基于WEB 的DW技术在福建名木古树智能管理系统中的设计与实现
摘要: 采用WEB 与数据仓库技术, 从系统设计原则与设计目标、系统总体结构、系统部署、数据仓库设计与系统功能等方面, 设计与实现了福建名木古树智能管理系统。该系统建立了一个B/ S 架构的服务器数据仓库, 将数据挖掘与OLAP 思想相结合, 为不同层次的管理者提供智能决策信息。
关键词: 名木古树; 数据仓库( DW) ; 联机分析处理( OLAP) ; 数据挖掘( DM)
古树名木资源被视为 活文物已受到普遍重视和保护。古树, 一般是指树龄在百年以上的古老树木。名木, 各地有不同规定, 它主要是指具有以下情况的树木: 具有纪念意义的树木; 国外贵宾栽种的 友谊树, 或外国政府、有影响的团体、著名人士种植或赠送的树木; 在风景区起重要点缀作用, 或与历史传说、典故等有关的树木; 从国外引入驯化成功的品种, 并有科研价值的树木; 稀有珍贵树种或本地特有树种; 树型高大, 生长迅速的树种等。这些名木古树对城市景观、环境生态、历史文脉的延续与构成起到了不可或缺的作用。但由于种种客观原因, 名木古树的保护还未得到足够重视, 还存在抢救、复壮, 保护设施建设、维修所需费用缺乏和养护资金不足, 管护粗放等问题。
为了有效地对古树名木进行管理、决策及保护, 为全省各级绿化委员会提供一个管理信息平台, 受福建省林业厅主管部门委托开发了福建省古树名木智能管理系统。通过该系统, 不仅可以方便地了解福建省古树名木资源总量、种类、分布状况, 还可以充分发挥古树名木在生态、科研、人文、地理、旅游诸方面的价值, 为制订古树名木保护措施提供科学依据。
1 系统设计原则与设计目标
11 系统设计原则
古树名木智能管理系统在开发设计上, 必须综合考虑到系统的实用性、安全性、开放性、可扩充性、可维护性等各方面的因素, 始终坚持技术先进、性能可靠、功能完善、节省投资的原则。系统提供开放的数据接口, 能方便地实现与其它系统进行数据交换, 实现多源数据的无缝集成。同时系统通过中间件, 可以向其它系统提供数据, 满足相关部门的查询。总体结构选型首先要考虑用户的实际应用环境及应用需求, 其次要考虑平台产品的功能与性能, 然后要考虑国际国内发展的主流趋势, 最后还要考虑用户的投资能力。
12 系统设计目标
系统采用目前流行的浏览器/ 服务器( Brow er/ Sever) 架构及数据仓库( DataWarehouse) 技术, 解决了传统客户端/ 服务器( Client / Server) 架构下的一些难题, 实现了客户端的免安装, 减少了客户端负载, 大大降低了系统的维护量。系统按功能分为若干模块, 各模块相对独立地运行, 高内聚低藕合使系统结构清晰合理, 易理解、易维护、易扩展。当某个模块出现问题时, 其它模块不受影响, 保证系统的整体稳定性, 还可以快速简便地找出故障所在。通过数据挖掘、人工智能等技术对各种名木古树信息进行采集和提取, 为高层管理人员的决策提供智能化、可视化、集成化的分析与指导。
2 系统总体结构与设计
21 系统结构
福建省名木古树智能管理系统采用基于Web、中间层和大型数据库的3 层B/ S 结构。客户端使用Web 浏览器, Web 服务器可以利用各省、市、县的Internet 的Web 服务器资源, 后台的数据库主要选择SQL Server。这种结构具有统一的用户界面, 操作简单, 各种动态页面生成技术使得系统具有很强的人机交互能力; 客户端只需要安装操作系统和浏览器就可以通过T CP/ IP 协议接入网络中运行; 以浏览器作为客户端实现了客户端的零维护, 建立在Internet / Intranet 上的名木古树智能管理系统成本低廉; 瘦客户端使系统具有很强的开放性, 支持并发访问的能力很强; 系统维护和扩展很容易; Web 技术中的各种安全策略可以保证该系统的信息安全。
本系统分3 级管理, 即省级管理部门、市级管理部门、县级管理部门。其中县级部门是名木古树数据的收集和维护者, 负责基础数据的录入及上报; 其他各级管理部门主要是审核下级数据, 并对上一级用户负责数据的真实性, 查询和统计各自范围内的数据, 并完成对古树名木管理监督工作。除县级部门外的各级管理部门可以使用本系统将统计数据及多媒体信息进行网上发布。在实际工作中由于各地条件不同, 也可采取上级代管的方式, 即省级系统直管到县级系统或市级系统直管到县级系统的形式。系统结构图见图1。
22 系统部署模式
福建名木古树智能管理系统的部署主要有2 种模式。
221 第1 种部署模式 在省级管理部门部署IMS 服务器和数据库服务器, 数据库的后台管理和地图的发布以及应用系统的安装部署都在省级绿化办, 市级和县级绿化办用户通过SDH 专网( 林业专网或者政务专网) 访问服务器。市级和县级绿化办用户通过用户管理和系统设置完成名木古树数据的录入等管理工作。
222 第2 种部署模式 在省级管理部门部署IMS 服务器和数据库服务器, 数据库的后台管理和地图的发布以及应用系统的安装部署都在省级绿化办, 市级和县级绿化办用户通过PSTN 公共网访问服务器。在省级绿化办用支持安全认证的路由器来控制具有合法身份的用户进行访问, 完成数据传输的加密和解密。市级和县级绿化办用户的身份认证信息存储在USBKEY( 硬件设置) 中, 通过USBKEY 和用户管理和系统设置( 软件设置) 完成名木古树数据的录入等管理工作, 从而保证数据的安全性。
23 数据仓库设计
随着数据库技术的迅速发展以及数据库管理系统的广泛应用, 人们积累的数据越来越多。激增的数据背后隐藏着许多重要的信息, 人们希望对其进行高层次分析, 以便充分地利用这些数据, 于是数据仓库( Data Warehouse, 简称DW) 技术、联机分析处理( OLAP) 技术和数据挖掘( Data Mining, 简称DM) 技术就应运而生。DW 用于数据的存储和组织, OLAP 用于信息的多维分析, DM 则致力于知识的自动发现, 这三者的结合就可以进行在线分析处理和DM, 可以通过多维存储技术对大型、复杂数据集进行快速、高级的分析, 能够揭示出隐藏在大量数据中的倾向及趋势, 可以最大限度地从数据中获取有价值的信息, 从而可以为名木古树的智能管理系统提供决策支持。
DW 的实现主要以关系数据库( RDB) 技术为基础, 但RDB 系统并不能满足DW 的数据存储要求, 通过使用一些技术, 使RDB 管理系统在DW 应用环境中的性能得到提高。DW 通常以星型模型、雪花型模型或者混合模型组织和存储数据, 在这3 种模式中, 都具有一个核心事实表。事实表是根据选定的主题构造, 存储用于分析数据的度量值和各个维的值; 维是用户观察分析数据的角度。在这3 种模式中, 维的层次、内容等信息保存在维表中, 并通过事实表中相应维的码值与事实表相连。在本系统中采用雪花型模型来构建数据仓库, 在这种模式中, 维度表除了具有星型模型中维度表的功能外, 还连接上对事实表进行详细描述的详细类型表, 详细类型表通过对事实表在有关维上的详细描述达到了缩小事实表、提高查询效率的目的。以面向主题的原则分析名木古树智能管理系统, 选取名木古树每木、名木古树每木维护、古树群、古树群维护4 个主题。以名木古树每木主题为例,其物理模型见图2。
本系统采用SQLServer2005 作后台数据库服务器。使用SQLServer2005 的数据转换服务( DT S) 从各种源数据库中抽取和转换数据, 送到DW 中。在分析系统中采用SQL Server Analysis Services, Analysis Services 是用于OLAP 和DM 的中间层服务器,将DW 中的数据组织成包含预先计算聚合数据的多维数据集, 通过在多维结构中对DW 中的数据进行提取、汇总、组织和存储, 能够对最终用户查询做出快速响应。同时在DTS 的任务里将会出现DM 预测查询任务, 实现决策支持系统的数据挖掘预测功能。
24 系统功能
福建省名木古树智能管理系统主要有系统设置、用户管理、调查建档、信息变更、数据审核、查询统计、首页数据维护等功能, 系统功能结构图见图3。
241 系统设置模块 包括常用树种设置、地区设置与系统日志3 个功能。
1) 常用树种设置。以全省树种分类表为基础, 针对本省常用古树名木树种, 设置筛选, 便于在建档( 古树名木每木、古树群、树种鉴定) 中选择应用。为确保系统数据的惟一性, 只有系统管理员可以添加、修改和删除树种, 包括树种的科、属和树种名称等操作, 其他系统用户( 包括省级、市级和县级) 不能添加、修改和删除树种, 但可以设置其显示或不显示, 以方便数据的录入。
2) 地区设置。包括地市、县市和乡镇设置, 对于系统用户上级管理员可以设置下一级地区, 如省级管理员可对地市、县市和乡镇进行设置; 地市管理员可对县市和乡镇进行设置。
3) 系统日志。记录系统运行日志, 包括数据变更、用户登陆、系统运行等功能。
242 用户管理模块 包括用户列表与用户角色管理2 个功能。
1) 用户列表: 用户分级: 根据行政区划可将用户分为3 级, 即省、市、县。上级用户根据其权限可以设置同级或下级用户级分配角色。其角色的权限不超过自身的权限。 角色分配: 根据实际业务由上级或同级管理员分配不同的角色( 用户组) 。 控制登陆: 设置用户是否可用。
2) 用户角色管理: 系统权限集合管理, 根据实际业务可将权限组合成为角色分配给相应的用户。角色的基本维护, 增加、修改、删除等。角色的修改会影响到相应的用户操作权限( 操作栏目) , 若角色被分配则角色不能删除。
243 调查建档模块 包括古树每木建档与维护、古树群建档与维护等功能。具体内容包括: 调查卡片录入: 根据2001 年全省绿委关于开展古树名木建档工作的通知按 古树名木每木调查表与 古树群调查表规范录入相应信息。数据录入根据需要既可以逐条录入, 还可以按一定的格式成批导入数据。导入的数据既可以是EXCEL 电子表格格式, 也可以是ACCESS 数据库格式, 其数据表格式应严格参照给定范例的格式, 否则将无法正确导入数据。 上报: 调查卡片信息录入后直接上报给相应主管部门。 审核: 相关主管部门对下级上报数据进行审核, 审核通过后的调查卡片信息进入相应系统数据库, 若审核没通过的数据则被返回到相应的上报单位。维护: 用户查看用户上报的所有古树名木每木卡片信息及古树群卡片信息, 对上报未审核和审核未通过的数据可以删除和修改。
244 信息变更模块 包括移植、伤残、认养与灭失等信息变更功能。具体内容包括: 移植、伤残、认养与灭失信息录入: 在信息库中, 对已有的名木古树相关信息进行登记。 上报: 移植、伤残、认养与灭失信息录入后直接上报给相应主管部门。 审核: 相关主管部门对下级上报数据进行审核, 审核通过后的古树名木移植、伤残、认养与灭失信息进入相应系统数据库, 若审核没通过的数据则被返回到相应的上报单位。
维护: 用户查看用户上报的所有古树名木移植、伤残、认养与灭失信息, 对上报未审核和审核未通过的数据可以删除和修改。
245 数据审核模块 数据审核主要是对下级单位上报的古树名木调查卡片、古树群调查卡片、古树名木移植、古树名木认养、古树名木灭失信息审核。审核分为地市和省级审核, 审核通过的数据部分可以进行修改但不能删除。
246 查询统计模块 在查询功能模块中, 用户可以通过数据查询来生成各类国标统计表。包括: 打印清单、打印目录、打印统计表、打印调查表, 并可根据实际需要将系统数据的任意字段导出到EXCEL 电子表格中, 以便形成上报数据。
具体内容包括: 对古树名木、古树群调、古树名木移植、古树名木认养、古树名伤残、灭失信息分类查询。 各级别的用户在进行数据查询时, 只可对相应的数据进行查询。如县级管理员, 只可查询本县的数据, 不可查询它县的数据; 地市管理员, 可查询本地市的数据, 不可查询其它地市的数据; 省级管理员可对全省的数据进行查询。 数据查询分单条件查询和多条件查询。用户根据实际查询要求设置查询条件,即可查询到符合条件的记录。查询到满足要求的记录后, 又可依据实际需要打印相应的国标统计表, 或将数据导出到EXCEL 电子表格中。
247 智能分析模块 智能分析是本系统最强大的功能, 也是本系统的最大特色。它利用DW 存储和管理名木古树的业务数据, 利用OLAP 从各个角度、各个层次对业务数据进行准确分析, 并通过DM、DSS分析工具等数据分析建模技术, 形成数据模型、知识库与领域知识库, 从而为高级管理决策者提供了许多有价值的决策信息。
该模块不仅具有对各种数据进行复杂的查询能力, 还能保证用户查询到的数据不是孤立的、毫无联系的数据片断, 而是经过提炼与综合的有一定意义的分析性数据; 它还具有复杂的数据分析的能力, 允许用户通过一定的手段发现或寻找数据间的相互关系, 建立或发现用户不能找到或忽略的数据间的相互关系,提供一种基于知识、基于经验的智能决策。
248 在线帮助模块 系统为用户提供在线实时帮助。无论用户进入到系统的哪个模块, 只要用户需要帮助, 系统都会动态调出相应的帮助文档, 实现在线技术服务, 从而获得在线实时帮助, 从而降低操作的复杂度。
3 小结
本文所研究开发的 福建名木古树智能管理系统已经成功应用于福建省林业相关部门, 实际应用表明该智能管理系统符合国内名木古树的保护实际, 界面友好, 操作简单, 使用方便, 核心模型适用性广, 可扩展性强。通过应用该智能管理系统, 使得福建省名木古树在抢救、复壮、保护设施等方面得到及时有效的处理, 对加强运行管理方面取得了显著效果。
参考文献:
[ 1] 陈有明 园林树木学[M] 北京: 中国林业出版社, 1988
[ 2] 陈京民 数据仓库原理、设计与应用[M] 北京: 中国水利水电出版社, 2004
[ 3] 张海藩 软件工程导论[M] 4 版 北京: 清华大学出版社, 2003
[ 4] 王珊, 陈红 数据库系统原理教程[M] 北京: 清华大学出版社, 1998
