李 鑫，段 菁，滕 飛，納 青，云海英，高榮麗

(內蒙古自治區(qū)林業(yè)信息中心，內蒙古 呼和浩特 010018)

大數(shù)據(jù)時代推動林業(yè)信息化蓬勃發(fā)展，林業(yè)從“數(shù)字林業(yè)”向“智慧林業(yè)”轉變，林業(yè)信息化逐漸進入一種新的模式[1-3]。以時空數(shù)據(jù)為主的林業(yè)數(shù)據(jù)和與之相關聯(lián)的時空要素數(shù)據(jù)集越來越龐大，林業(yè)大數(shù)據(jù)已進入全空間信息系統(tǒng)的時代。全空間信息系統(tǒng)是地理信息在大數(shù)據(jù)時代的拓展和延伸，需要對多粒度時空對象進行展示性、分析性與探索性的表達[4-5]。

鑒于以上時空數(shù)據(jù)表達的要求，使得林業(yè)時空大數(shù)據(jù)應用與表達的需求變得越來越復雜。因此需要形成一套以多元化認知為主體，在不同的任務目的、空間尺度、觀察視角下，滿足不同領域用戶的應用需求[6]?；谏鲜鰞热荩岢隽嘶贛DA模型驅動架構技術下的林業(yè)多維時空大數(shù)據(jù)可視化應用系統(tǒng)設計及模型構建，該架構建立的模型完全獨立于計算機算法和設計語言，技術實現(xiàn)上不受限制，具備靈活性大，兼容性強的特點，能夠滿足不同領域用戶復雜多變的應用需求[7]。

1 MDA模型驅動架構

MDA(model driven architecture)模型驅動架構由 OMG組織在2002年提出，是貫穿整個軟件開發(fā)過程的方法，這種方法認為一切事物都可以抽象為模型，獨立于計算機算法和設計語言，為軟件開發(fā)過程提供了一套通用的軟件設計開發(fā)指導依據(jù)[8]。

1.1 MDA模型驅動架構原理

傳統(tǒng)的軟件開發(fā)過程包括需求分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)測試以及系統(tǒng)驗收與交付，基于模型驅動MDA架構將開發(fā)過程抽象為模型和模型之間的轉換過程。MDA模型驅動架構建模[9-11]的核心技術包括元對象設施MOF、公共數(shù)據(jù)倉庫元模型CWM和統(tǒng)一建模語言UML。為了更加準確地描述業(yè)務需求，保證構建的抽象模型能夠落實到軟件開發(fā)過程中，MDA架構構建了分級建模體系，將模型分為3類，包括獨立計算模型CIM、平臺無關模型PIM和特定平臺模型PSM[7,16]。MDA模型架構工作原理如圖1所示。

圖1 MDA模型驅動架構工作原理Fig.1 Working principle of model driven architecture

由圖1可見，MDA模型驅動架構將應用程序當做模型，對應最終實現(xiàn)平臺的PSM模型。在MDA模型架構開發(fā)過程中，需求分析人員應先建立完全不包含技術設計的業(yè)務層面的CIM模型，在需求分析階段對CIM模型進行精化得到PIM模型，然后在對應的傳統(tǒng)開發(fā)設計階段，進行PIM模型到PSM模型轉換，以及PSM模型到最終程序的轉換，對應為傳統(tǒng)的開發(fā)編碼階段[12]。

1.2 MDA模型驅動架構體系

模型在MDA模型驅動架構開發(fā)過程中起著非常重要的作用，模型構建的準確與否將直接影響軟件開發(fā)的成敗。通過在開發(fā)階段分層次的建模，明晰了各類模型的作用，解耦了傳統(tǒng)軟件模型的復雜性，保護了軟件開發(fā)各階段的工作成果。采用UML技術構建MDA三級模型，是軟件系統(tǒng)模型的標準方法，其具有語言精煉、全面、伸縮性好、源自時間、公認建模標準等優(yōu)點[8]。

1.2.1CIM建模方法

CIM模型是需求階段建立的模型，是對某個領域的一個業(yè)務邏輯模型描述，用來描述軟件的業(yè)務功能需求，是需求分析中邏輯模型的一個組成部分，通常通過UML中的用例圖、數(shù)據(jù)流圖描述，有時只通過文本描述也可以實現(xiàn)CIM模型的建立。當一個業(yè)務需要系統(tǒng)功能來支持實現(xiàn)時，應基于CIM模型來創(chuàng)建軟件模型，實現(xiàn)PIM模型[13]。

1.2.2PIM建模方法

PIM模型是需求分析與設計階段建立的模型，是對軟件系統(tǒng)的描述，不考慮具體的實現(xiàn)方法和技術，重點是描述系統(tǒng)如何更好、更合理、更準確地支撐業(yè)務，是系統(tǒng)需求分析中邏輯模型的重要組成部分，主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型和行為模型，通常通過UML中的類圖、流程圖、狀態(tài)圖及順序圖描述[13-14]。PIM模型創(chuàng)建要遵循完備性、準確性、一致性、無異議等原則，保證PIM模型向PSM模型轉化[12]。

1.2.3PSM建模方法

PSM模型是系統(tǒng)設計和開發(fā)階段建立的模型[15-16]，是基于特定實現(xiàn)技術，使用特定平臺的術語描述以實現(xiàn)業(yè)務的模型，重點是描述系統(tǒng)使用何種技術支撐業(yè)務，是MDA為某種特定實現(xiàn)技術量身定做的一種變換規(guī)則，更接近系統(tǒng)設計物理模型，是PIM模型到具體平臺的映射[17]。

2 林業(yè)多維時空可視化需求分析與設計

林業(yè)數(shù)據(jù)以時空數(shù)據(jù)為主，時空數(shù)據(jù)是基于統(tǒng)一時空基準，與位置相關聯(lián)的地理要素或現(xiàn)象的數(shù)據(jù)集，具有空間維、屬性維和時間維等基本特征[18]。林業(yè)時空數(shù)據(jù)包括林業(yè)資源調查數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、林業(yè)地圖(集)數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)及時空數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。林業(yè)時空大數(shù)據(jù)除具有一般大數(shù)據(jù)的特征外，還具備多維時空動態(tài)可視化特征[19]。

林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化是在林業(yè)時空數(shù)據(jù)的基礎上，結合目前多維屬性關聯(lián)可視化、時空協(xié)同可視化、層次關聯(lián)可視化等多維時空大數(shù)據(jù)可視化分析方法[20-21]，通過借助地圖和圖表圖形化的可視化手段，實現(xiàn)地圖與圖表的聯(lián)動交互，將森林資源、林地等變化、分布、各地區(qū)對比等情況通過地理信息直觀的進行展現(xiàn)。在地理信息、時間、業(yè)務等多維度上按照時間、空間進行數(shù)據(jù)分析展現(xiàn)，從而清晰有效地傳達與溝通信息，從數(shù)據(jù)獲取最大價值[22]。

2.1 林業(yè)多維時空可視化需求分析

林業(yè)多維時空可視化分析是在基礎地圖、林業(yè)資源數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)業(yè)務要求采用GIS地圖、趨勢圖、對比圖、餅圖、柱圖、散點圖等多種展現(xiàn)樣式，對林業(yè)相關部門關注的地圖數(shù)據(jù)及業(yè)務數(shù)據(jù)進行全面展現(xiàn)，實現(xiàn)林業(yè)時空數(shù)據(jù)的綜合分析，最終通過多屏、時序、卷簾、統(tǒng)計地圖、圖表等表達方式清晰展示林業(yè)資源的變化情況及趨勢，便于決策層對林業(yè)的未來保護和規(guī)劃提供輔助決策。

2.2 林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化設計

林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化設計采用J2EE的三層架構體系，利用模型驅動技術的軟件開發(fā)方法，根據(jù)林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化功能需求設計總體架構，架構分為業(yè)務層(CIM模型)、數(shù)據(jù)層(PIM模型)、技術層(PSM模型)、服務層以及應用層。具體如圖2所示。

2.2.1業(yè)務層

基于林業(yè)時空大數(shù)據(jù)，開展林業(yè)資源空間分析、智能展示、地圖+業(yè)務分析、趨勢分析、分布分析等數(shù)據(jù)可視化展示。

2.2.2數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含存儲的林業(yè)監(jiān)測、規(guī)劃、管理、生產(chǎn)等各類數(shù)據(jù)資源。按照數(shù)據(jù)的形式劃分，可分為空間圖形數(shù)據(jù)、業(yè)務屬性數(shù)據(jù)以及相關的文檔、多媒體數(shù)據(jù)等；按照數(shù)據(jù)應用的多樣性劃分，包括基礎地理數(shù)據(jù)、林業(yè)專題數(shù)據(jù)、公共基礎數(shù)據(jù)、支撐數(shù)據(jù)庫。

2.2.3技術層

采用B/S架構風格，前端采用JavaScript框架，并根據(jù)不同的業(yè)務需求及展示效果選擇適合代碼庫，本平臺選擇的代碼庫是目前比較流行的dojo、echarts、jquery ui，通過dojo加載地圖和地圖相關功能，echarts實現(xiàn)統(tǒng)計分析圖表展示，jquery實現(xiàn)其他功能組件。后端采用Spring MVC框架。地圖使用esri的框架ArcGIS for js。

2.2.4服務層

服務層包含用于管理數(shù)據(jù)模型并為業(yè)務應用層提供服務的應用服務器軟件，如ArcGIS Server、Portal for ArcGIS和Web server等，同時應用級別的數(shù)據(jù)接口也在應用服務層提供。通過應用服務為分析展現(xiàn)應用、共享應用、報表應用提供平臺支撐。

2.2.5應用層

基于林業(yè)時空大數(shù)據(jù)，可以支持林業(yè)資源一張圖、統(tǒng)計分析、森林資源展示、分布圖展示、林相圖展示等應用。

圖2 系統(tǒng)設計架構Fig.2 System design framework

3 林業(yè)多維時空可視化分析建模與設計

3.1 CIM模型分析

CIM模型分析是對林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化的業(yè)務需求分析與業(yè)務建模的過程。根據(jù)林業(yè)業(yè)務部門對林業(yè)時空大數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計以及對林業(yè)時空大數(shù)據(jù)變化情況及趨勢分析的需求，完成業(yè)務建模過程，用例圖通過形象的方式描述業(yè)務模式，通過構建行為者、用例、通信線、系統(tǒng)邊界、用例描述、用例邊界等元素，清晰地描述系統(tǒng)功能片段[4]。林業(yè)多維時空可視化分析CIM模型如圖3所示。

3.2 PIM模型構建

PIM模型是系統(tǒng)的業(yè)務邏輯在平臺無關抽象層上的建模。為了簡化問題，將林業(yè)多維時空可視化抽象為兩部分關鍵信息(數(shù)據(jù)層和表示層)，分別對這兩部分進行建模?；贑IM模型建立的PIM模型見圖4[22]。

數(shù)據(jù)層通過DataModel表示統(tǒng)一抽象數(shù)據(jù)模型，依據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)特點泛化為空間數(shù)據(jù)模型SpatialDataModel、屬性數(shù)據(jù)模型AttributeDataModel、分類模型ClassifierModel和維度模型DimensionModel。該數(shù)據(jù)模型可以靈活配置展示的指標和維度。

展示層分地圖展示和圖表展示，地圖模型MapType在本系統(tǒng)中實例化為分布圖、林相圖、森林資源等地圖，各地圖配置不同的交互行為Operation和組件Component。

3.3 PSM模型映射

在完成了PIM層的建模工作后，采用PIM-EJBPSM轉換規(guī)則將PIM映射為響應的EJB平臺上的PSM。PIM-EJBPSM的建模規(guī)則為：每一個PIM類生成一個主鍵類、數(shù)據(jù)類；每個PIM關聯(lián)變換為EJB關聯(lián)，并歸入一個數(shù)據(jù)模式；每個PIM屬性都變換為EJB數(shù)據(jù)類的EJB屬性；每個PIM操作都變換為EJB組件的操作。轉換后的PSM模型見圖5[22]。

PSM模型系統(tǒng)基于J2EE平臺，采用MVC三層建構模式，即Controller層負責請求轉發(fā)，Service負責業(yè)務邏輯，Dao層進行數(shù)據(jù)持久化和查詢。數(shù)據(jù)模型貫穿三層架構，并采用統(tǒng)一的抽象數(shù)據(jù)模型EJBClass，EJBDataClass為數(shù)據(jù)類型，EJBKeyClass為主鍵類。

圖3 CIM模型Fig.3 CIM model

圖4 PIM模型Fig.4 PIM model

圖5 PSM模型Fig.5 PSM model

4 林業(yè)時空大數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)

在模型驅動架構基礎上，采用J2EE三層架構體系。J2EE作為核心驅動引擎，利用Java 2平臺簡化了諸多解決方案的開發(fā)、部署和管理相關復雜問題的體系結構，提供了對 EJB、Serves、JSP、JDBC、CORBA以及XML技術的全面支持。平臺架構前端采用HTML5+JavaScript編程語言，根據(jù)前端系統(tǒng)特點選擇不同的JavaScript框架?？梢暬捎肁rcGIS for JavaScript 3.34，建立在dojo組件上。

平臺架構服務端使用JAVA語言，采用Spring MVC+myBatis搭建基礎框架，實現(xiàn)系統(tǒng)的基本業(yè)務功能和通用功能，并在依托Spring框架集成流程管理activiti、安全認證shiro、日志管理log4j和緩存redis組件。

從實現(xiàn)角度看，將程序代碼與元模型綁定，通過多級抽象，用戶的需求變化被控制在模型層面上，變化的波及效應無法沖擊到代碼層，使得系統(tǒng)具有了運行期動態(tài)改變的能力。

5 結論

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術的不斷發(fā)展與應用，對林業(yè)時空大數(shù)據(jù)展現(xiàn)層需求變得越來越復雜?；贛DA模型驅動架構，構建林業(yè)多維時空大數(shù)據(jù)可視化應用軟件設計開發(fā)方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)開發(fā)方法中出現(xiàn)的生產(chǎn)效率低、可移植性差、互操作性弱等一系列問題。通過建立CIM、PIM、PSM三級模型，明晰了各類模型的作用，解耦了傳統(tǒng)軟件模型的復雜性，保證了CIM模型和PIM模型的復用性。本研究已應用于內蒙古林草局林業(yè)大數(shù)據(jù)管理平臺系統(tǒng)建設，實際應用表明，與傳統(tǒng)的針對模型層的開發(fā)相比，該系統(tǒng)具備良好的適應性和擴展性，能夠滿足不同領域用戶復雜多變的應用需求，為未來林業(yè)時空大數(shù)據(jù)建設與應用奠定了良好的基礎。