精准扶贫地理信息管理系统的研发

朱素华 宋明阳 张超凡 汪慧琳 杨明栋 卢 艳

(郑州大学 地球科学与技术学院, 河南 郑州 450000)

0 引言

贫困是人类社会发展面临的重大难题之一,长期受到社会各界广泛关注,“在世界各地消除一切形式的贫困”是联合国2030年17个可持续发展目标中的首要任务[1]。2015年中共中央国务院发布《关于打赢脱贫攻坚战的决定》,明确提出精准扶贫战略[2],之后以习近平同志为核心的党中央坚持“精准扶贫,精准脱贫”,上下齐心,艰苦奋斗,共同推进中国脱贫事业取得历史性新突破：截止到2021年2月我国已完成消除绝对贫困的艰巨任务,9 899万农村贫困人口全部脱贫,扶贫工作取得历史性胜利。尽管如此,中国的扶贫工作并未结束,巩固脱贫攻坚成果和守住不发生规模性返贫的底线成为日后扶贫工作的首要任务[3],防止返贫、阻断返贫也将成为中国扶贫事业的长期使命[4]。

监测返贫人口是防止返贫和阻断返贫的第一步,在现有扶贫管理系统中,张璞元[5]开发的剑川县农村扶贫对象管理系统中设计了农户返贫功能,为返贫人口的监测提供了手段;陈柄任[6]开发的精准扶贫地理信息管理系统功能完善,具有较高的实用性;李彤[7]开发的精准扶贫管理系统功能完善,涉及面广,贫困人口的信息完善。但是张璞元和李彤开发的精准扶贫系统只有贫困人口的属性信息,缺乏贫困户的空间信息,不能直观地展示返贫人口的空间分布,陈柄任开发的精准扶贫地理信息管理系统未涉及返贫人口监测功能。本文基于前人开发的精准扶贫系统的基础,结合返贫监测工作的需要,采用数据库、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)空间位置服务等技术,以河南省为例,研究开发精准扶贫地理信息管理系统,为政府巩固脱贫攻坚成果、守住不发生规模性返贫的底线提供监测手段。此外，系统引入卫星夜晚灯光数据和平均夜间灯光指数(Average Night Light Index,ANLI),旨在从宏观层面上展示近年来河南省的扶贫质量[8]。

1 系统设计

1.1 系统总体结构设计

本系统采用客户端/服务器 (Client/Server,C/S)架构设计,系统从下到上一共有4个层次,依次为数据层、服务层、应用层和表现层。其中数据层用来储存地图数据和返贫人口的各类信息,如返贫人口基本信息、家庭人员信息、生产条件信息、家庭收支情况等信息。系统管理员可以对以上数据进行添加、修改、删除等操作。服务层对数据层中的数据进行操作,将贫困户地理信息可视化,使用户可以通过接口在客户机端对数据进行操作。通过对需求的分析,来设计相对应的应用层,通过客户机端界面对相关功能进行调用。应用层是该系统中的各项功能整合在一起,形成一个完整的系统,各项功能主要包括地图缩放、地图移动、成果展示、用户管理、基础信息管理、信息查询等。表现层要实现用户与应用层的交互,系统中不同的功能模块对应不同的用户,能够根据不同的需求和用户权限响应不同的业务和信息资源,如只有管理员用户能够管理贫困人口信息。该系统将数据库技术、地理信息技术应用于精准扶贫工作,提高扶贫工作的科学性和准确性[9]。该系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构设计

1.2 系统数据库设计

为了提高系统的访问速度与灵活性,系统选取轻量级、零配置的数据库SQLite建设[10],将返贫人口基本信息、家庭人员信息、生产条件信息、生活条件信息、家庭收支情况、用户表等信息存储在不同的关系表中。其中基本信息表包括户主姓名、身份证号码、联系电话、识别标准、是否建档立卡、贫困户属性、开户银行、房屋经度、房屋纬度、致贫原因、家庭现住址户籍地等信息;家庭人员包括姓名、性别、身份证号码、与户主关系、文化程度、健康状况、工作、参加居民基本医疗保险情况、是否参加城乡居民养老保险、帮扶需求情况等信息;生产条件包括耕地面积、林地面积、水面等信息;生活条件包括住房面积、是否危房、是否有卫生厕所、住房结构、是否通电、饮水是否困难、饮水类型、饮水是否安全等信息;家庭收支情况包括家庭总收入、家庭主要收入来源、家庭支出、家庭人均纯收入等信息;用户表包括用户名、用户名Id、用户类型。其中返贫人口基本信息表的设计见表1。

1.3 系统模块设计

该系统是以数据库为基础,以地理信息系统为核心开发而成的一套精准扶贫系统。与传统扶贫系统相比,该系统将贫困数据与脱贫成果可视化,使其更加清晰直观。并且该系统将重点放在返贫人口上,能够帮助用户及时发现返贫人口,管理和帮扶返贫人口,进而巩固脱贫成果。普通用户可通过该系统与扶贫工作人员进行交互,实现扶贫数据和扶贫工作的透明性、实时性和可监督性[11]。该系统的模块功能设计见图2。

图2 系统功能设计

该系统主要分为两大类用户,分别是普通用户和管理员用户,不同的用户有不同的用户权限,系统能够根据不同的用户权限,业务请求和能访问的信息资源有所区别。其中普通用户能够使用信息录入、地图展示、脱贫成果、扶贫新闻、互动交流功能模块;管理员能够使用互动交流、群众诉求管理、贫困信息管理等功能模块。

2 关键技术与理论

2.1 关键技术

为保证系统的安全性,该精准扶贫信息管理系统基于C/S模式建立,客户端与服务端直接相连,响应速度较快,且不依赖于政府外网环境,具有较强的事务处理能力,可实现复杂的业务流程。

客户端层的开发技术主要是Qt+Openlayers+JS+SQLite。Qt是一款强大的跨平台的C++图形用户界面应用程序框架开发平台，它具有良好的面向对象特性，扩展起来十分容易，同时它也允许真正地组件编程。Openlayers是一个WebGIS前端开发的JavaScript包,为互联网客户端提供强大的地图展示功能。JS作为一种相对安全的脚本语言,不被允许访问本地的硬盘且不会将数据存入服务器,允许对网络文档进行修改,从而有效防止数据的丢失或对系统的非法访问。SQLite为关系型数据库,用来存储数据,作为轻量级嵌入式数据库,实现了自给自足、无服务器、零配置的、事务性的SQL数据库引擎。

在客户端层,需要使用Openlayers技术来实现数据的可视化,通过远程调用的方式,将地图数据加载到系统中,将空间位置信息点及扶贫数据与地图相关联,从而实现GIS功能。对于非GIS端功能的实现,则采用Qt+JS+SQLite技术,保证了该系统的安全性。

服务器端通过unix域套接字和客户端进行通信。客户端和服务器端通信时,使用QCopChannel类,该类允许一个进程的信号连接另一个信号的槽,从而实现客户端与服务器端的多对多通信,提高系统使用效率。

2.2 平均夜间灯光指数

夜光遥感数据能够反映人类社会活动。李德仁在《论夜光遥感数据挖掘》中指出,夜光遥感影像能够表征区域内的经济发展水平,因而能够对区域的贫困程度进行测度[12]。基于此,部分学者深度开发利用夜光遥感数据,建模研究夜光遥感数据与区域内的贫困程度、扶贫质量等的关系。斯丽娟等[8]通过构建平均夜间灯光指数 (Average Nighttime Light Index，ANLI),并将ANLI和区域扶贫质量指数进行回归,发现两者存在明显的线性关系并呈现正相关,即平均夜间灯光指数越大,区域扶贫质量就越高。本系统引入河南省2000，2013和2020年夜光遥感影像，并计算其区域平均夜间灯光指数,科学客观展示河南省近年来的扶贫质量及脱贫成果,ANLI计算如公式(1)所示：

(1)

式(1)中,P为河南省行政单元像元的个数;IANL为区域平均夜间灯光指数;NP为第P个像元的属性值。

本文采用的夜光遥感影像包含两个数据源,2000和2013年夜光遥感影像采用中国科学院资源环境科学数据中心已处理好的美国国防气象卫星计划/线性扫描业务系统(Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System，DMSP/OLS)卫星数据,NP值范围为0～63。2020年夜光遥感影像采用美国科罗拉多矿业学院地球观测组织(EARTH OBSERVATION GROUP)官网(https:∥payneinstitute.mines.edu/eog/)原始卫星数据,并对其进行预处理,以实现两类数据的一致性。通过计算我们得到河南省2000，2013和2020年的IANL值,分别为4.246 8，9.084 3和12.235 5,表明河南省的扶贫质量呈现上升的趋势。

3 功能实现

3.1 信息录入

信息录入模块用来记录返贫人员的基本信息情况,用户登录后,点击上方导航栏“信息录入”按钮,即可输入相关信息,包括基本信息、家庭人员、生产条件、生活条件、家庭收支5个信息表。所有信息输入完成并点击确认提交后,普通用户输入的数据将存入数据库中,管理员可以在后台管理普通用户输入的数据,普通用户可以查看自己之前输入的信息并加以修改,见图3。

图3 信息录入

3.2 地图展示

项目人员通过应用程序接口(Application Programming Interface，API)接口调用百度地图,并将其与本地数据库进行连接,将空间信息与属性信息联系在一起,使贫困数据更直观清晰地展示出来。地图上的点表示返贫人口的地理位置,当鼠标移到标注点就会显示对应贫困户的详细信息。管理员能够直观地看到每个地区的返贫人口及数量,实时监测返贫人口数量和分布,见图4。

3.3 脱贫成果

通过对河南省2000，2013，2020年的夜光遥感影像进行处理计算得到每年的ANLI,其值分别为4.246 8，9.084 3和12.235 5。结果显示,随着年份的增加,河南省的ANLI值不断上升,这说明河南省扶贫质量呈现上升的趋势。扶贫成果展示模块通过向用户展示2000，2013，2020年的ANLI值和卫星夜晚灯光影像，宏观地展示脱贫成果,见图5。

图5 夜光遥感影像与ANLI

3.4 其他模块

在“互动交流”模块中,普通用户可与管理员用户进行动态交互,并对扶贫工作进行监督,该模块中普通用户可以查看对应帮扶人姓名、办公室地址、办公室电话等信息,并对帮扶人进行考核,用户还可以向管理员提出诉求并查看诉求完成进程;群众诉求模块仅服务于管理员,管理员在进入“群众诉求管理”模块后可看到用户提交的诉求,并能及时更改诉求状态,用户端实时更新诉求进程;另外,该系统还具有扶贫新闻模块,该模块包含扶贫动态和扶贫英雄,主要用于扶贫进程中扶贫新闻和扶贫先进人物的展示;最后，在贫困户信息管理模块中,管理员用户可以查看普通用户填写的各类信息,包括基本信息、家庭人员、生产条件、生活条件、家庭收支等信息；此外，管理员用户也可以添加、删除和修改返贫人口的各类信息。

4 结束语

本文设计开发的精准扶贫地理信息管理系统适用于对返贫人口的监测和管理,通过地理信息技术建立起统一的信息平台,可以对返贫人口的地理位置、信息、空间关系进行多维度展现与分析,帮助政府守住不发生规模性返贫的底线。另外普通用户可与管理员用户实时交流沟通,普通用户提出可行性建议,对扶贫负责人进行监督,使扶贫工作更透明高效。该系统将返贫数据及成果与地理信息系统结合起来,充分发挥地理信息系统的精准定位、可视化、数字化等优势,实现返贫人口的信息查询、位置展示等功能,提升精准扶贫工作的效率,为巩固脱贫成果、返贫人口监测和坚守返贫底线提供支持。