基于分布式GIS的工程移民管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

林淵鐘，張 豐，劉仁義，劉 南

(1.浙江大學(xué)省資源與環(huán)境重點實驗室，浙江杭州310028;2.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所，浙江杭州310027)

基于分布式GIS的工程移民管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

林淵鐘1，2，張 豐1，2，劉仁義2，劉 南1

(1.浙江大學(xué)省資源與環(huán)境重點實驗室，浙江杭州310028;2.浙江大學(xué)地理信息科學(xué)研究所，浙江杭州310027)

針對工程移民管理信息化建設(shè)的現(xiàn)狀，提出以基于GIS的分布式處理技術(shù)為指導(dǎo)，采用.Net分層架構(gòu)技術(shù)構(gòu)建工程移民管理系統(tǒng)。闡述基于抽象工廠的分層架構(gòu)體系，以解決數(shù)據(jù)庫變更導(dǎo)致系統(tǒng)不兼容的問題;設(shè)計多級樹模型，以解決移民實物指標動態(tài)管理的問題;重點探討采用分布式空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)海量時空數(shù)據(jù)的高效存儲管理，從而便于完成復(fù)雜的地理計算，解決移民工作中的規(guī)劃決策問題。該系統(tǒng)具有通用、友好、靈活和方便擴展等特點，已經(jīng)在浙江省華東勘測設(shè)計院成功投入使用。

移民管理;地理計算;分布式處理;GIS

一、引 言

由重大工程建設(shè)征地引發(fā)的移民稱為非自愿移民，它直接影響工程建設(shè)的進度、周期和成本，是工程建設(shè)的關(guān)鍵因素。在國外，移民問題的關(guān)注與研究主要始于20世紀80年代后期，形成了世界銀行非自愿移民理論框架指導(dǎo)移民工作［1］，而對于移民管理系統(tǒng)鮮有研究。我國的移民信息化建設(shè)也剛剛起步，現(xiàn)有的移民管理系統(tǒng)大多只能實現(xiàn)一般的數(shù)據(jù)錄入、查詢、統(tǒng)計等功能，缺乏集中管理功能，未能徹底改變移民工作傳統(tǒng)的手工管理方式，無法實現(xiàn)移民海量時空數(shù)據(jù)的高效管理和空間分析，更無法為移民工作提供完善的輔助決策功能。

移民實質(zhì)上就是對各種資源在特定的地理空間上重新配置，它需要收集、存儲、匯總和分析大量的空間和非空間數(shù)據(jù)。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻成熟，GIS展現(xiàn)了巨大的潛力，它能管理海量的地理時空數(shù)據(jù)并進行有效的空間分析和深層次的信息挖掘，為移民工作提供高效的決策支持和幫助。因此如何結(jié)合先進數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)以及GIS等技術(shù)開發(fā)功能完善的移民信息系統(tǒng)，是一個值得研究的問題［2－3］。本研究通過現(xiàn)狀分析得出，當前移民管理系統(tǒng)在設(shè)計開發(fā)中需要解決3大問題，即如何靈活管理不同地區(qū)的實物指標庫，兼容并集成不同數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)，以及如何更好地為移民工作提供輔助決策支持。為此，本文參照最新的移民條例及規(guī)范，在充分調(diào)研移民工作需求的基礎(chǔ)上，采用空間數(shù)據(jù)庫分布式處理、組件GIS和.NET分層架構(gòu)等技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于C/S和B/S復(fù)合結(jié)構(gòu)的工程移民管理系統(tǒng)。

二、基于GIS的分布式處理

1.地理計算

地理計算是對地理學(xué)時間與空間問題所進行的基于計算機的定量分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、細胞自動機模型、模糊邏輯、灰色系統(tǒng)等新的理論和模型不斷被引入地理計算并成為核心［4］。在移民工作中，通過利用GIS技術(shù)和地理計算，許多決策規(guī)劃問題都得到了較好的解決，如正常蓄水位方案選擇、安置區(qū)選址規(guī)劃和工程環(huán)境影響評價等［5－7］。

然而隨著移民數(shù)據(jù)的逐漸增多，需要對海量時空數(shù)據(jù)進行高效的分析處理，從而挖掘出更多有價值的信息。如何實現(xiàn)高性能的計算是其中的關(guān)鍵性問題，目前主流IT行業(yè)提出的云計算模型，它是用戶外部的數(shù)據(jù)中心為用戶提供各種服務(wù)的新型計算模式，擁有海量處理能力和存儲能力，但它存在的服務(wù)可用性、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)安全性以及數(shù)據(jù)傳輸瓶頸等諸多問題尚未解決［8］，為此筆者采用了發(fā)展更為成熟的分布式處理技術(shù)。

2.空間數(shù)據(jù)庫分布式處理

分布式技術(shù)是將不同地點、具有不同功能或擁有不同數(shù)據(jù)的多臺設(shè)備用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理監(jiān)控下，協(xié)調(diào)地完成信息處理的一種技術(shù)。空間數(shù)據(jù)庫分布式存儲是指這些空間數(shù)據(jù)庫在物理上分散于不同地點或不同計算機上，而對它們的訪問則是物理位置透明，它具有分布性和邏輯整體性的特點?？臻g信息的獲取由不同的組織所完成，很難集中復(fù)制到同一個節(jié)點上，采用分布式體系符合空間數(shù)據(jù)庫的特點［9］?？臻g數(shù)據(jù)分布在若干物理節(jié)點上，部分節(jié)點出現(xiàn)故障并不影響其他節(jié)點的繼續(xù)操作，極大提高了系統(tǒng)可靠性和可用性;在運行速度、處理效率上較傳統(tǒng)的集中式存儲方式也都有極大提高。應(yīng)用程序可以同時訪問和修改分布式空間數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)存儲的位置，使應(yīng)用程序?qū)ν獗憩F(xiàn)為僅有一個完整的大型空間數(shù)據(jù)庫。

三、移民管理系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以空間數(shù)據(jù)庫分布式處理技術(shù)為指導(dǎo)，本系統(tǒng)采用了C/S和B/S相結(jié)合的復(fù)合模式，安全、高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和共享，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)移民專業(yè)各部門的業(yè)務(wù)主要針對本地數(shù)據(jù)庫，有很大程度的自治性，很少訪問其他部門的數(shù)據(jù)庫，采用分布式的方式就近存儲本地空間數(shù)據(jù)，需要時再訪問遠端空間數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)海量地理空間數(shù)據(jù)的高效管理。數(shù)據(jù)庫按業(yè)務(wù)分割，分布式存儲在不同的主機上，移民專業(yè)各部門均對應(yīng)有專門的數(shù)據(jù)服務(wù)，它們對各自的空間數(shù)據(jù)庫有相應(yīng)的自治權(quán)，通過對每個數(shù)據(jù)服務(wù)的及時更新，實現(xiàn)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新與共享。采用進程遷移機制［9］，簡化任務(wù)調(diào)度過程，從而解決分布式空間數(shù)據(jù)庫的負載均衡問題，能更大程度地提高系統(tǒng)的運行效率。

2)移民管理系統(tǒng)采用“內(nèi)網(wǎng)用戶—應(yīng)用服務(wù)器—GIS服務(wù)器—Web服務(wù)器—防火墻—外網(wǎng)用戶”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，C/S結(jié)構(gòu)(內(nèi)網(wǎng)用戶—應(yīng)用服務(wù)器—GIS服務(wù)器)一般面向相對固定的內(nèi)網(wǎng)用戶群，通過Intranet組織信息數(shù)據(jù)的分析與處理，此方式可以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，解決GIS空間圖形大數(shù)據(jù)量的傳輸、處理和維護，實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)操作、空間建模分析和共享，同時容易實現(xiàn)系統(tǒng)安全。B/S結(jié)構(gòu)(Web服務(wù)器—防火墻—外網(wǎng)用戶)提供了綜合信息發(fā)布平臺，通過Internet組織信息數(shù)據(jù)的共享，主要面向具有瀏覽、維護權(quán)限的各級外網(wǎng)用戶，實現(xiàn)移民政策法規(guī)、調(diào)查成果等信息發(fā)布，供用戶查詢監(jiān)督管理等。

2..NET分層設(shè)計

本系統(tǒng)采用了.NET經(jīng)典三層架構(gòu)模式(表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層)，并將數(shù)據(jù)層再細化為資源訪問層和存儲層，系統(tǒng)的開發(fā)架構(gòu)如圖2所示。在開發(fā)過程中，運用隔離驅(qū)動方式，即分層并行開發(fā)，使得當改變兩個在物理上不相鄰的層時不會直接對其他層產(chǎn)生影響或發(fā)生沖突。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

表示層對應(yīng)通用的GUI界面應(yīng)用，是系統(tǒng)提供給操作用戶的接口。它能依據(jù)用戶的角色權(quán)限，調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)組件，通常以業(yè)務(wù)實體對象提交給業(yè)務(wù)邏輯層處理。業(yè)務(wù)邏輯層作為整個應(yīng)用系統(tǒng)信息和邏輯處理中心，實現(xiàn)按既定的業(yè)務(wù)邏輯處理用戶提交的請求，調(diào)用業(yè)務(wù)組件從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)進行分析處理。資源訪問層為業(yè)務(wù)邏輯層與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的接口提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，對業(yè)務(wù)邏輯層的數(shù)據(jù)訪問進行統(tǒng)一的調(diào)度和管理。該層使用抽象工廠模式，運用設(shè)計模式、條件外置及反射，提供一個創(chuàng)建一系列訪問操作不同數(shù)據(jù)庫的對象的接口，而無需指定它們具體的類，運用面向?qū)ο笾卸鄳B(tài)的思想，結(jié)合反射、緩存機制等方式，實現(xiàn)對象接口動態(tài)創(chuàng)建與調(diào)用，這樣當業(yè)務(wù)需求改變或數(shù)據(jù)庫發(fā)生變化時，只需擴展其中一層和配置XML文件，不影響整個程序之間的變化，采取此方式有利于保證代碼靈活性，極大地提高程序開發(fā)的一致性和系統(tǒng)擴展性［10］。存儲層主要作用是把資源訪問層的數(shù)據(jù)處理功能轉(zhuǎn)換為具體的數(shù)據(jù)庫或文件操作，移民管理系統(tǒng)存儲了地理空間和非空間兩類數(shù)據(jù)，通過空間數(shù)據(jù)庫引擎實現(xiàn)對海量空間數(shù)據(jù)的存儲和管理。

3.主要功能設(shè)計

工程移民管理系統(tǒng)主要由5個功能相對獨立的模塊組成，每個模塊按照“高內(nèi)聚，低耦合”思想又可再分為若干子模塊，模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 模塊設(shè)計圖

(1)移民實物指標動態(tài)管理

由于政策、地域等差異，不同工程涉及的實物指標往往不一致，若采用傳統(tǒng)的設(shè)計方式，每個工程均設(shè)計一套相適應(yīng)的實物指標表結(jié)構(gòu)庫，這樣極大地限制了系統(tǒng)通用性。為此筆者設(shè)計了多級樹模型實現(xiàn)了靈活的實物指標編碼，通過采用隨機生成算法由系統(tǒng)自動生成GUID(全球唯一標識符)來編碼節(jié)點，能唯一定位實物指標實體記錄。將實物指標體系抽象成樹狀結(jié)構(gòu)，通過節(jié)點的GUID編碼、父編碼和兄弟節(jié)點順序便能構(gòu)建出整棵樹，如圖4所示，用戶僅需根據(jù)具體工程的實物指標樹簡單進行樹結(jié)構(gòu)定制就能完成實物指標體系的構(gòu)建。當在移民調(diào)查過程中工程的實物指標項發(fā)生變化時用戶僅需修改相應(yīng)的樹節(jié)點，而不必重新進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計和代碼編寫，這樣保證了系統(tǒng)能同時管理多個工程項目，極大地增強了系統(tǒng)的靈活性和通用性。實物指標及其他概算項目內(nèi)容都可以定制，相應(yīng)的補償標準同樣可由用戶自定義及修改，這樣使系統(tǒng)能靈活適應(yīng)不同地區(qū)、不同工程賠償項目和賠償標準不一致的情況。

圖4 樹形編碼結(jié)構(gòu)

(2)版本化管理

通過采用版本化控制，實現(xiàn)海量空間及屬性數(shù)據(jù)的管理版本化、軟件開發(fā)的版本化。版本化技術(shù)是指通過記錄并管理數(shù)據(jù)庫在變更、演化過程中各個階段的狀態(tài)信息，它并不復(fù)制數(shù)據(jù)庫，而是一個階段的邏輯快照，反映了數(shù)據(jù)庫在那一階段的全貌。每個對象在數(shù)據(jù)庫中都對應(yīng)一個唯一標識符，通過事件表(如表1所示)及其他關(guān)聯(lián)表記錄對象變更信息，而對于未操作的對象不進行處理，當進行對象歷史回溯時通過對象唯一標識符和變更時間等信息可以得到其完整的變更歷史。版本化模型不僅滿足了移民工作的三榜公示的業(yè)務(wù)需求，同時，數(shù)據(jù)增量式更新使得數(shù)據(jù)庫的更新實時、快速且冗余數(shù)據(jù)量最少，高效地管理和控制了歷史狀態(tài)記錄;再者，對項目需求變更的跟蹤與監(jiān)測采用應(yīng)用邏輯與過程邏輯分離的方式，使得系統(tǒng)的可維護性與可擴展性良好。從項目的發(fā)展角度看，系統(tǒng)記錄了工程移民建設(shè)的整個發(fā)展演變過程，對回溯歷史、科學(xué)評價意義重大。

表1 變更事件表

(3)異構(gòu)數(shù)據(jù)一致性檢查與同步處理

針對移民特殊的工作模式，需要考慮移民調(diào)查區(qū)域可能沒有網(wǎng)絡(luò)的情況，這樣系統(tǒng)需同時兼容多種數(shù)據(jù)庫平臺(如Oracle、Microsoft SQL Server等)才能有效完成移民調(diào)查工作。如何解決數(shù)據(jù)庫異構(gòu)的問題，本系統(tǒng)通過采用基于抽象工廠模式的三層架構(gòu)，能支持異構(gòu)數(shù)據(jù)庫環(huán)境，當數(shù)據(jù)庫發(fā)生變化時，系統(tǒng)也能完成該類型數(shù)據(jù)庫的信息處理，同時系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)一致性檢查和遷移工具來完成無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下調(diào)查的各專業(yè)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)庫之間的后續(xù)集成處理。數(shù)據(jù)遷移采用識別對象唯一標識符以及主觀控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)庫中部分異源異構(gòu)、尺度不同、時態(tài)不一的空間與非空間歷史數(shù)據(jù)格式的無縫轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的基礎(chǔ)地理框架下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與集成，便于各個數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)訪問和同步。

四、應(yīng)用案例

本系統(tǒng)已在浙江省華東勘測設(shè)計院成功投入運行，圖5是正常蓄水位方案選擇中的區(qū)域構(gòu)建;圖6為實物指標調(diào)查子模塊中的土地調(diào)查。本系統(tǒng)的引入為該院的各項移民工作提供了一個全面的應(yīng)用支持平臺，能有效地組織、管理移民工作中的各種數(shù)據(jù)資料，提供高效的查詢分析統(tǒng)計功能，輔助移民工程的規(guī)劃管理決策，提高移民工作的效率、科學(xué)性和準確性。

圖5 區(qū)域構(gòu)建

圖6 土地調(diào)查

五、結(jié) 論

針對目前移民管理信息化程度較低的現(xiàn)狀，本文提出了結(jié)合.NET分層架構(gòu)技術(shù)和分布式GIS技術(shù)構(gòu)建C/S和B/S復(fù)合模式的移民管理系統(tǒng)，并得出如下結(jié)論:①采用基于抽象工廠三層架構(gòu)設(shè)計的移民管理系統(tǒng)，很好地避免了因數(shù)據(jù)庫變更而導(dǎo)致系統(tǒng)重新進行設(shè)計及代碼大修改，可以很方便地進行橫向擴展子模塊、縱向擴展子功能;② 系統(tǒng)在功能設(shè)計上充分考慮了移民業(yè)務(wù)需求的動態(tài)變化，設(shè)計了樹形結(jié)構(gòu)的定制模型及其他多種模型及方法并預(yù)留接口，在保證系統(tǒng)實用性的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)具有更強的靈活性和通用性，解決了移民管理系統(tǒng)實物指標及其他動態(tài)內(nèi)容管理的根本問題，為系統(tǒng)的推廣提供了關(guān)鍵支撐;③本系統(tǒng)采用組件式GIS開發(fā)，結(jié)合分布式空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，便于完成多時空尺度多維海量地理數(shù)據(jù)的高性能計算，從而為移民海量數(shù)據(jù)的深層次信息挖掘提供了可能，提高了移民規(guī)劃決策的科學(xué)性和有效性。系統(tǒng)經(jīng)試運行，取得了良好成效，并已在浙江省華東勘測設(shè)計院成功投入使用，為移民工作提供了全方位的信息技術(shù)支持及決策輔助，從真正意義上實現(xiàn)了高效率、高技術(shù)的移民理念，為移民管理的標準化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化提供了有效的工具。

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Design and Implementation of Resettlement Management System Based on GIS and Distributed Processing Technology

LIN Yuanzhong，ZHANG Feng，LIU Renyi，LIU Nan

0494-0911(2011)08-0076-05

P208

B

2010-07-09

國家863基金資助項目(2007AA12Z182，2009AA12Z222);浙江省重點攻關(guān)基金資助項目(2009C33011);浙江省自然科學(xué)基金(Y5090130);教育部博士點基金(200803350017)

林淵鐘(1986—)，女，江西萍鄉(xiāng)人，碩士生，主要從事時空數(shù)據(jù)模型及GIS應(yīng)用方面的研究。