基于开源GIS的林业有害生物监测与预警系统

２０１５年３月第３６卷　第３期计算机工程与设计ＣＯＭＰＵＴＥＲＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＤＥＳＩＧＮＭａｒ．２０１５Ｖｏｌ•３６　Ｎｏ•３基于开源ＧＩＳ的林业有害生物监测与预警系统赵仁辉１，２，刘　丽１＋，王志宝３，邵　静１，２（１．中国科学院遥感与数字地球研究所北京１００１０１；２．中国科学院大学资源与环境学院，北京１０００４９；３．东北石油大学计算机与信息技术学院，黑龙江大庆１６３３１８）摘　要：针对林业有害生物监测与预警系统建设中存在开发成本较高、开放性较差、灵活性较低等问题，提出基于开源ＧＩＳ的系统架构。

阐述以ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ／ＰｏｓｔＧＩＳ为空间数据库、ＭａｐＳｅｒｖｅｒ为ＧＩＳ引擎、ＯｐｅｎＬａｙｅｒｓ为客户端搭建据的系统平台，对多级地图缓存和基于ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ的模型库等关键技术进行分析与描述。

原型验证及工程实践结果表明，该系统具有低成本、高开放、扩展性强等特点，对于加强林业有害生物信息网络化管理和宏观科学决策具有推广应用价值。

关键词：地理信息系统；开源；林业有害生物；监测与预警；Ｗｅｂ服务中图法分类号：ＴＰ３１１　文献标识号：Ａ　文章编号：１０００‐７０２４（２０１５）０３‐０８０２‐０７ｄｏｉ：１０•１６２０８／ｊ•ｉｓｓｎ１０００‐７０２４•２０１５•０３•０４８收稿日期：２０１４‐０３‐２８；修订日期：２０１４‐０５‐２９基金项目：国家科技支撑计划基金项目（２００６ＢＡＤ２３Ｂ０４）；国家８６３高技术研究发展计划基金项目（２００８ＡＡ１２Ｚ２０３）作者简介：赵仁辉（１９８８），男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为ＷｅｂＧＩＳ、空间决策支持；＋通讯作者：刘丽（１９８６），女，河北承德人，博士，研究方向为地理信息系统与应用；王志宝（１９８１），男，黑龙江大庆人，博士，副教授，研究方向为空间数据管理；邵静（１９８８），女，河北秦皇岛人，博士研究生，研究方向为智慧城市。

Ｅ‐ｍａｉｌ：ｚｈａｏｒｅｎｈｕｉ２００８＠１２６•ｃｏｍＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｏｒｅｓｔｐｅｓｔｂａｓｅｄｏｎｏｐｅｎｓｏｕｒｃｅＧＩＳＺＨＡＯＲｅｎ‐ｈｕｉ１，２，ＬＩＵＬｉ１＋，ＷＡＮＧＺｈｉ‐ｂａｏ３，ＳＨＡＯＪｉｎｇ１，２（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＤｉｇｉｔａｌＥａｒｔｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ１６３３１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅｈｉｇｈｃｏｓｔ，ｐｏｏｒｏｐｅｎｎｅｓｓａｎｄｌｏｗｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｅｖｉｏｕｓＧＩＳｂａｓｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｏ‐ｒｅｓｔ，ａｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｏｐｅｎ‐ｓｏｕｒｃｅｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ／ＰｏｓｔＧＩＳｗａｓｕｓｅｄａｓｓｐａｔｉａｌｄａｔａｂａｓｅ，ＭａｐＳｅｒｖｅｒｗａｓｕｓｅｄａｓＧＩＳＥｎｇｉｎｅａｎｄＯｐｅｎＬａｙｅｒｓｗａｓｕｓｅｄａｓｃｌｉｅｎｔ．Ｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｍｕｌｔｉ‐ｌｅｖｅｌｍａｐｃａｃｈｉｎｇａｎｄｍｏｄｅｌｌｉｂｒａｒｉｅｓｂｕｉｌｄｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｎｇｉ‐ｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｈａｓｌｏｗｃｏｓｔ，ｈｉｇｈｏｐｅｎｎｅｓｓａｎｄｓｔｒｏｎｇｅｘｔｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｉｓｏｆｇｒｅａｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｆｏｒｅｓｔｐｅｓｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｍａｃｒｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｄｅｃｉｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ｏｐｅｎ‐ｓｏｕｒｃｅｓｏｆｔｗａｒｅ；ｆｏｒｅｓｔｐｅｓｔ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｗａｒｎｉｎｇ；ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ０　引　言由于有害生物信息具有明显的时空变异特征，有必要借助空间分析手段，已有很多研究将ＧＩＳ（ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎ‐ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）应用于有害生物监测与预警系统的建设中［１］。

如刘明辉等［２］基于ＧＩＳ平台，依循专家经验预测方法，构建了农业病虫害预测预报专家系统，实现了病虫害发生的地理空间描述。

王霓虹等［３］将ＷｅｂＧＩＳ技术和人工智能结合，设计了有害生物预测预报专家系统，使得对森林病虫害预测预报更加全面有效。

常原飞等［４‐８］分别基于•ＮＥＴ平台和ＡｒｃＧＩＳ二次开发技术研发了全国、省、市、县的林业有害生物监测系统，满足了各级森防机构的生产管理需求。

然而，这些系统采用商业ＧＩＳ软件，一方面开放性和灵活性较差，难以实现互操作与数据共享；另一方面，商业ＧＩＳ提供的许多功能在实际中利用率低，造成浪费。

与此同时，种类丰富涵盖面广的开源ＧＩＳ项目吸引了大量的科研机构参与研发，使其具有强大的技术支撑。

由于遵守ＯＧＣ制定的规范，开源ＧＩＳ不仅弥补了商业软件在数据共享、互操作等方面的缺陷，而且可以通过组合不同层次的软件快速搭建，对构建中小型ＧＩＳ应用系统有很强第３６卷　第３期 赵仁辉，刘丽，王志宝，等：基于开源ＧＩＳ的林业有害生物监测与预警系统　的优势。

本文在对各种开源ＧＩＳ软件对比分析［９‐１１］及对有关行业应用现状研究［１２，１３］的基础上，选择以ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ／ＰｏｓｔＧＩＳ作为空间数据库、ＭａｐＳｅｒｖｅｒ作为ＧＩＳ服务器、ＯｐｅｎＬａｙｅｒｓ作为客户端搭建ＷｅｂＧＩＳ框架，并结合ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ技术封装预测模型，实现了林业有害生物监测与预警系统，使有害生物信息能够及时更新发布，为森防人员和林农提供了一个管理和信息展示的平台。

１　系统设计１•１　系统架构系统采用传统的Ｂ／Ｓ（ｂｒｏｗｓｅｒ／ｓｅｒｖｅｒ）架构，分为数据层、业务逻辑层、表现层和用户层。

系统各层次之间的接口均符合ＯＧＣ规范，因而具有高度的开放性并易于扩展。

系统架构如图１所示。

图１　系统架构 数据层。

使用ＰｏｓｔＧＩＳ／ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ和文件系统作为空间数据和有害生物属性数据的联合存储方案。

其中Ｐｏｓｔ‐ｇｒｅＳＱＬ数据库实现对属性数据直接管理，ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ／ＰｏｓｔＧＩＳ共同实现对空间数据的统一管理。

对于影像和ＤＥＭ等栅格数据，则采用文件管理系统。

属性数据更新主要通过标准的数据模板导入和统一的数据接口服务２种方式实现。

在更新过程按照各类约束关系进行校验，确保数据的有效性。

业务逻辑层。

接收来自客户端的请求，并根据请求类型进行响应。

通过ＧＩＳ服务器和应用服务器提供空间数据服务和业务服务。

其中，ＭａｐＳｅｒｖｅｒ作为ＧＩＳ服务器，提供符合ＯＷＳ协议框架的空间数据服务（ＷＭＳ／ＷＦＳ／ＷＣＳ）。

ＷＭＳ主要用于从空间数据库中获取地理要素并将其绘制成地图返回给用户；ＷＦＳ可用来返回ＧＭＬ编码格式的空间要素信息，同时也支持对要素进行增删改；ＷＣＳ是针对栅格数据的服务，用于向用户提供栅格影像数据。

使用这３个服务可完成对不同类型的空间数据进行共享。

应用服务实现除地图服务以外的有害生物业务逻辑，如数据上报、查询、统计等。

表现层。

使用ＯｐｅｎＬａｙｅｒｓ结合ＡＪＡＸ框架开发。

当用户执行操作时它向业务逻辑层发送请求，然后解析Ｗｅｂ服务器返回的数据，以图文一体化的方式显示空间和属性信息，同时也为用户提供地图交互分析的接口。

ＡＪＡＸ中间层保证较高的网络传输速度和页面刷新效果。

用户层。

使用本系统的用户群。

包括各级林业森防机构、企业、公众和系统管理员。

系统利用ＸＭＬ配置文件对数据资源和功能的访问权限进行控制，按照用户组管理用户，服务与用户组相对应的方式进行设置。

具有足够权限的用户才能够访问特定的数据和功能。

１•２　数据库设计有害生物发生事件具有明显的空间特性和时间特征。

为了能够有效管理，综合分析利用，系统数据库从多尺度，多时态，多维度角度进行设计（如图２所示）。

空间尺度方面，对林业信息进行多级划分，包括省‐市‐县‐乡‐小班５个级别，利用编码建立地理要素的空间嵌套关系。

时间尺度方面，建立以空间要素为单元，以时间为记录节点的变化・３０８・　计算机工程与设计２０１５年关系，体现有害生物时序上的变化。

维度方面，整合多源异构空间数据和属性数据。

根据以上原则，数据库设计如下：①空间数据库。

包括行政区划、水系、道路、林业小班等矢量数据，以及遥图２　数据概念模型感影像、地貌等栅格数据；②有害生物发生防治数据库。

存储林业有害生物原始监测信息及各级汇总数据，为灾害的趋势预报提供历史数据源；③林业有害生物基础资料数据库。

包括有害生物的分类、代码、病虫树种对应关系等基础信息；④模型库。

作为林业有害生物专家系统的基础，其内容包括描述型知识、数值型模型等，通过一定的推理机制实现对林业有害生物的预测预警分析；⑤辅助数据库。

包括气象数据库、森林资源数据库等。

１•３　功能设计各级森防机构依托林业有害生物监测与预警系统，对有害生物信息进行存储、管理、分析、灾害发布和预报预警。

为有效支撑该业务过程，系统应具备如下功能（如图３所示）。

图３　系统功能结构 ＷｅｂＧＩＳ子系统：提供ＷｅｂＧＩＳ的基本功能，如地图放大、缩小、漫游，图形属性互查，图层管理等，满足林业空间信息浏览和有害生物信息空间可视化的需求。

同时提供专题图制作与空间分析等高级ＧＩＳ功能。

数据维护子系统：实现林业有害生物基础资料库及规划信息的入库、编辑和更新。

数据维护是系统的基础，只有将基础数据维护正确完整才能保证报表子系统的正常运转。

业务报表子系统：实现有害生物原始数据的录入、逐级上报、审核、查询、统计、导入导出等功能。

上报和审核是一对相反过程，如在省‐市‐县三级模式中，下级森防机构需要向所属上级上报该区域有害生物信息，上级森防机构负责对上报数据进行真实性和有效性审核。

预报预警子系统：根据系统中已经维护的有害生物历史数据，结合林业有害生物预测模型对下一时段有害生物的发生情况进行预测，预测内容包括发生范围、发生期和发生量等，从而为制定预防措施提供决策支持。