基于关系数据库的管理信息系统是当前计算机应用开发的热点之一。随着计算机技术水平的提高, 实际应用对信息管理系统提出了更高的要求, 快速原型法、生命周期法、原型进化法都无法适应软件开发的进化特性。改进的原型进化法是在原来的基础上, 结合结构化、自顶向下的分析方法形成的软件开发模式。在通用的县级森林资源信息管理系统的开发中, 使用PowerBuilder8.0为工具, 对基于面向对象的改进的原型进化法进行了有益地探讨和实践。

1 原型进化法与结构化模型法相结合的开发方法

结构化的分析和设计方法是早期MIS设计的主要手段。各阶段的工作自上向下, 从抽象到具体顺序进行, 采用系统分析的方法能合理地构建系统(薛华成, 1999; 黄梯云等, 1999; 姜同强, 1999; 林士敏等, 2001)。该方法对系统的需求分析非常重视, 要求开发人员必须非常明确系统用户的需求, 但是由于用户的素质等方面的原因, 用户一般只能大概描述软件的目标和功能, 开发者根据自己对用户需求的理解开发出的软件往往与用户心目中的要求相去甚远(林士敏等, 2001; 陈钊等, 2004)。不可避免地出现了开发周期长, 用户在系统开发完成后又提出新的要求, 系统将很难做出调整等问题。

原型进化法是针对结构化方法的缺陷提出的新的设计方法。基于面向对象技术的原型进化模型是在Boehm的螺旋模型基础上, 引入面向对象技术而形成的一种软件开发模型(林士敏等, 2001; Roger, 1997; 冯秀兰等, 2001)。其基本思想是在面向对象技术的支持下, 使用原型明确需求分析, 用直线顺序法进行开发控制, 每一阶段重复线性顺序方法的步骤, 但螺旋式上升, 不断改进原版本。但由于它采用自下向上的归纳, 会使系统的整体结构不尽合理。

改进的原型进化法是在原型进化的基础上, 结合结构化系统分析而形成的一种软件开发模型。它吸收了原型进化法的优点, 同时运用系统分析的方法克服了原形进化法结构不合理的缺陷。开发过程由下列阶段组成:概念开发阶段、产品开发阶段、产品维护阶段(林士敏等, 2001; Roger, 1997; 张海藩, 2003)。在形成原型时, 用系统分析的方法, 采用自上而下的方式把系统的功能抽象化, 层层细分成多个子系统、模块。一次循环中的构架活动由下列阶段组成:需求分析、系统分析、计划制订、风险分析、工程开发、集成和发布、用户评价(林士敏等, 2001; Roger, 1997; 邓仲华, 2003)。改进的原型进化模型不是一次完成, 而是在循环中不断完善。只要用户提出新的要求, 就可以在适当的起点启动处理过程, 在与用户交换意见后, 不是简单地抛弃原型, 而是在保留原型的逻辑结构的基础上, 对需要改动的模块或子系统进行改进、增加或删除(图 1)。

信息系统的开发和提高过程是人们对现实问题了解、认识、抽象、用信息系统管理和表达的过程, 随着客观事物的发展, 人们对事物的认识与理解也会有相应的变化, 已开发的信息系统要延长其使用寿命, 就需要及时反映用户的新需求, 在不彻底推翻系统的前提下, 增加新的功能, 满足用户的需要。改进的原型进化法更加符合人们认识客观世界的规律, 因而是比较好的系统设计方法。

2 系统的设计思想

通用的县级森林资源管理信息系统GFRMIS(general forest resource management information system for forest bureau on county level)是数字林业公共技术平台的一部分, 其用户是县级林业部门, 它必须具有2个基本功能:第一, 满足县级林业部门森林资源信息管理的需求; 第二, 也是最主要的功能, 数据标准化, 向省级数字林业平台提交标准化的数据, 为国家重大林业决策分析提供依据。具体要求如下: 1)通用性:由于我国地域辽阔, 编码体系、树种的命名、字段的命名、数据库组织结构、行政区划等各地区间存在很大的差异, 所以要求系统必须适用于每个县林业局, 满足一般的县级林业部门对森林资源信息化管理的需要。2)标准规范性:能够对地方的森林资源数据进行标准化处理, 为省级数字林业平台提供标准、规范的基础数据, 这些数据可为进一步的数据挖掘、决策分析提供依据。3)地方兼容性:各个地方的系统应在本系统的框架上采用各省的地方标准和编码体系进行搭建, 以便于地方用户应用。4)继承性:系统应该提供良好的开发环境, 支持组件技术, 用户稍加培训后, 就可以在操作指南的指导下, 不用修改代码, 只需通过窗口操作就可以快速吸纳地方已有的研究成果或其他优秀的组件, 如利用组件技术直接挂接地方已有的系统、地方的编码系统及数据库结构等, 对系统进行二次开发, 快速地建立地方的实用系统。5)系统功能易于扩展、维护:随着森林资源经营管理水平的提高和人类对森林资源认识的不断深入, 人类所掌握的森林资源信息量也在不断地增加, 作为对这些信息进行管理的工具, 如果不能通过及时扩展功能来适应这些变化, 必然会被淘汰, 所以系统在设计时就需要在代码维护、森林资源信息类别维护、功能模块维护等方面为将来的扩充留有空间, 系统还应该支持组件技术, 因为组件技术的应用可以使系统的更新和扩展更加容易。

3 系统设计

在对系统进行初步分析后, 把系统的功能进行抽象化, 并划分成以下5个子系统:数据录入、标准化、图形操作、信息查询和库表维护。在构建原型时没有使用原型自动生成器, 而是利用PB强大的窗口功能(北京时代朝阳数据库技术中心, 2002; 晓通网络数据库研究所, 2000), 把主菜单和主要功能窗口组合成原型, 形象化地对系统的功能进行演示, 在和用户进行交流、收集用户意见和建议后重新组织系统结构、编制程序、优化数据库, 然后再和用户交流, 对系统作进一步改进和完善, 直到用户满意。

经过几次循环改进后, 目前的系统按功能划分为打开(新建)表、数据管理、信息查询、系统工具、资源统计、图形管理、系统帮助7个子系统(图 2), 每个子系统拥有数个功能模块, 各个子系统和功能模块相对独立, 在用户提出新的要求或发现新的问题后, 可以对局部进行修改, 而不影响整体框架。不同用户拥有不同的权限, 可分别使用上述功能中的部分或全部。

考虑到系统的可扩充性、通用性、地方兼容性及易于维护性, 系统设计和开发了比较完备的系统表及系统表管理功能; 设计的各子系统、模块相对独立, 它们通过内部逻辑关系相连接, 用户在应用原型过程中, 如果提出新的要求, 通过对局部进行修改与完善, 就可以提高系统的整体性能, 而不需要推倒重来, 这样大大提高了系统开发的效率并为以后版本的升级和更新奠定了良好的基础; 另外, 系统在设计时考虑到森林资源数据量大、数据容易出错等因素, 在数据录入窗口都有对应字段的代码提示, 对地方已经整理好的数据可以采用快速灌入的方式, 这些都增加了系统的易操作性; 更为重要的是用户对系统的应用和对数据库的管理, 包括对库表结构的修改、地方国标代码的编辑、系统扩展等都可以不用修改代码, 通过窗口操作就可以轻松地完成, 这些都有助于系统的日常维护和管理。

4 通用的县级森林资源管理信息系统GFRMIS的开发

采用PowerBuilder8.0作为开发工具, 在Windows2000环境下实现了系统的主要功能。组件技术的应用进一步增强和完善了系统的功能:用友公司开发的Cell组件弥补了PB处理报表的缺陷; 中国林业科学研究院资源信息研究所自主开发的ViewGIS组件则实现了图形数据的管理以及图形和属性库的互查功能。

4.1 系统功能简介

GFRMIS如图 2所示, 主要具有下述7种功能: 1)打开、新建表:按年代、乡镇名和代码、表序号打开(一类、二类、三类)地方表以及和地方表关联的国标表, 如果此类表不存在, 则新建此类的所有表。表结构根据表的库表序号从系统表中提取。2)数据管理:录入在打开表中打开的地方表的数据, 可以采用窗口录入, 也可以从外部文件导入; 把地方数据转化成标准数据, 并可以选择保存格式和存储路径对标准数据进行备份。3)信息查询:主要用来查询用户感兴趣的属性数据和图形数据, 如一个乡海拔大于300 m的林地面积。4)资源统计:生成地方的资源统计表(参照地方标准建立)和国家标准统计表(参照国家标准建立)。5)图形管理:用地理信息系统软件ViewGIS进行各种专题图形管理, 包括输入、编辑修改、制图、打印输出等。6)系统工具:系统工具是本系统的核心部分(详见4.2)。7)系统帮助:提供随机帮助。

4.2 系统工具

为了实现系统的可扩充性、通用性和地方兼容性, GFRMIS中提供了比较完备的系统表及系统表管理功能。所完成的7个系统工具中, 原始表维护功能比较复杂, 在本文4.3中介绍, 其他的6个功能如下: 1)系统名称维护:可以输入和修改系统名称。2)用户管理:对用户名、密码和用户级别进行管理。3)国标码维护:国家标准代码表依据最新的《数字林业标准规范》(即将出版)建立, 它主要用于数据标准化。本模块对国家标准代码表可以进行维护, 如增加、删除、导入、导出等操作。4)地方代码维护:地方代码表(见表 1)根据各地方的省级林业标准建立。本模块的主要功能是:对系统代码进行增加、删除、导入、导出等操作, 建立地方代码和国标码字段级和代码级的对应关系(见表 2)。5)派生表维护:可以按类别、年代和乡镇或林场查找此类表(在打开新建表时建立的表), 如果此类表存在, 可以进行批量的导出、删除操作, 如果不存在, 显示提示信息。派生表库表的名称是按照一定的规则命名的, 例如:英文表名=原始表的英文标示+年代+乡镇代码; 中文表名=原始表中文标示+年代+乡镇代码的前2位。6)系统区划级维护:可以根据各地区不同的需求建立自己的区划级体系。

4.3 原始表维护

原始表维护包括:建立属性数据类别、建立各类别原始表结构、表结构的修改与维护、数据标准化设置。这部分是系统的核心部分, 内容比较复杂, 所以做详细阐述。

本系统提供了四级表分类体系, 如图 3所示, 用户可以根据地方的需要, 将所有数据原始表按四级表分类体系分类和命名(如表 3所示)。对于一类调查数据由省级林业部门统一管理, 本系统只提供浏览的功能。本模块提供的功能主要有以下3个方面:

1) 对原始表类别进行编辑:增加、删除、修改等。各级类别都能自由扩充, 即增加相应的内容。通过编辑四类系统表的各级库表序号、英文标示、中文标示就可以组合出每类库表的库表序号、英文子表名、中文子表名(见表 3), 这些子表名和库表序号在原始表信息库中具有唯一性, 在新建打开表窗口中操作的表就是根据这些库表序号从系统表中找到这类表的表结构, 然后按用户所选择的表类别和年代等建立派生表。

2) 建立原始表的表结构(表 3中的表类别3中的表):地方原始表依据各地方的省级林业标准和地方代码表建立, 国标表根据国家林业局颁布的《森林资源规划设计调查主要技术规定》和《数字林业标准规范》建立。每个结构有一个唯一的库表序号。如果地方已经建好了库表结构可以直接导入到系统中。建好的表结构存放在系统表中。

3) 数据标准化设置:按类别选择标准表和标准表对应的数据源表, 然后建立数据源表与国家标准表结构的对应关系, 见表 4。

5 系统应用实例

通用的县级森林资源管理信息系统GFRMIS建成后, 在广西壮族自治区武鸣县进行了调试和应用。武鸣县位于广西壮族自治区中南部(107°49′—108°37′E, 22°59′—23°33′N), 总面积3 366 km², 属亚热带季风区, 阳光充足, 雨量充沛, 霜少无雪, 年均气温21.7 ℃, 年均降雨量1 300 mm。

5.1 基础资料收集与整理

没有森林资源信息即准确的森林资源数据, GFRMIS只是一个空架子, 所以收集原始资料并对原始资料进行分类整理是建立信息系统重要的基础性工作。

5.1.1 基础资料收集

收集到的基础资料有:广西壮族自治区武鸣县1999年二类调查数据、1999年各类属性代码和区划代码、1999年森林资源图、数字高程图、行政区划图、1999年遥感图及《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)。

5.1.2 基础资料整理

首先, 以《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)为依据, 结合武鸣县的代码表, 建立完善的地方代码, 地方表可以在系统的窗口中录入, 也可以把已建好的代码表以文本的形式灌入到系统中。然后把原始数据中涉及代码的内容依照整理好的地方代码重新修改, 最后, 在外部参照《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)中的各类表的数据结构, 整理基础数据, 并以文本的形式保存。

5.1.3 常见问题及处理方法

在数据整理过程中经常遇到的问题是: 1)同物异码, 由于调查时所用的规程和所依据的规程的内容不同等原因, 所以经常出现同一个数据对应的是不同的代码; 2)数据结构不一致; 3)有些地方代码在《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)中找不到。针对上述问题, 作者与地方林业局的有关人员做了进一步的核实, 已基本得到了解决。

5.2 武鸣县林业局的森林资源管理信息系统的建立

整理好基础数据后, 按下列步骤建立广西壮族自治区武鸣县林业局的森林资源管理信息系统。

5.2.1 系统名称的修改

在系统工具子系统中的系统名称维护模块中, 在系统名称维护窗口修改系统的名称为:广西壮族自治区武鸣县森林资源管理信息系统, 修改后保存, 则当前的系统名称就是广西壮族自治区武鸣县森林资源管理信息系统, 并在打开系统时在界面上显示。

5.2.2 数据的分类与编码

1) 建立原始表:根据现有的基础数据, 依据《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)建立原始表, 见表 5, 并保存在系统表中。

2) 建立派生表:在打开新建表窗口按类别选择库表序号, 输入年代(1999), 选择乡镇、林场的名字和代码, 系统就会从系统表中调出表序号对应的表结构生成派生表。一个乡镇有5个派生表, 全县21个乡镇共有派生表 105个。以玉泉乡(区划代码: 1090800)为例, 它对应的派生表的库表序号、英文表名和中文表名如表 6所示。

3) 灌入或录入数据:打开了一个乡镇、林场的地方二类库表后, 在数据管理的数据录入窗口就可以把已经整理好的数据灌入到系统中, 如果逻辑检查通过, 数据就被成功地保存在系统的数据库中。

4) 图形数据处理:广西壮族自治区武鸣县在ViewGIS环境下对基础图进行处理, 生成各种专题图。

5.2.3 数据标准化

在县级森林资源管理信息系统中, 向省级数字林业公共技术平台提交标准化的数据是比较重要的功能, 也是本系统的一个主要的特色。数据标准化通过3个层次实现:表级映射; 字段级映射; 代码级映射。

1) 表级映射:目前搜集到的数据只有地方二类数据, 所以只能提交一种标准表(小班核心因子表), 建立一种表级映射, 即小班核心因子表(标准表)对应地方二类小班一般因子表。2)字段级映射:在用户窗口把国标表字段名与对应的源数据表字段名一一建立对应关系, 对应的源数据表的字段名可以输入, 也可在提示窗口选择, 建好后提交, 信息存放在地方表与国家标准表结构的关系表中。3)代码映射:我国幅员辽阔, 不同地区的森林资源在树种、地类、林种等方面都存在很大的差异, 一般地方代码库只包含本地用到的代码, 除此之外, 同物异码、异物同码也很普遍, 所以在代码维护子系统中首先要解决的是国标码和地方码的一对多的映射问题。代码映射通过2个步骤实现:建立武鸣县森林资源管理信息系统中的地方代码表与国标代码表字段级的对应关系(表结构见表 2); 建立武鸣县森林资源管理信息系统中的地方代码和国标码代码级的对应关系, 即在地方代码表中加上对应的国标代码(表结构见表 3)。在建立这2个对应关系时, 都是在用户窗口操作。4)提交标准化的数据:在建立上述标准化映射后, 该系统可以在标准化窗口将建好的地方二类库表数据转化为具有标准化结构和标准代码的标准化数据。

5.2.4 统计报表

本系统提供了2种资源统计功能, 即地方统计表和国家(省级)标准统计表。统计表部分全部采用Cell组件处理, Cell组件强大的表处理功能和美观的外观弥补了PB不能很好处理报表的缺陷。1)地方统计表:依据《广西壮族自治区森林资源规划设计调查技术方法》(1999年)建立, 数据来源是武鸣县1999年小班一般因子表。该项功能可以通过组件方式将地方已有的统计功能挂接上。2)国家标准统计表:依据《森林资源规划设计调查主要技术规定》(1999年)建立, 数据来源为由武鸣县地方数据生成的标准表———核心因子表。

至此广西武鸣县的县级森林资源管理信息系统基本完成。在建立过程中都是采用窗口操作, 无需对系统的代码进行修改, 数据的录入采用把在外部整理好的原始数据快速灌入的方法, 在很短的时间内就可以完成武鸣县森林资源管理信息系统。

6 结论与讨论

森林资源信息的标准化问题一直以来是制约林业数字化进程的瓶颈, 本系统把面向对象的方法和传统的结构化方法相结合(即改进的原型进化法), 建立了通用的县级森林资源管理信息系统, 首次实现了森林资源数据的标准化。改进的原型进化法的应用使用户能够更加准确地表达需求目标, 故软件更接近用户的实际要求; 在系统设计阶段既考虑国家标准又兼顾了地方标准, 这样极大地提高了系统的适应性, 为以后软件的推广和应用铺平了道路; 对组件技术进行了有益的尝试和探索:统计表部分采用Cell组件进行报表处理; 在图形查询部分应用了外部组件———ViewGIS实现图和属性的互查。系统完成后, 以广西宾阳县和武鸣县为试点, 已经成功地对两地的森林资源数据进行有效管理, 并向数字林业平台提交了两地的标准化数据, 收到了非常好的效果。

本研究目前已实现的主要功能是数据处理、查询和数据标准化, 要更好地为数字林业服务, 为地方的森林资源信息化服务, 还应在以下几方面做进一步研究: 1)组件技术的进一步应用用户无须抛弃正在使用的系统, 只要把新的研究结果挂接到系统中就可以完成系统功能的扩展; 2)管理数据的最终目的是为决策和管理服务, 数据挖掘技术的应用将是森林资源管理的一个重要研究课题, 本系统只是对数据进行了标准化的处理, 如何应用这些数据更好地为决策和管理服务将是下一步研究的重点; 3)网络化的数据交换和共享是当今和未来管理信息系统发展的主流, 基于局域网的县级森林资源管理信息系统是需要继续研究的内容之一; 4)森林资源每天都在变化, 计算机技术的发展日新月异, 系统如何进行快速更新, 以适应这些变化, 还有待于进一步的研究和探索; 5)自由报表一直以来是统计报表中的难点, 从理论和应用角度考虑, 在这方面做一些研究是非常必要的。