林业科学  2006, Vol. 42 Issue (增刊1): 31-36   PDF    
0

文章信息

陈艳, 雷振宇, 张旭, 刘燕.
Chen Yan, Lei Zhenyu, Zhang Xu, Liu Yan.
基于数字林业平台构建森林资源管理应用系统研究
Development of Forest Resources Management System Based on the Digital Forestry Platform
林业科学, 2006, 42(增刊1): 31-36.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(增刊1): 31-36.

文章历史

收稿日期:2005-07-22

作者相关文章

陈艳
雷振宇
张旭
刘燕

基于数字林业平台构建森林资源管理应用系统研究
陈艳 , 雷振宇 , 张旭 , 刘燕     
中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 100091
摘要: 介绍数字林业体系的多层结构以及基于面向服务的体系结构(SOA)的数字林业技术平台的构成。结合数字林业技术平台的研究, 在技术平台和林业基础数据库的基础上构建森林资源管理应用系统。重点阐述应用系统的实现方法、运行模式以及主要功能。研究表明:在服务平台基础之上构建森林资源管理应用系统, 提高了系统的重用性、可扩展性和互操作性, 这种开发模式是今后应用系统开发的发展趋势。
关键词: 数字林业平台    Web服务    森林资源    应用系统    
Development of Forest Resources Management System Based on the Digital Forestry Platform
Chen Yan, Lei Zhenyu, Zhang Xu, Liu Yan     
Research Institute of Forest Resources Information Techniques, CAF Beijing 100091
Abstract: In this paper the multilayer of the digital forestry system and the structure of the service-oriented architecture based on digital forestry technical platform were introduced in detail. As an application demonstration the forest resources management application system has been developed on the base of the technical platform and forestry elementary database.The implementation, operation pattern and main functions of the application system have been further described with emphasis.The research has showed that development of the forest resources management application system was based on the service-oriented technical platform so that the repeatability, expansibility and mutual manipulability of the application system have been strengthened. Such a development method will be the uptrend for application system development later.
Key words: digital forestry platform    Web service    forest resources    application system    

我国林业信息分布广泛、数量庞大, 运用常规的人工方式管理和分析, 不但周期长、时效性差, 而且难以满足复杂的数据分析需求。随着计算机、数据库、网络等技术迅猛发展以及在林业中的广泛应用, 林业行业从国家到地方, 从生产管理部门到研究机构构建了很多基于B/S结构的应用系统(陈端吕, 2001)。但是, 由于这些基于Web的应用系统都是针对林业某一专门应用(如森林资源管理、天然林保护工程管理与监测等)进行开发, 开发者往往只注重实现当前的需求和设计, 而没有考虑由此产生的软件资源的扩展性和复用性。系统平台的差异以及数据标准、存储方式的不同, 各应用系统之间不能互通互联, 无法实现共享, 形成了一个个信息孤岛, 导致信息不及时、不一致、利用率低下。因此, 开发通用性强、标准一致的一体化的信息共享、协同作业平台, 实现各应用系统互联互通并提供智能化的信息服务, 以适应我国林业现代化建设的需求, 迫在眉睫。数字林业平台建设为解决不同应用系统之间的资源共享和协同操作提供了技术支撑。本文将就如何基于数字林业平台构建森林资源管理应用系统进行研究。

1 数字林业体系结构

“数字林业”是对林业静态、动态、分析决策等各种特征的统一数字化表述与认识, 用户可以根据自己的需要实时地调用和获取自己有用的信息。建设数字林业是一个庞大而复杂的系统工程(方陆明等, 2002), 涉及广泛的领域和专业, 从涉及的内容和目的角度, 数字林业系统由应用系统层、数字林业平台层和数据实体层共同在统一的标准规范下组成(图 1)。数字林业标准规范主要由平台体系结构设计标准、数据标准和平台技术规范等组成, 它们是数字林业系统的基础保障; 数据层由林业公共基础数据(如森林资源数据、林业基础地理数据、遥感影像数据、社会经济、政策法规和文献资料数据等)和专题数据(如六大林业生态工程数据、森林灾害数据等)所构成的分布式数据库实体组成, 该层为数字林业各类应用提供数据支撑; 数字林业平台是数字林业系统的技术核心层, 由统一的服务管理平台下的各种数据服务、公共处理服务组成, 它的支撑环境主要由各种系统设施和. NET框架、J2EE、JSP、C#、Java、VB等系统运行环境与开发工具组成, 为数据管理和公共处理服务提供网络运行和支撑环境。数字林业平台的目的是为林业各类应用系统提供基于网络的、统一的、标准的公共技术服务; 平台应用系统层是基于数字林业平台提供的各种服务构建的各种应用系统, 它们是数字林业平台的服务对象, 应用系统构建成功与否是对平台技术先进性和实用性的有效验证。

图 1 数字林业体系结构 Fig. 1 Digital forestry architecture
2 数字林业平台

数字林业平台(digital forestry platform)是数字林业的技术支撑体系, 是林业各类应用系统的基础和系统平台, 以在线服务的方式集成国家、省、地、县以森林资源管理和林业生态工程管理为主线的应用系统所需要的各种公共处理服务。因此, 数字林业平台的体系结构要求具有统一标准、开放式结构、在线服务等特点, 能够实现资源共享、协同工作和林业管理中多层次多目标应用的需求。在充分研究目前国内外计算机技术、网络技术、通信技术等信息技术的基础上, 为平台确定了面向服务的体系结构(SOA, service-oriented architecture)。

2.1 面向服务的架构(SOA)

SOA目前尚未有一个统一的、业界广泛接受的定义。一般认为:面向服务的架构是一个组件模型, 它将应用程序的不同功能单元-服务(service), 通过服务间定义良好的接口和契约(contract)(消息机制)联系起来。接口采用中立的方式定义, 独立于具体实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言, 使得构建在这样的系统中的服务可以使用统一和标准的方式进行通信。

SOA的本质既不是产品也不是应用, 而是进行应用开发、产品选择、应用集成的策略和解决方案。SOA是一种架构模型, 它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用。SOA的一个中心思想就是为多个应用的集成提供解决方案。

2.2 Web服务(Web service)

Web服务是基于网络的、分布式的、自描述的、模块化的组件, 它执行特定的任务, 遵循一定的技术规范, 提供了面向Internet应用的统一服务注册、发现、绑定和集成机制。Web服务结合了基于组件的开发技术和Web技术的最佳方面。与组件类似, Web服务表示可以重复使用的黑匣功能, 而无须担心服务实现的方式。与当前组件技术不同, 不能通过对象模型特定的协议(DCOM、RMI、IIOP))访问Web服务。取而代之的是, 可以通过普遍的Web协议及数据格式访问Web服务, 比如超文本传输协议(HTTP)和可扩展标记语言(XML)。

Web服务体系结构:Web服务基于3种角色(见图 2:服务提供者、服务注册中心和服务请求者)和2种构件(服务、服务描述), 完成3种操作(发布、查询、绑定)。服务提供者提供服务, 并向服务注册中心发布服务描述信息, 服务请求者向服务注册中心查找到所需的服务和服务描述信息, 然后使用服务描述中的绑定细节来定位、联系和调用服务, 从而在运行时调用或启动与服务的交互(柴晓路等, 2003)。

图 2 Web服务体系结构 Fig. 2 The structure of Web service
2.3 SOA与Web服务

在理解SOA和Web服务的关系上, 经常发生混淆。Web服务是技术规范, 而SOA是设计原则。特别是Web服务中的WSDL, 是一个SOA配套的接口定义标准, 这是Web服务和SOA的根本联系。从本质上来说, SOA是一种架构模式, 而Web服务是利用一组标准实现的服务, Web服务是实现SOA的方式之一。用Web服务来实现SOA的好处是可以实现一个中立平台来获得服务, 而且随着越来越多的软件商支持越来越多的Web服务规范, 会取得更好的通用性。

虽然SOA中的服务不一定就是Web服务, 但Web服务到目前为止是实现SOA的最成功、最流行的形式。面向服务需要解决很多问题, 简单讲就是服务的管理、安全、易配置的调用、消息的可靠传递等, 这几年Web服务日渐发展, 不断解决SOA的基础问题, 比如ws-trust、ws-security、ws-policy、reliable messaging等。

数字林业平台的构建就是将不同的林业信息处理技术封装为统一标准的Web服务形式, 并与计算机、磁盘阵列、网络等硬件资源高度集成, 形成具有高效并行服务、资源共享和网络应用等特点的技术平台, 为构建林业各种应用系统提供基本服务组件。

2.4 数字林业平台构成

数字林业平台体系结构的最显著特点就是以“服务”为中心(范军等, 2004), 由数据服务、公共处理服务和服务管理3个子平台组成(图 1)。

数据服务平台:是数字林业平台的基础, 它通过对林业生产、管理、科学研究领域的各类数据资源以及相关行业的数据资源进行整合, 屏蔽数据资源的异构性和分布性, 形成了一套完整的数据支撑平台。向应用程序和用户提供以Web service方式封装好的对数据库的操作, 如数据管理服务、数据交换服务、数据传输服务、数据提供服务和全局数据视图等服务(李希胜, 2005), 数据库采用SQL SERVER 2000和ArcGIS。

公共处理服务平台:由构成数字林业应用系统的各种通用服务组成, 主要包括数据访问、统计分析、地图发布、空间分析、数据传输、文件操作等类型的服务。目前平台中已经部署了数据管理、空间分析、3D处理、数据交换、数值统计分析、数据挖掘、报表处理、信息表达、安全管理等9大类Web服务, 基于这些服务组件按照林业管理业务的流程进行逻辑序列化组织便可以形成相应的应用系统。

服务管理平台:服务是数字林业平台的基础, 随着数字林业平台的建设, 产生了大量林业数据服务和技术处理服务。由于服务具有部署和访问的接口以及可被发现等特点, 通过服务管理平台可以实现对这些服务的分类管理以及服务的注册、查询、浏览、发现、调用等功能。

3 森林资源管理应用系统构建

研究构建数字林业平台仅是建设数字林业的初始目标, 只有在统一的技术标准体系下, 以数字林业技术平台为基础, 构建面向林业各项管理的应用系统, 逐步实现林业管理与决策的信息化、智能化才是最终目标。因此, 选择部分应用领域运用平台开展示范应用, 是验证平台技术可行性的最佳途径。本文将以森林资源管理应用系统为示范, 阐述基于数字林业平台构建林业应用系统的方法, 构建其他应用系统的方法与此雷同。

3.1 系统实现方法 3.1.1 定义应用需求

构建森林资源应用示范系统的目标是为各级森林资源管理部门和相关部门的计划、决策、组织、指挥、控制和协调等活动有效地组织森林资源数据。根据森林资源信息管理的业务需求以及和退耕、天保等其他业务系统的关系, 确定如下应用功能。

动态查询:根据元数据、数据表说明、数据字典等, 列出可供查询的范围, 以时间、地域为条件查询, 产生查询结果返回XML格式数据, 客户端生成相应的显示表。

动态分析:根据元数据、数据表说明、数据字典等, 列出可供分析的范围, 先填写时间、地域、查询项等条件, 如有计算项再填写计算公式, 生成显示表以及分析图。

属性数据空间化显示:根据元数据、数据表说明、数据字典等, 列出可供查询的范围, 以时间、地域为条件查询, 产生查询结果返回XML格式数据, 然后和行政区划图叠加, 客户端生成相应的属性数据空间分布图。

多维数据分析:根据小班多维数据列出可供选择的维度, 以时间、地域以及选择的行、列维度为条件, 产生统计结果返回XML格式数据, 客户端生成相应的显示表。

多维数据空间分析:以地域、维度为条件, 查询小班多维数据, 产生钻取结果返回XML格式数据, 然后和林相图结合进行GIS处理, 生成某林业专题图。

3.1.2 实现应用功能

数字林业平台采用SOA的系统体系结构, 将基础数据、专用处理系统(GIS、DBMS等)、通用分析与数据处理技术、计算设施等资源以Web service技术封装成为构建各类林业应用信息系统的服务组件, 这些服务和应用可以通过HTTP和SOAP协议被调用, 它们对用户来讲是透明的, 这样除信息共享外, 平台还实现了应用、服务共享, 一次开发, 重复利用。基于数字林业平台中的服务组件按照林业管理业务的流程进行逻辑序列化组织便可形成相应信息系统。系统中各个应用功能的具体实现方法如图 3所示。

图 3 应用系统开发过程 Fig. 3 Developing application systems

首先, 应用系统开发人员明确应用需求, 将应用分解为若干小的应用服务(森林资源应用系统主要涉及数据交换服务、属性数据空间化服务、属性数据查询生成统计表、分析图服务、多维数据提供服务、多维数据查询服务、数据钻取服务、GIS处理服务和GIS发布服务), 登录数字林业平台中的服务管理平台, 查询平台中是否有所需的服务。然后, 根据查询结果不同执行不同的工作, 如果所需服务存在, 根据服务定义所规定的方式, 通过编程将服务绑定到应用中, 完成调用功能; 如果所需服务不存在, 则通知服务开发人员开发部署新的服务, 同时将服务发布到数字林业服务管理平台中, 供不同的应用系统调用。最后, 应用开发人员根据业务需求, 将开发的各个应用功能模块进行序列化组织, 这样就组成了一个实用的业务应用系统。不同的业务系统可以共享数据和服务, 提高了系统的重用性和互操作性。

3.1.3 应用运行模式

Internet发展至今, Web应用成了其主流应用, 它经历了静态信息发布、动态信息发布和联机事务处理3个阶段。通过Web对外发布信息, 不需考虑计算机操作平台、数据格式、数据服务位置等问题, 只需浏览器, 就能做到把信息提供者、管理者和使用者有机地联系在一起, 从而实现了信息的无偿共享, 另外随着网络服务(Web service)的广泛应用, Browser Server运行的模式更体现出它的优势。因此基于数字林业平台的应用示范系统采用B/S结构对外发布信息。

整个平台是由若干个节点构成的分布式系统(张志强等, 2003), 具体到某一节点而言, 由FTP缓冲池、各种数据服务、业务服务、业务应用以及数据管理中心组成。系统可以调用各个节点上部署的Web service来构建自己的应用。如图 4所示, 用户通过Internet登录到本系统, 通过Web服务器调用应用服务器, 访问其上部署的各种应用功能, 各功能模块一部分是调用自身的服务产生, 而另一部分是通过Internet调用各个节点上部署的服务生成的(段江涛等, 2005)。

图 4 应用系统多节点运行模式 Fig. 4 Application system multi_node running model
3.2 系统功能

应用系统分析人员利用系统的应用功能, 结合系统业务需要, 生成了各种分析结果, 将这些结果按照一定的逻辑顺序组合, 便形成了相应的应用系统。目前森林资源应用示范系统是由如下功能模块组成的。

图 5 森林资源管理应用系统功能模块 Fig. 5 Forest resource management system function 1.Data exchange     8.Natural forest resource    15.Forestland area totalization by ownership 2.Data totalization    9.Man_made forest resource    16.Forest type totalization by origin 3.Data gather    10.User_defined analysis    17.User_defined analysis 4.Search by region    11.Changes of forestland areas   18.Forest resource map by cover rate 5.Search by time scale    12.Changes of forest areas and volumes   19.Spatial distribution by composition 6.Analysis of soil resource utilization    13.Changes of forest quality   20.Forest resource distribution map 7.Status of forest resource    14.User_defined analysis
3.2.1 数据统计汇总

首先从上级主管部门为下级上报数据部门建立用户, 同时制定上报计划及任务列表, 以标准的XML格式存储。下级数据上报单位使用自己的用户名和密码登陆到上级系统服务器, 获得需要上报的数据文件及数据标准, 下载到本地, 由本级系统产生符合上报标准的数据, 以XML格式, 通过FTP方式上传到上级系统, 由上级系统检查、验收, 确定无误后汇总、入库。数字林业数据交换方式采用FTP协议完成, 这种方式解决了多年来林业行业未解决的大数据量传输的问题。

3.2.2 森林资源信息查询

查询是根据一定的目的, 对原始数据信息进行检索、查找、显示和浏览的过程。它是信息管理系统中最主要的功能之一。查询方式包括空间查询和属性查询。

3.2.3 森林资源现状分析

以统计单位和调查时间为条件, 详细分析各林种、树种、龄组的面积、蓄积和结构分布(如林木径级结构、材种类型结构等)现状, 同时用户可通过自定义统计内容, 生成统计报表, 以Excel或其他格式输出。通过分析, 决策者可以从森林可持续发展的角度对这些结构的合理性进行评价, 并对今后的森林利用和调整做出决策。

3.2.4 森林资源消长变化分析

以统计单位和调查时间为条件, 与历次调查结果进行比较, 分析土地利用结构, 各类森林的面积、蓄积、结构和生产力的变化趋势, 总结期间森林经营中的经验和教训。

3.2.5 多维数据分析

针对传统的森林资源管理系统难以实现从多角度应用多指标对森林资源各因子之间的关系进行分析的缺陷, 本系统开发了以小班数据为基础, 基于数据仓库和联机分析处理(OLAP)多维分析功能。用户可通过任意组合分析条件, 找出小班各因子之间的关系, 为制定合理的森林经营方案提供依据。

3.2.6 森林资源空间分析

主要是将地理信息系统(GIS)和森林资源专题信息结合进行分析, 为采取进一步的经营管理措施提供决策支持。在系统中, 包括两部分空间分析的内容, 一部分基于统计汇总数据的属性数据空间化显示; 另一部分是以小班的相关专题信息为统计分析对象, 统计该对象的分布、面积、小班数等信息, 同时可生成相应的林业专题图。

4 结论与讨论

传统林业应用系统由于是各地区、各业务部门独自开发的, 因此不能互通互联, 无法实现共享, 基于数字林业技术平台的森林资源管理应用系统是从现代森林资源管理和森林经营的需要出发而设计的, 它采用面向服务的体系结构, 以Web service技术实现。新模式的森林资源管理应用系统是一个灵活开放的系统, 实现了可维护性、可扩展性、可移植性等功能。但是, 由于Web service在执行效率、安全性、运营管理以及消息传递的可靠性等方面仍存在一定的问题, 因此基于数字林业平台构建应用系统也应在这些方面进行不断地研究、探索。

本系统是在数字林业技术平台基础上建立的应用示范系统, 仅以广西壮族自治区为示范点, 因此系统有待于在其他省推广, 以便对系统进行进一步检验。

参考文献(References)
柴晓路, 梁宇奇. 2003. Web Services技术·架构·应用. 北京: 电子工业出版社.
陈端吕. 2001. 森林资源管理信息系统的研究现状及发展. 林业资源管理, (6): 73-78. DOI:10.3969/j.issn.1002-6622.2001.06.017
段江涛, 王保保. 2005. 基于Web Service的应用系统构架研究. 计算机仿真, 22(5): 259-261. DOI:10.3969/j.issn.1006-9348.2005.05.073
范军, 邵崇斌, 赵文英. 2004. 数字林业基础建设中应用Web服务技术的构想. 西北林学院学报, 19(3): 171-174. DOI:10.3969/j.issn.1001-7461.2004.03.047
方陆明, 陈勤娟, 周友法. 2002. 中国数字林业的构建和展望. 浙江林学院学报, 19(2): 222-226. DOI:10.3969/j.issn.2095-0756.2002.02.026
李希胜. 2005. 数字林业中异构数据库的解决方案研究. 森林工程, 21(1): 69-70. DOI:10.3969/j.issn.1001-005X.2005.01.025
张志强, 张志刚, 黄军勤. 2003. 一种基于Web Service的分布式应用系统研究. 西安理工大学学报, 19(2): 182-185. DOI:10.3969/j.issn.1006-4710.2003.02.018
Sheila A M. 2001. Semantic Web Services. IEEE Intelligent Systems: 16.