可以大大提高资源的利用效率，提升观测平台对数据的处理能力、分散数据存储位置，提高数据的安全性能。
2、通过使用FPGA加速方案，让开发人员或用户将一段代码上传到云服务器计算系统(例如，云服务器计算平台或环境)，并且云服务器计算系统提供物理和虚拟资源来运行代码，而不必负担开发人员或用户的负担通过设置主机或工作程序(即云中的网络硬件资源，包括计算，存储和网络资源)来执行代码，在降低生态系统观测研究数据平台的运营费用同时，可以提升数据处理的速度。
3、云计算处理平台模块中的异常数据监测单元，能够实时监测所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，通过这部分异常数据监测单元的应用，可以快速定位到产生整个生态系统内获取数据的传感器各地的所在位置，寻找查询到生态系统中的哪一个传感器出现故障问题，提高修护效率。
4、全景数据接收端模块可以在个人PC或者例如手机等接收终端上，便捷地查看目标区域的生态系统观测信息。
附图说明
图1为本发明的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台整体构成示意图；
图2为本发明的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台云计算处理平台模块结构示意图；
图3为本发明的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台生态环境数据采集模块结构示意图；
图4为本发明的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台云存储模块结构示意图；
图5为本发明的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台数据处理模块结构示意图。
图中：1、生态环境数据采集模块；11、地面监测数据；12、航空监测数据；13、卫星监测数据；2、云计算处理平台模块；21、云存储模块；22、数据处理模块；220、资源管理器；221、公共云资源接口；222、第一主机；223、第二主机；3、全景数据接收端模块；4、异常数据监测单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如前文背景技术所述，现有技术中的生态系统观测，观测仪器需要长时间在野外采集数据，采集到数据被保存在数据采集器(例如CR系列数据采集器)中。传统的下载数据的方法是用串口线将数据采集器与设置有LoggerNet软件(具有发指令控制CR系列数据采集器以及对收到的数据进行解析显示和下载的功能模块)的电脑相连。这种方法需要工作人员去现场完成，费时费力，而且有线连接使得传输距离局限在15m以内，传输距离有限。
而近年来兴起的GPRS(GeneralPacketRadioService)技术在生态系统观测领域的应用，即基于GPRS模块实现数据采集器与野外观测数据的远程无线传输，是将数据采集器通过串口线与GPRS模块相连，而GPRS模块与电脑端通过无线传输模块进行交互，该电脑端设置有LoggerNet软件和无线传输模块。而在进行远程传输的过程中，各模块都需要一个公网IP地址并且将此IP映射为本机的一个端口才能实现数据的传输，因此采集数据时电脑所在场所受到很大限制，在很多情况无法使用同一个观测数据系统，比如需要在野外查看数据采集器的数据的情况，或者一些路由器没有被分配公网IP以及虽然被分配了公网IP但是一般的使用者没有权限将其映射为本机端口的情况等等。而且，公网IP会因为各种原因发生变化，每次使用前都需要重新配置，配置繁琐，使用上有很大不便。
为了解决现有技术中存在的不足，参照图1-5中的逻辑关系图，本发明的一个实施例示意出了一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，包括生态环境数据采集模块1、云计算处理平台模块2和全景数据接收端模块3；
其中，如图1所述，云计算处理平台模块2与所述生态环境数据采集模块1无线连接，接收所述生态环境数据采集模块1发送来的分类数据，并进一步包括云存储模块21和数据处理模块22；
生态环境数据采集模块1主要通过以下三种监测方式获取生态环境数据：
地面监测
地面监测是传统采用的技术。系统的地面测量(SGS)可以提供最详细的情况。采样线的走向一般总是顺着现存的地貌。如公路、小径、铁路线及家畜行走的小道。记录点放在这些地貌相对不受干扰一侧的生境点上。地面监测技术仍是非常重要的，因为其结果可以提供洋细情况。许多生态结构与功能的变化只能通过在野外进行监测。地面监测能验证并提高遥感数据的精确性并有助于对数据的解释。尽管遥感技术能提供有关土地覆盖和土地利用情况变化以及一些地表特征(如温度、化学组成)等综合性信息。但这些信息需要通过更细致的地面监测来进行补充。
优选的，所述地面监测数据采集模块包括至少一个摄像机、气象传感器、土壤传感器和GPS定位装置。通过摄像图片、各种传感器获取地面监测生态数据的各类数据，并对航空监测和卫星监测数据提供更加细节的补充。GPS定位装置根据自身编号与云计算处理模块2中的异常数据监测单元4对应。
航空监测
空中测量是当前三种监测技术中最经济有效的一种。航空监测首先用坐标网覆盖研究区域。典型的坐标是10km×10km。飞行时，这个坐标用于系统地记录位置，以及发送分析获得的数据。坐标画在比例为1：250000的地图上或地球资源卫星的图像上。
优选的，所述航空监测数据采集模块包括气体监测传感器、光谱传感器，通过无人机在研究区域空中飞行获取数据。
卫星监测
利用地球资源卫星监测天气、农作物生长状况、森林病虫害、空气和地表水的污染情况等已经普及。卫星监测最大的优点是覆盖面宽，可以获得人工难以到达的高山、丛林资料。由于资料来源增加，费用相对降低。这种监测对地面细微变化难以了解，因此地面监测、空中监测和卫星监测相互配合才能获得完整的资料。
优选的，所述卫星监测数据采集模块包括图像成像设备，通常直接采用卫星传输回来的研究区域的卫星图片、气象云图作为生态系统观测数据的一部分。
进一步的，所述云存储模块21接收并分区存储地面监测数据11、航空监测数据12和卫星监测数据13。
进一步的，所述数据处理模块22对云存储模块21中的各类数据进行数据处理分析，并将处理后的数据发送至全景数据接收端模块3。处理后的数据包括但不限于选定时间内研究区域的各类生态影响数据变化信息。
进一步的，所述数据处理模块22更进一步的包括多个第一主机222，其实现公共云计算环境，其中，资源管理器220供公共云资源接口221，通过该接口，一个或多个公共云客户端与一个或多个虚拟机交互；以及实现私有云计算环境的多个第二主机223，其中至少一个第二主机223包括一个或多个私有云虚拟机，其中至少一个第一主机222还包括私有云VM资源提供者，资源管理器220通过该资源提供者与私有云虚拟机进行交互，其中，私有云VM资源提供者将执行虚拟机管理操作的请求从公共云资源接口221转换为私有云虚拟机接口，以及私有云虚拟机响应于从私有云VM资源提供者接收到转换后的请求，执行请求的虚拟机操作。
私有云VM资源提供者可以经由私有网络或因特网仅向特定用户提供计算资源，例如，仅向特定的生态系统观测组织的成员或与特定组织相关联的用户提供计算资源，并且可以使用例如由高校等托管的数据中心中的资源、特定组织的资源或托管在另一个位置的数据中心中的资源。
进一步的，所述私有云VM资源提供者为每个现有私有云虚拟机调用，并且其中，所述私有云VM资源提供者在每个现有私有云虚拟机与对应的私有云虚拟机之间通过公有云资源标识符建立关联；所述私有云VM资源提供者通过扫描现有私有云虚拟机的列表以查找不具有对应公共云虚拟机的私有云虚拟机来识别每个现有私有云虚拟机。
私有云VM资源提供者可以对位于私有云的一个或多个节点上的私有云虚拟机(VM)执行生命周期管理。私有云VM可以是资源池的成员。资源池可以根据使用限制(例如，CPU使用限制)来限制用户跨VM群集的资源使用。
资源提供者可以与资源管理器220相关联，资源管理器220可以包括结构化格式的资源提供者的描述。资源管理器220可以将资源提供者链接到资源管理器。资源管理器220可以描述资源提供者位于何处，资源提供者的通信端点，资源提供者公开什么方法，资源提供者公开什么类型的资源以及如何管理那些资源。
私有云资源提供者可以实施用于创建，更新，启动，重新启动，停止和删除私有云虚拟机的操作。
在特定实施例中，例如可能发生是生态灾害信息有大概率发生，云计算生态系统观测研究数据平台管理者可以将其公共云订阅信息映射到其私有云或其私有云的一部分，例如集群和/或资源池。
优选的，所述资源管理器将云计算任务的初始放置到第一主机，该第一主机被确定为用于执行云计算任务的第一最佳主机。
资源管理器确定第一功能到第二主机的补充放置，该第二主机被确定为用于加速执行第一功能的第二最佳主机，其中第一功能不能被第一主机中的一个或多个FPGA加速；根据初始位置和补充位置，在第一主机和第二主机上执行云计算任务。
在云计算处理平台模块2的数据处理模块22中管理可用的FPGA资源。
可以对FPGA器件进行编程以实现特殊功能。也可以根据需求对FPGA进行重新编程。
资源管理器220可以从主机的网络硬件资源。例如，资源管理器220可以从第一主机和第二主机接收票证，该票证包括与第一主机上的可用FPGA可加速功能相关联的信息以及与可用FPGA相关联的信息。第二个主机上的加速功能。执行初始放置并确定补充放置包括基于票证确定初始放置和补充放置。
资源管理器220可以将票证中的可用资源与在调度方案期间考虑的信息进行协调。该信息可以包括一组FPGA加速功能以及主机上的负载。此外，资源管理器220可以使可用资源与接口和/或垫片层协调，以确保任务定义可以调用可用的FPGA可加速功能。
进一步的，所述全景数据接收端模块3至少为一个PC端或者移动通信设备终端。可以在个人PC或者例如手机等移动通信设备接收终端上，便捷地接收并查看目标区域的生态系统观测信息。
进一步的，全景数据接收端模块3可操控地描述至少一个输入数据源和多个可执行顺序的工作流；全景数据接收端模块3的至少一个处理器在全景数据接收端模块3的用户界面UI中呈现所述工作流程的视觉描述。
进一步的，全景数据接收端模块3可操控地使用至少一个处理器执行生态系统观测数据解读过程的工作流程，例如包括：按照所需执行任务的顺序，顺序执行至少一个生态观测数据的对比和至少可输入地处理接收到的至少一个输入数据源中的数据。
进一步的，所述云计算处理平台模块2还包括异常数据监测单元4，异常数据监测单元4实时监测所述云存储模块21接收并分区存储地面监测数据11、航空监测数据12和卫星监测数据13，当所述云存储模块21接收并分区存储地面监测数据11、航空监测数据12和卫星监测数据13被监控到超出稳态潮流数据阈值时，所述异常数据监测单元4向所述全景数据接收端模块3发出数据采集设备的故障信息。
使用者通过云计算处理平台模块2中的异常数据监测单元4，能够分析这部分异常数据监测单元的应用，快速定位到发生在整个生态系统内所有获取数据的传感器的所在位置，寻找查询到生态系统中的哪一个传感器出现故障问题，提高修护效率。
优选的，所述全景数据接收端模块与云计算处理平台模块信号连接，实时接收云计算处理平台模块处理过的生态数据信息以及异常数据监测单元的观测设备异常状况信息。
在此，为了实现本发明的功能应用，还需要配置必备的一种或多种计算机可读非暂时性存储介质硬件，所述存储介质可以包括一个或多个基于半导体或其他集成电路(IC)(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或专用IC(ASIC)，硬盘驱动器(HDD)，混合硬盘驱动器(HHD)，光盘，光盘驱动器(ODD)，磁光盘，磁光盘驱动器，软盘，软盘驱动器(FDD)，磁带，固态驱动器(SSD)，RAM驱动器，SECURE DIGITAL卡或驱动器，任何其他合适的计算机可读非暂时性存储介质，或其中的两种或多种的任何合适组合。在适当的情况下，计算机可读的非暂时性存储介质可以是易失性，非易失性，或易失性和非易失性的组合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，包括生态环境数据采集模块、云计算处理平台模块和全景数据接收端模块；
所述云计算处理平台模块与所述生态环境数据采集模块无线连接，接收所述生态环境数据采集模块发送来的分类数据，并进一步包括云存储模块和数据处理模块；
所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，所述数据处理模块对云存储模块中的各类数据进行数据处理，并将处理后的数据发送至全景数据接收端模块；
所述数据处理模块进一步包括多个第一主机，以实现公共云计算环境，其中，资源管理器供公共云资源接口，通过该接口，一个或多个公共云客户端与一个或多个虚拟机交互；以及实现私有云计算环境的多个第二主机，其中至少一个第二主机包括一个或多个私有云虚拟机，其中至少一个第一主机还包括私有云VM资源提供者，资源管理器通过该资源提供者与私有云虚拟机进行交互，其中，私有云VM资源提供者将执行虚拟机管理操作的请求从公共云资源接口转换为私有云虚拟机接口，以及私有云虚拟机响应于从私有云VM资源提供者接收到转换后的请求，执行请求的虚拟机操作；
所述全景数据接收端模块至少为一个PC端或者移动通信设备终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述云计算处理平台模块还包括异常数据监测单元，实时监测所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据，当所述云存储模块接收并分区存储地面监测数据、航空监测数据和卫星监测数据被监控到超出稳态潮流数据阈值时，所述异常数据监测单元向所述全景数据接收端模块发出数据采集设备的故障信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述私有云VM资源提供者为每个现有私有云虚拟机调用，并且其中，所述私有云VM资源提供者在每个现有私有云虚拟机与对应的私有云虚拟机之间通过公有云资源标识符建立关联；
所述私有云VM资源提供者通过扫描现有私有云虚拟机的列表以查找不具有对应公共云虚拟机的私有云虚拟机来识别每个现有私有云虚拟机。
4.根据权利要求1所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述资源管理器将云计算任务的初始放置到第一主机，该第一主机被确定为用于执行云计算任务的第一最佳主机；
资源管理器确定第一功能到第二主机的补充放置，该第二主机被确定为用于加速执行第一功能的第二最佳主机，其中第一功能不能被第一主机中的一个或多个FPGA加速；根据初始位置和补充位置，在第一主机和第二主机上执行云计算任务。
5.根据权利要求1所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述生态环境数据采集模块包括地面监测数据采集模块、航空监测数据采集模块和卫星监测数据采集模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述航空监测数据采集模块包括气体监测传感器、光谱传感器。
7.根据权利要求5所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述卫星监测数据采集模块包括图像成像设备。
8.根据权利要求5所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述地面监测数据采集模块包括至少一个摄像机、气象传感器、土壤传感器和GPS定位装置。
9.根据权利要求1所述的一种基于云计算的生态系统观测研究数据平台，其特征在于，所述全景数据接收端模块与云计算处理平台模块信号连接，实时接收云计算处理平台模块处理过的生态数据信息以及异常数据监测单元的观测设备异常状况信息。
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