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新时代林业高质量发展与大数据可视化系统设计

热度0票 浏览42次 时间:2019年4月16日 17:15
 李烨 1 张伟明 2 王亚明 3 1. 中国劳动关系学院;2. 北京林业大学财务处;3. 国家林业和草原局经济发展研究中心摘要:经济社会高质量发展需要信息技术的支撑,已经成为各界的共识,林业行业也不例外。随着信息技术的迅猛发展,林业资源数据呈爆炸性增长,如何应用这些数据已经成为推动林业高质量发展迫切需求。本文提出了基于 Hadoop 平台的林业资源大数据可视化系统设计,后台数据层利用 Hadoop 进行林业资源数据存储,前端页面层采用ECharts 以及 D3.js 进行数据可视化展示。系统的构建丰富了林业资源数据可视化呈现方式,直观的展示了林业资源数据信息,对于提升林业决策科学化水平具有重要意义。
关键词:Hadoop;林业资源;大数据;可视化;高质量发展 1 引言进入新时代,林业高质量发展要以科技创新为驱动,以信息化建设为抓手,推动森林资源的有效经营管理和经济社会协调发展。
大数据时代的到来,给林业高质量的创新发展建设带来前所未有的机遇。随着林业数据资源的大幅度提高,林业部门拥有的资源数据飞速增加,但是林业数据资源具有空间性、多维度、动态变化、多源等特征,如何应用这些数据为林业高质量发展决策提供准确、快速的依据,是当前必须要解决的现实问题。按照《“互联网 +”林业行动计划》和《国家林业局关于加快中国林业大数据发展的指导意见》等要求,本文应用大数据等新一代信息技术实现林业资源数据的可视化。
2 相关技术体系
目前,数据可视化作为“数字林业”发展的必然趋势,可成为实现林业高质量发展科技创新战略的助推器。传统的林业资源数据处理模式大部分采用的是表格文字和静态的图表形式,难以将数据中潜在信息进行多维度的展示,导致数据丰富却无法高效利用,信息匮乏的现象 [1]。而可视化技术的兴起推动了林业信息化的发展,通过丰富的图表信息以及已有的经验与知识对林业数据进行分析,对林业发展规划中起到引导作用 [2]。 Hadoop 作为目前主流的并行计算平台,可以对海量的多维数据进行存储以及分布式计算处理 [3]。
2.1Hadoop 技术体系
Hadoop 是一个开发和运行处理大规模数据的软件平台,是Apache 的一个用 java 语言实现开源软件框架,实现在大量计算机组成的集群中对海量数据进行分布式计算。其中, Hadoop 框架中最核心的就是: HDFS 和 MapReduce。 HDFS 提供了海量数据的存储,MapReduce 提供了对数据的计算,除此之外还包括 HBase、 Hive、ZooKeeper 等成员。
2.2 可视化在林业应用中的关键技术
数据可视化通过人机交互以及丰富的可视化方式,能够更直观的发现数据背后隐藏的信息。依照 SHNEIDERMAN 分类, 可视化的数据又分为:一维数据、二维数据、三维数据、高维数据、时序数据、层次数据和网络数据。其中,对于低维度数据的可视化,大部分采用的是统计图表以及电子地图等,三维数据的可视化主要表现的是空间立体结构以及关联关系。而高维数据是指数据样本包含四个及以上的空间特征。如果单从高维数据的抽象数值进行可视化,很难得到有用信息,因而对于高维数据的可视化,降维处理是常用的方法,将数据拆分为直观的二维和三维,将数据映射到二三维空间上,采用多视图来将高维数据进行可视化。同时可视化在展现数据信息时,常使用颜色深浅、图形大小、透明度、位置等来表现数据的差异 [4]。时序数据是指具有时间属性的数据集,针对这类数据的可视化,常采用动画、时间线、堆积图等方式。层次数据是指数据之间具有等级关系或者递进关系,对于层次数据的可视化,有树图和链接图。网络数据主要表现数据之间的连接关系,即网络拓扑结构,对于网络数据的可视化,重点在于数据之间或者数据聚类结果之间具有的相似性、传递性、中心性等。
由于林业领域的相关数据种类繁多,如森林资源分布、植物名录、林分面积、湿地保护区面积、林业用地面积、地形地貌数据、温度湿度、国家保护区等 [5],这些数据具有多维度、空间性等特性。
对于这些数据的可视化展示,不仅要表现数据值的大小,还要表现出空间信息,以及多维度情况。同时,由于林业资源数据的特殊性以及虚拟现实和增强现实技术的发展,对林业数据的可视化结合了三维动画、虚拟仿真等技术,还原真实场景进行模拟分析,分析森林演变过程等 [6]。
3 林业资源大数据可视化系统设计
3.1 可视化系统平台搭建
本文设计的林业资源大数据可视化分析系统主要包括数据存储与计算和前端可视化展示两大模块。其中数据存储与计算检索模块的主要功能是对 Hadoop 中存储的数据进行筛选与计算,前端可视化展示模块主要对数据结果进行展示,并提供交互功能。
林业资源大数据可视化系统的整体框架如图 1 所示,整体采用了 B/S 结构,通过 Hadoop 存储林业资源数据,使用 MySQL 存储相应的分析结果。使用 JavaScript、 HTML5、CSS 实现前端交互编码工作,并使用了 d3.js、 ECharts.js 等开源的 JavaScript 可视化库。 D3(Data-Driven Documents)是一个基于数据操作文档的JavaScript 库,全称为数据驱动的文档,这里的文档是指基于 Web的网页或者文档,能在浏览器中展示的对象,如 HTML,SVG 等,它能够有效的操作基于数据的 Web 文档,实现大数据的动态交互以及可视化。 ECharts 是一个开源可视化库,可以流畅的运行在 PC 和移动设备上,兼容当前绝大部分浏览器,底层依赖轻量级的矢量图形库 ZRender,提供直观、丰富,个性化定制的数据可视化图表。
图 1 林业资源大数据可视化系统平台框架图
3.2 数据存储设计
HDFS 是 Hadoop 的分布式文件系统的实现,通过文件形式来存储海量的数据, 数据存储路径为数据的分区。考虑到林业数据具有时间变化特性以及地理空间位置不同等特征,结合可视化的数据需求,本文以时间 - 省份为分区进行林业数据的存储,数据源为2008 年 -2013 年全国、各省的林业数据以及国有林场森林资源相关数据,通过对基础数据进行聚合分析处理,获得相应主题的数据结果,如各个省份森林资源面积、覆盖率、林种分类以及占比、优势林种等。除此之外,本文在Hadoop的基础之上设置了一层中间库,使用MySQL数据库作为数据存储引擎,用来存储Hadoop的分析结果,前端界面通过 AJAX 调用 MySQL 数据进行可视化展示。这种设计方式将原始数据与分析结果分开存储,避免直接访问原始数据,保护了数据安全,同时前端界面与数据库之间交互效率较高。
3.3 前端界面设计
为了显示宏观层面以及中观层面的林业资源数据,本文基于全国地图显示各个省份的森林覆盖率情况,同时,为了对不同省份不同时间段的林业资源数据进行分析,增加了数据选择项,可以选择分析的时间以及区域,同时对所选择时间以及省份内其他林业资源数据(如国有林场森林资源数据)进行可视化。林业资源大数据可视化系统主界面如图 2 所示。
图 2 林业资源大数据可视化系统主界面
林业资源大数据可视化系统主界面主要由七个视图构成:(a)视图用来选择分析林业资源数据的时间段以及区域, 可选择全国以及省份级别;(b)与(c)视图用来展示(a)视图选择时间内,全国森林覆盖率以及不同地区国有林场森林资源面积分布,可进行比较分析;(d)视图展示近十年木材供给变化,包括全国木材供给情况和国有林场木材供给情况;(e)视图展示不同地区林种对比情况;(f) 视图展示不同生态主体功能的国有林场数目;(g) 视图展示全国各省的森林覆盖面积以及前五的省份情况。
通过系统可以发现,国有林场的数量分布以及森林资源面积分布主要集中在西北、华北、东北地区,沿海以及南方区域相对较少。
4 总结与展望
林业资源大数据信息化建设是实现林业高质量发展科技创新驱动的主要手段,是推进林业“供给侧”结构性改革的重要途径,是建设“美丽中国”的先进武器。 Hadoop 作为当下高效的分布式计算平台,为林业资源数据存储、分析提供了技术支持,而数据可视化为大数据信息展示、信息整合分析提供了便捷。本文结合了Hadoop 以及 ECharts 可视化框架对全国林业资源数据进行了可视化分析。通过 Hadoop 存储林业资源数据并将分析结果存储到中间库 MySQL,最终前端界面显示分析结果,并对具体区域进行了数据可视化验证,最终结果表明该系统可以有效地进行林业资源数据分析计算,为林业信息决策提供支持。
参考文献:
[1]JiaweiHan, MichelineKamber, JianPei, 等 . 数据挖掘: 概念与技术 [M]. 机械工业出版社, 2012.
[2] 莫明勋 . 林业数据挖掘与可视化的应用分析 [J]. 信息通信,2016(2): 161-162.
[3] 王凯,曹建成,王乃生,等 . Hadoop 支持下的地理信息大数据处理技术初探 [J]. 测绘通报,2015(10):114-117.
[4] 王占刚, 庄大方, 邱冬生, 等 . 林业数据挖掘与可视化的应用分析 [J]. 地球信息科学学报, 2007, 9(4): 19-22.
[5] 王赛专, 朱颖芳 . 数字林业多系统集成的研究 [J]. 中南林业科技大学学报, 2013, 33(12): 86-90.
[6] 张怀清, 李增元 . 数字林业体系与平台系统建设 [C]. 中国科协2005 年学术年会 . 2005.
作者简介:
李烨(1988—),女,回族,宁夏银川人,中国劳动关系学院讲师,研究方向:农林经济管理、公共管理,联系方式:13601293467。
张伟明(1992—),男,汉族,山西吕梁人,北京林业大学财务处工作,研究方向:数据分析。王亚明(1978—),男,汉族,黑龙江人,国家林业和草原局经济发展研究中心高级工程师,研究方向:森林可持续经营,林业经济管理。本文系国家林业局林业软科学项目:基于“供给侧”改革的国有林场森林资源动态均衡管理研究(编号: 2017 - R01)的阶段性研究成果。

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