基于MVVM架構(gòu)的解析木信息管理系統(tǒng)的開發(fā)

柯小龍 周春國

摘 要：為滿足解析木信息日常管理需要和提高樹干解析內(nèi)業(yè)工作效率，本文基于MVVM（模型（Model）-視圖（View）-視圖模型（ViewModel））架構(gòu)，結(jié)合MongoDB數(shù)據(jù)庫、Express后端框架和Vue前端框架，設(shè)計與開發(fā)前后端分離的解析木信息管理系統(tǒng)，提供用戶管理、信息管理、信息查詢、信息編輯、信息一鍵解析、通知管理和日志管理等功能，實現(xiàn)解析木信息的數(shù)字化管理和樹干解析內(nèi)業(yè)工作的自動化，以同時滿足解析木信息的管理和處理需要。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有界面美觀、簡單易用、快速高效和支持在線使用的特點，通過MVVM架構(gòu)可以極大提高系統(tǒng)開發(fā)效率和系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：解析木信息;樹干解析;MVVM架構(gòu);信息管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.7 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0018-10

Abstract：In order to meet the needs of daily management of stem analysis information and improve the efficiency of internal work of stem analysis， based on the MVVM （Model-View-View Model） architecture， combined with the MongoDB database， the Express back-end framework and the Vue front-end framework， this paper designed and developed the stem analysis information management system， which was decomposed into front-end and back-end. It provided user management， information management， information query， information edit， one-click analysis of information， notification management， log management and other functions. It realized the digital management of stem analysis information and automation of internal work of stem analysis， so as to meet both the needs of information management and processing. The results showed that the stem analysis information management system had the characteristics of beautiful interface， easy to use， fast and efficient， and supports online use. The MVVM architecture can greatly improve the system development efficiency and system performance.

Keywords：Stem analysis information; stem analysis; MVVM architecture; information management system

0 引言

樹干解析，是從樹干基部到樹梢頂端，每隔一定距離取橫切面，根據(jù)橫切面上年輪數(shù)量及其直徑來計算樹木直徑生長經(jīng)過和繪制樹干縱斷面圖，以研究樹木直徑、高度和材積生長過程的基本方法，其中，作為解析對象的樹木被稱為解析木。樹干解析作為當前研究樹木生長規(guī)律最準確的方法，應(yīng)用普遍，如陳晨等[1]和叢健等[2]通過樹干解析分別對白皮松（Pinus bungeana Zucc. ex Endl.）和樟子松（Pinus sylvestris L. var. mongolica Litv.）的生長規(guī)律進行研究，孫虎等[3]通過樹干解析探究紅松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.）的生長區(qū)域、胸徑和各器官對其含碳率的影響。

然而，樹干解析內(nèi)業(yè)工作數(shù)據(jù)量大、計算繁瑣、制圖困難，若采用傳統(tǒng)手工方法進行計算和繪圖，不僅費時費力，而且精度偏低[4]。其后雖然出現(xiàn)了利用Visual Basic、Delphi等多種開發(fā)語言開發(fā)的樹干解析桌面程序[5-6]，但由于桌面程序受操作系統(tǒng)和軟件成本的限制，難以得到普及。亦有學(xué)者提出了使用Excel軟件和Forstat軟件進行樹干解析的方法[7-8]，這類方法雖然可行，但在實際操作過程中仍需使用者手動輸入和選擇大量數(shù)據(jù)或公式，沒有實現(xiàn)計算和繪圖過程的自動化。且上述程序和方法均只包含輸入解析木信息、進行樹干解析和輸出解析結(jié)果這一線性流程，未將用戶輸入的解析木信息保存下來，這導(dǎo)致用戶每次進行樹干解析前，都需要重新輸入一遍解析木信息，操作十分繁瑣，在深層次上則導(dǎo)致了解析木信息的日常管理缺失。

本文基于傳統(tǒng)MVC（模型（Model）-視圖（View）-控制器（Controller））架構(gòu)的改進版——MVVM（模型（Model）-視圖（View）-視圖模型（ViewModel））架構(gòu)，結(jié)合MongoDB數(shù)據(jù)庫、Express后端框架和Vue前端框架，設(shè)計與開發(fā)解析木信息管理系統(tǒng)，一方面通過前后端分離，使得系統(tǒng)支持跨平臺使用，以擺脫傳統(tǒng)樹干解析程序在操作系統(tǒng)和軟件成本上的限制，另一方面通過整合解析木信息管理和樹干解析兩大業(yè)務(wù)功能，以同時滿足解析木信息日常管理需要和提高樹干解析內(nèi)業(yè)工作效率。

1 系統(tǒng)目標

系統(tǒng)旨在實現(xiàn)以下幾個目標：

（1）支持用戶向系統(tǒng)中添加解析木信息，并隨時對已添加的解析木信息進行查詢、編輯和刪除等操作，以滿足解析木信息的日常管理需要。

（2）支持用戶對系統(tǒng)內(nèi)已有的解析木信息進行一鍵解析，即在無需用戶手動輸入任何額外公式和數(shù)據(jù)的情況下，系統(tǒng)便能自動、快速地計算和輸出各項解析結(jié)果，以最大化地降低系統(tǒng)學(xué)習(xí)和使用成本，提高樹干解析內(nèi)業(yè)工作效率。

（3）支持圖表與用戶間的動態(tài)交互，而非數(shù)據(jù)的簡單陳列，如樹干縱斷面圖的生長過程演示、鼠標經(jīng)過曲線時會出現(xiàn)提示氣泡、點擊圖例可切換對應(yīng)曲線的顯示與否、右鍵點擊圖表后可選擇保存為圖片等，以更加生動、直觀地展示解析結(jié)果，增強用戶體驗。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)的MVC架構(gòu)中，模型（Model）和視圖（View）必須通過控制器（Controller）來承上啟下，層級之間單向通信;在MVC架構(gòu)的改進版——MVVM架構(gòu)中，視圖模型（ViewModel）通過數(shù)據(jù)綁定收集依賴和通過DOM事件監(jiān)聽更新依賴，充當了模型（Model）和視圖（View）之間的橋梁，從而實現(xiàn)了層級之間的雙向通信，使得開發(fā)更高效、結(jié)構(gòu)更清晰、系統(tǒng)性能更好[9]。兩種架構(gòu)的對比如圖1所示。

系統(tǒng)基于MVVM架構(gòu)，采用前后端分離的開發(fā)模式，結(jié)合MongoDB數(shù)據(jù)庫、Express后端框架和Vue前端框架進行開發(fā)，前后端之間通過AJAX技術(shù)進行通信（圖2）。

（1）模型（Model）。模型由數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)邏輯兩部分組成。

數(shù)據(jù)庫：采用MongoDB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲包含基本信息（樹種、樹齡和樹高）、圓盤信息（數(shù)量、齡階、是否帶皮以及各圓盤編號、高度、年輪數(shù)和各齡階直徑）和額外信息（如立地條件等不參與計算過程的信息，以及用于繪制樹干三維模型的樹皮顏色信息）的解析木信息（圖3）、用戶信息、日志記錄信息和消息通知信息，并通過Mongoose對象模型工具來操作數(shù)據(jù)庫。不同于使用表來存儲數(shù)據(jù)的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，MongoDB數(shù)據(jù)庫采用集合和類似于JSON對象的文檔來存儲數(shù)據(jù)，不同集合之間通過引用字段進行關(guān)聯(lián)（如解析木信息集合中通過所屬用戶字段與用戶集合產(chǎn)生關(guān)聯(lián)），這種靈活的數(shù)據(jù)格式和關(guān)聯(lián)模式使其擁有優(yōu)秀的讀寫性能和較強的可擴展性和可維護性，適用于信息管理等應(yīng)用場景。Mongoose基于Schema定義數(shù)據(jù)模型，提供大量統(tǒng)一、簡便的接口供開發(fā)者操作數(shù)據(jù)庫，且其內(nèi)置數(shù)據(jù)驗證、查詢構(gòu)建和業(yè)務(wù)邏輯鉤子等功能，極大地提高了開發(fā)效率。

業(yè)務(wù)邏輯：采用基于Node.js的Express框架，并引入body-parser中間件。Express框架提供了基本的Web應(yīng)用程序功能，如路由、模板引擎和托管靜態(tài)資源等，且支持開發(fā)者引入各類中間件來豐富框架功能。body-parser中間件是Express框架中非常常用的一個中間件，其能對網(wǎng)絡(luò)請求進行解析，如將GET請求和POST請求中不同類型的請求體、編碼和壓縮內(nèi)容解析成適合Express框架處理的格式。

（2）視圖模型（ViewModel）。采用Vue框架來擔當視圖模型，并導(dǎo)入VueRouter和Vuex插件。Vue框架基于發(fā)布訂閱者模式和ECMAScript 5的語言特性進行數(shù)據(jù)劫持，實現(xiàn)了響應(yīng)式數(shù)據(jù)綁定，能夠為復(fù)雜的單頁應(yīng)用提供驅(qū)動[10]。VueRouter插件支持模塊化和基于組件的路由配置、參數(shù)、查詢和通配符，在用戶切換頁面時，應(yīng)用只需要向后端拉取局部調(diào)整用的模板，而無需拉取完整的頁面，能大大減少資源消耗。Vuex插件采用集中式存儲來維護和管理應(yīng)用的共享狀態(tài)，并提供相關(guān)調(diào)試工具，以維持視圖和狀態(tài)之間的獨立性，提高代碼的可維護性。

（3）視圖（View）。采用Ant Design of Vue界面組件庫、AntV G2圖表引擎和Three.js三維引擎，分別用于繪制系統(tǒng)界面、統(tǒng)計圖表和三維模型。Ant Design of Vue界面組件庫有著提煉自企業(yè)級中后臺產(chǎn)品的交互語言和視覺風(fēng)格，且與Vue高度集成，能為應(yīng)用提供視覺統(tǒng)一和效果精美的界面組件。AntV G2圖表引擎支持以數(shù)據(jù)驅(qū)動的高交互可視化圖形語法，具有高度的易用性和擴展性，能構(gòu)建出各種各樣的可交互的統(tǒng)計圖表。Three.js三維引擎基于原生WebGL封裝運行，可用于創(chuàng)建包括幾何體、材質(zhì)、網(wǎng)格模型、攝影機和光照等各種對象的三維場景，且能直接運行于瀏覽器環(huán)境中。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要包含用戶管理、解析木信息管理、樹干解析、消息通知和日志記錄5個功能模塊（圖4）。

（1）用戶管理模塊。用戶分為管理員用戶和普通用戶兩類。管理員用戶的用戶名和密碼需在系統(tǒng)部署時指定，當系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建管理員用戶或更新已存在的管理員用戶的信息;普通用戶不對外開放注冊，而需經(jīng)由管理員用戶來創(chuàng)建和分發(fā)，以保證系統(tǒng)的私密性。管理員用戶的權(quán)限級別高于普通用戶，如管理員用戶有權(quán)對普通用戶的信息進行編輯，以及啟用和停用普通用戶。

（2）解析木信息管理模塊。用戶可以添加、查詢、編輯和刪除解析木信息。

添加解析木信息：普通用戶可以向系統(tǒng)中添加新的解析木信息。在添加解析木信息時，用戶需要填寫樹種、樹齡、樹高、齡階、是否帶皮、樹皮顏色、圓盤數(shù)量和各圓盤信息等信息。用戶提交信息時，系統(tǒng)會先對信息的格式進行驗證和整理，并自動剔除無效數(shù)據(jù)，其后，才會將解析木信息寫入到數(shù)據(jù)庫之中，以確保解析木信息的完整無誤。

查詢解析木信息：用戶可以按不同條件（如樹種、樹齡、樹高和齡階）來篩選解析木信息，并進一步查看其詳細信息。管理員用戶可以查看系統(tǒng)內(nèi)全部的解析木信息;而普通用戶僅能查看自己所有的解析木信息。

編輯和刪除解析木信息：用戶如果在添加解析木信息時誤填了某些信息，可以在之后對其進行編輯，以改正錯誤;用戶也可將多余或無用的解析木信息刪除，以釋放存儲空間。解析木信息只能由其所屬用戶進行編輯和刪除。

（3）樹干解析模塊。用戶可以對任一解析木信息進行一鍵解析，系統(tǒng)會按常規(guī)方法[11-12]進行計算，并輸出各項解析結(jié)果。

各圓盤對應(yīng)生長年數(shù)和樹木各年齡樹高：基于樹齡和各圓盤年輪數(shù)，計算樹木生長至各圓盤高度所需年數(shù)，如一樹齡為12 a的解析木，若其一圓盤上有9個年輪，說明樹木生長至該圓盤對應(yīng)高度所需的年數(shù)為3 a，其他圓盤同理。其后，基于各圓盤對應(yīng)生長年數(shù)，采用線性內(nèi)插法計算樹木各年齡樹高。

樹木材積及其生長方程：基于樹木各年齡樹高以及各圓盤信息，對各年齡對應(yīng)的樹木進行分段，并根據(jù)分段情況采用相應(yīng)的求積公式，如樹高小于1.3 m時，看作梢頭，使用圓錐體積公式進行計算;樹高小于2.6 m時，0～1.3m分段使用平均斷面積求積公式進行計算，1.3 m至樹頂部分，看作梢頭;樹高高于2.6 m時，0～2.6 m分段使用中央斷面積求積公式進行計算，若無位于2.6 m高度的圓盤，則0至這一圓盤高對應(yīng)分段使用平均斷面積求積公式進行計算，再往上的分段均采用平均斷面積求積公式進行計算，直至到達最后一段，將其看作梢頭，使用圓錐體積公式進行計算。當前年齡樹木的各分段材積累加后即為當前年齡樹木材積，據(jù)此得到樹木各年齡材積。其后，使用Logistic模型對樹木各年齡材積進行擬合，求得模型參數(shù)和評判指標（SSE、R2、RMSE）。

樹木材積生長率及其曲線：基于樹木各年齡材積，采用普雷斯特公式計算樹木各年齡材積生長率，并繪制材積生長率曲線。

樹木胸高形數(shù)及其曲線：基于樹木各年齡材積，采用常規(guī)方法計算樹木各年齡胸高形數(shù)，并繪制胸高形數(shù)曲線。

樹木各生長量及其曲線：基于各圓盤信息以及樹木各年齡樹高、材積，計算樹木胸徑、樹高和材積的各生長量，并繪制相應(yīng)的生長量曲線。例如，材積總生長量為樹木當前年齡材積;材積平均生長量為樹木當前年齡材積除以其年齡;材積連年生長量為樹木相鄰齡階材積的差值;胸徑和樹高各生長量的計算方法同理。

樹干縱斷面圖：基于樹高和各圓盤信息，按高度與底徑之比為2.5來繪制樹干縱斷面圖。用戶可以點擊“生長過程動態(tài)演示”開關(guān)，以預(yù)覽樹干縱斷面按年齡的動態(tài)變化過程。

樹干三維模型：基于樹高、樹皮顏色和各圓盤信息，按高度與底徑之比為2.5來繪制樹干三維模型。用戶可以點擊三維模型，以切換三維模型中各圓盤的顯示狀態(tài)，或拖動鼠標來調(diào)整視角和旋轉(zhuǎn)模型。

（4）消息通知模塊。管理員用戶可以向指定的普通用戶發(fā)送消息通知;普通用戶閱讀消息通知后，通知的狀態(tài)會自動標記為“已讀”;普通用戶可將“已讀”通知再手動標記為“未讀”，以作為待處理通知。

（5）日志記錄模塊。用戶的一些操作（如創(chuàng)建普通用戶、添加解析木和編輯解析木等）會向數(shù)據(jù)庫中寫入或刪除數(shù)據(jù)。這些操作均會被自動記錄到日志之中。用戶可以查閱日志記錄，以查看各個操作的時間、類型和攜帶參數(shù)等信息。管理員用戶能查閱所有用戶的日志記錄;普通用戶只能查閱自己的日志記錄。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與測試

3.1 用戶登錄和管理用戶

用戶登錄：進入系統(tǒng)，在登錄窗口中輸入用戶名和密碼，點擊“登錄”按鈕，即可登入系統(tǒng)。如輸入的是管理員用戶的用戶名和密碼（需由開發(fā)人員在系統(tǒng)配置文件中指定），會以管理員用戶的身份登入系統(tǒng);如輸入的是普通用戶的用戶名和密碼，會以普通用戶的身份登入系統(tǒng)。成功登錄系統(tǒng)后，會自動跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)首頁。

添加用戶：以管理員用戶的身份登入系統(tǒng)。在系統(tǒng)首頁，鼠標移至頁面右上角的用戶信息處，點擊彈出的導(dǎo)航菜單中的“用戶管理”選項，即可跳轉(zhuǎn)至用戶管理頁面。該頁面展示了系統(tǒng)內(nèi)全部普通用戶的ID、用戶名、密碼和用戶描述。點擊頁面中右上角的“添加用戶”按鈕，在彈出窗口中填寫新用戶的用戶名、密碼和用戶描述后，再點擊“提交”按鈕，即可創(chuàng)建新用戶。新用戶默認為可用狀態(tài)。

編輯、啟用和停用用戶：同添加用戶中的步驟，進入用戶管理頁面。點擊用戶列表的操作列中的“編輯”按鈕，可以對用戶的信息進行編輯;點擊“啟用”和“停用”按鈕，可以分別將用戶修改為可用和禁用狀態(tài)，處于禁用狀態(tài)的用戶無權(quán)登錄系統(tǒng)和進行其他任何操作。

3.2 解析木信息管理

添加解析木信息：以普通用戶的身份登入系統(tǒng)后，會自動跳轉(zhuǎn)至解析木信息管理頁面。用戶可以在該頁面瀏覽、查詢和查看自己擁有的解析木信息。點擊頁面右上角的“添加解析木信息”按鈕，即可進入解析木信息添加頁面（圖5）。在該頁面中，用戶需要輸入解析木的樹種、樹齡、樹高、齡階、是否帶皮、樹皮顏色、圓盤數(shù)量和各圓盤信息，其他信息則可填寫在備注欄之中。過程中，系統(tǒng)會實時對已輸入信息進行驗證和校正，譬如，當用戶填寫的某圓盤高高于樹高時，彈出提示框提醒用戶輸入的信息有誤，并暫時將其修改為樹高。用戶填寫完所有信息后，點擊“提交”按鈕，系統(tǒng)便會將解析木信息上傳到數(shù)據(jù)庫之中。

編輯和刪除解析木信息：在解析木信息管理頁面中，點擊解析木信息列表中的“編輯”按鈕，會跳轉(zhuǎn)至解析木信息編輯頁面，用戶可在該頁面對該條解析木信息進行編輯;點擊“刪除”按鈕，可從數(shù)據(jù)庫中刪除該條解析木信息。

3.3 樹干一鍵解析

樹干一鍵解析：在解析木信息管理頁面中，點擊解析木信息列表中的“解析”按鈕，即可對該條解析木信息進行一鍵解析。系統(tǒng)將基于解析木信息，自動計算各樹干解析因子，待計算完成后，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)至解析結(jié)果頁面。

查看解析結(jié)果：在解析結(jié)果頁面，用戶可以通過切換頁面上方的菜單項來查看不同類別的解析結(jié)果。解析結(jié)果包含各圓盤高度對應(yīng)年齡、樹木各年齡樹高、樹木各年齡材積計算過程、樹木各年齡材積、樹木材積生長方程、樹木材積生長曲線、樹木各年齡材積生長率及其曲線、樹木各年齡胸高形數(shù)及其曲線、樹木各年齡的各生長量及其曲線、樹干縱斷面圖和樹干三維模型。部分解析結(jié)果如圖6—圖8所示。頁面中所有的統(tǒng)計圖表都可通過鼠標右擊、選擇“圖片另存為”來進行保存。

3.4 消息通知管理

發(fā)布消息通知：以管理員用戶的身份登入系統(tǒng)，選擇導(dǎo)航菜單中的“消息通知”選項，進入消息通知管理頁面。點擊頁面中右上角的“發(fā)布通知”按鈕，在彈出窗口中選擇發(fā)布對象和填寫通知標題、內(nèi)容后，再點擊“提交”按鈕，即可向指定用戶發(fā)送消息通知。

查看消息通知：以普通用戶的身份登入系統(tǒng)，進入消息通知管理頁面。用戶可以在該頁面中查看自己收到的所有消息通知。消息通知被查看后，會自動變?yōu)橐炎x狀態(tài)。用戶可以手動點擊“標記為未讀”按鈕將消息通知重新標記為未讀狀態(tài)，以作留存。

3.5 日志記錄管理

查看消息通知：登入系統(tǒng)后，選擇導(dǎo)航菜單中的“日志記錄”選項，進入日志記錄管理頁面。用戶可以在該頁面中查看自己所有的歷史操作記錄，并通過點擊日志記錄列表的操作列中的“查看”按鈕來查看該條操作的詳細信息（如操作時間、操作類型和攜帶參數(shù)）。

刪除消息通知：日志記錄列表的操作列中的“刪除”按鈕，可刪除該條日志記錄。

4 結(jié)論與討論

（1）該系統(tǒng)將解析木信息管理和樹干解析兩大業(yè)務(wù)整合并作為系統(tǒng)的核心功能。其中，解析木信息管理模塊支持用戶對解析木信息進行添加、查詢、查看、編輯和刪除等操作，能滿足解析木信息的日常管理需要;樹干解析模塊在盡量簡化用戶操作和輸入的前提下，能自動且快速地計算和輸出包含各圓盤高度對應(yīng)年齡、樹木各年齡樹高、樹木各年齡材積計算過程、樹木各年齡材積、樹木材積生長方程、樹木材積生長曲線、樹木各年齡材積生長率及其曲線、樹木各年齡胸高形數(shù)及其曲線、樹木各年齡的各生長量及其曲線、樹干縱斷面圖和樹干三維模型的解析結(jié)果，亦能滿足樹干解析內(nèi)業(yè)工作的需要。該系統(tǒng)能同時滿足解析木信息日常管理需要和提高樹干解析內(nèi)業(yè)工作效率。

（2）該系統(tǒng)基于當前流行的Web技術(shù)（如MVVM架構(gòu)、前后端分離和Vue框架等）開發(fā)而成，相較于傳統(tǒng)的桌面程序，既免去了程序在安裝和更新上的繁瑣步驟，也避免了軟件在平臺適配和渠道分發(fā)上花費大量財力、物力;相較于基于MVC架構(gòu)開發(fā)的程序，通過視圖模型（ViewModel）提高了層級之間的通信效率，降低了代碼的復(fù)雜度，從而大大提高了程序的開發(fā)效率和系統(tǒng)性能。同時，Web應(yīng)用生態(tài)上的不斷完善和性能上的不斷突破，使其已經(jīng)能滿足某些專業(yè)計算和繪圖的需要。基于MVVM架構(gòu)開發(fā)的該系統(tǒng)，是將計算機前沿技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)軟件開發(fā)的一次有益嘗試，可為林業(yè)或其他行業(yè)的軟件開發(fā)者提供參考。

（3）由于Vue框架使用了IE8瀏覽器無法模擬的ECMAScript 5語言特性，所以該系統(tǒng)無法兼容IE8及其以下版本的瀏覽器。但隨著互聯(lián)網(wǎng)和Web技術(shù)的飛速發(fā)展，低于IE10版本的瀏覽器正在逐漸淡出市場，系統(tǒng)的兼容性問題將自然而然地得到解決。

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