内蒙古林业大数据管理平台设计与实现
2021-11-10云海英高荣丽
李 鑫，云海英，段 菁，滕 飞，纳 青，高荣丽
(内蒙古自治区林业信息中心，内蒙古 呼和浩特 010018)
1 研究背景
随着移动互联网、物联网、云计算等新兴服务的蓬勃发展和技术的飞速进步，林业大数据建设成为林业发展的新业态[1]。林业大数据作为重要资源和有效工具，对提高林业综合管理水平、加快林业生态建设和创新发展具有重要的推动作用[2-3]。研究人员已从林业大数据的定义、内涵、特征、发展动态等角度进行了研究[4-6]，并以大数据思维、理论和技术对林业大数据的应用前景进行了较为广泛的探讨。基于大数据相关理论的发展，各级林业部门对林业大数据的理论与应用做了一定程度的探索[7-10]，但应用研究较少。
经过长年的调查积累，内蒙古林业大数据在林业资源、地理信息、动植物资源、林地保护、森林防火、病虫鼠防治、森林经营等方面已有较完善的基础[11-14]。鉴于快速增长的海量林业数据和数据多源异构性处理难度，以及自治区时空尺度差异大和各级林业部门信息孤岛的弊端，内蒙古林业急需构建一个全面、统一、整体、系统的大数据平台，实现全区林业数据的整合及应用[11]。该林业大数据平台的设计与实现进一步提升了自治区林业综合管理水平，并提供更精准的林业决策，也为后续自治区乃至全国林业大数据应用和创新提供现实指导。
2 系统概述及架构设计
2.1 系统概述
研究构建的内蒙古林业大数据管理平台(以下简称“管理平台”)完成林业时空大数据采集、整合优化，从而支撑林业资源数据的空间分析、智能展示、地图+业务分析、趋势分析、分布分析等数据可视化展示，为整合内蒙古林业线上线下大数据、统一数据标准规范，构建了内蒙古林业信息资源目录体系，为林业资源的共享应用奠定基础，提高了内蒙古林业数据采集、整合、优化及决策应用的效率与水平。
管理平台将内蒙古林业厅分散在各业务系统中的地理信息数据、森林资源数据以及分散在业务处室的手工报表数据整合到统一的时空大数据库中，基于地理基础数据、分析林业调查历史数据，从空间、时间上对林业数据进行智能分析展现，展现内容应满足林业相关部门决策需求。
2.2 总体架构设计
内蒙古林业大数据管理平台的各业务模块面向不同的用户，依据系统特点采用相应的设计方式。同时，各模块之间相互耦合，如需通信则采用接口的方式，对外接口与自身的业务逻辑分离。
管理平台采用4层架构体系，分别为：数据接入层ETL、数据层、服务层、应用层。总体架构体系如图1所示。
图1 林业大数据管理平台总体架构Fig.1 Overall architecture of forestry big data management platform
1)数据接入层ETL
数据接入层ETL将林业数据从来源端，经过接入、处理、转换、加载至数据仓库。数据接入可采用自动、半自动、手工等多种方式接入，针对目前已统一存贮的资源数据，采用ETL自动导入；针对报表类数据，可采用半自动上传导入；针对零散的图表数据，可采用手工收集，人为处理手工导入方式。
2)数据层
依据不同的资源类型，不同类型的数据从接入层分别抽取至数据层。数据层负责数据信息的存储，包括：公共基础数据、遥感影像数据、林业基础数据等。
3)服务层
服务层将大数据涉及的业务采用服务组件形式进行松耦合建设，各类服务组件可以按需调用。相关服务包括：森林分布图服务、林相图服务、影像地图服务、行政区划服务、资源目录服务、应用服务等。
4)应用层
应用层根据已有资源数据情况、结合应用服务，为用户提供一种交互式操作界面，包括林业大数据建设的可视化智能展示及资源目录展示。
2.3 技术架构设计
林业大数据管理平台采用B/S架构风格，前端采用JavaScript，后端采用Java语言开发，地图使用ArcGIS框架，结构化数据存放在Oracle数据库，影像地图数据存储在文件服务器。管理平台技术架构如图2所示。
图2 林业大数据管理平台技术架构Fig.2 Technical architecture of forestry big data management platform
2.4 逻辑架构设计
管理平台中涉及的数据包括结构化数据和非结构化数据，数据源通过数据抽取的方式存储在时空大数据库中，非结构化数据存储在文件服务器，结构化数据存储在数据库中，最终构成时空大数据库。其他各模块应用系统数据均由时空大数据库提供。管理平台逻辑架构如图3所示。
图3 林业大数据管理平台逻辑架构Fig.3 Logical architecture of forestry big data management platform
3 功能模块实现
林业大数据管理平台的功能主要包括信息资源目录和可视化展示两大应用模块。
3.1 信息资源目录
林业信息资源目录是基于森林资源元数据和全文检索技术信息资源的采集、加工以及管理的平台。
信息资源目录体系首先按照资源数据的结构或资源特征，根据数据类型进行划分，建立各类型的信息资源元数据，在元数据基础上形成针对林业大数据管理平台的林业信息资源服务目录。
资源服务目录实现注册、查询、发布、撤销以及目录的编辑等操作，实现林业厅系统之间服务的共享。林业大数据平台向资源目录发布资源和服务，其中资源目录包括统计报表和资源年报，服务目录中包括森林资源分布图、林相图、影像地图和公共地图服务。信息资源功能架构如图4所示。
图4 信息资源目录架构Fig.4 Architecture of information resource catalog
信息资源目录模块包括：资源目录查询、资源信息查询、资源目录展示与资源访问等。资源目录查询提供目录内容的查询功能，包括基于林业信息资源的分类导航、条件检索等，检索条件包括资源分类、调查次数、行政区划、业务类型、比例尺、分辨率等；资源目录提供针各类资源信息的查询，资源信息查询内容包括：林相图、森林资源分布图、统计报表；系统可以按资源目录分类逐级展示已发布的资源目录内容，用户可以逐级展开资源目录分类进行展示；资源目录提供针对资源信息访问，包括对林相图、森林资源分布图、统计报表的详细信息的展示。
3.2 可视化展示平台
林业大数据管理平台综合分析功能是在基础地图数据、森林资源调查数据的基础上，实现对森林调查数据的可视化展示、统计分析、专题图、小班查询应用等功能，最终通过多屏、时序、卷帘、统计地图、图表等可视化表达方式实现森林资源分布一张图。可视化展示功能架构图如图5所示。
图5 可视化展示功能架构Fig.5 Architecture of visual presentation function
3.2.1森林资源展示
森林资源展示实现了森林资源分布图与林班数据、小班数据的一张图展示，以及森林资源概况描述功能，同时支持森林资源分布图的多屏、时序、卷帘的可视化展示，并实现了按关键词进行查询展示的功能。例如实现了按时间顺序以及区域等关键词进行查询与展示。
3.2.2小班查询及统计
森林资源将针对小班数据提供空间查询、属性查询、特殊区域查询以及坐标区域查询，同时根据小班查询结果统计功能统计分析森林资源调查数据，按调查次数实现不同时间维度的统计，也可以实现对森林资源调查成果时间及空间维度的统计分析与比较，同时，通过对统计条件筛选实现多维度多指标的统计分析。统计结果以图表及统计地图的形式展示，图表与统计地图实现联动交互及时序对比播放。
3.2.3专题图
专题图包括森林资源分布图及林相图，实现专题图的多屏对比、时序对比、卷帘对比等展示。
1)分布图
分布图模块实现了对小班调查数据的林班空间分布按照盟市、旗县进行展示，同时实现不同调查次数的森林分布图的多屏对比、时序对比、卷帘对比等展示。
2)林相图
林相图模块实现了对调查数据成果的小班空间分布情况展示，林相图按照乡镇、林场及开发区等行政区划进行展示，同时实现不同调查次数的林相图的多屏对比、时序对比、卷帘对比等展示。
4 林业大数据管理平台的实现
平台采用J2EE的3层架构体系。基于J2EE的企业应用技术已成为许多企业的核心驱动引擎。J2EE是一种利用Java 2平台来简化诸多与多级政府单位解决方案的开发、部署和管理相关的复杂问题的体系结构。提供了对 EJB、Serves、JSP、JDBC、CORBA以及XML技术的全面支持。J2EE提供了一个企业级的计算模型和运行环境用于开发和部署多层体系结构的应用。
平台架构前端采用html5+js编程语言，根据前端系统特点选择不同的JS框架。可视化采用ArcGIS for JS 3.34，建立在DOJO组件上。
平台架构服务端使用Java语言，采用spring MVC+myBatis搭建基础框架，实现系统的基本业务功能和通用功能，并依托spring框架集成流程管理组件activiti，安全认证shiro，日志管理log4j和缓存redis组件。
从实现角度看，将程序代码与元模型绑定，通过多级抽象，用户的需求变化被控制在模型层面上，变化的波及效应无法冲击到代码层，从而使系统具有了运行期动态改变的能力。图6给出了系统运行效果。
5 结束语
通过建设林业大数据管理平台，打破了内蒙古各级林业部门之间的信息孤岛，实现了林业资源数据的跨部门检索，提高了林业管理工作效率。平台将所需林业资源数据进行整理、提取、展示、对比与统计分析，实现了为森林资源保护和合理开发利用以及森林资源监督管理等工作提供快速精准的辅助决策。信息资源目录可方便各职能处室及业务人员快速查询和访问信息资源，实现信息资源快速定位与共享；标准规范体系为林业相关部门的日常管理及质量监控提供依据，对提升内蒙古各级林业部门的综合管理水平具有积极促进作用。林业大数据管理平台的开发对加快智慧林业、推动生态文明以及建设美丽中国具有重要而深远的意义。
