精準扶貧地理信息管理系統的研發

朱素華 宋明陽 張超凡 汪慧琳 楊明棟 盧 艷

(鄭州大學 地球科學與技術學院, 河南 鄭州 450000)

0 引言

貧困是人類社會發展面臨的重大難題之一,長期受到社會各界廣泛關注,“在世界各地消除一切形式的貧困”是聯合國2030年17個可持續發展目標中的首要任務[1]。2015年中共中央國務院發布《關于打贏脫貧攻堅戰的決定》,明確提出精準扶貧戰略[2],之后以習近平同志為核心的黨中央堅持“精準扶貧,精準脫貧”,上下齊心,艱苦奮斗,共同推進中國脫貧事業取得歷史性新突破：截止到2021年2月我國已完成消除絕對貧困的艱巨任務,9 899萬農村貧困人口全部脫貧,扶貧工作取得歷史性勝利。盡管如此,中國的扶貧工作并未結束,鞏固脫貧攻堅成果和守住不發生規模性返貧的底線成為日后扶貧工作的首要任務[3],防止返貧、阻斷返貧也將成為中國扶貧事業的長期使命[4]。

監測返貧人口是防止返貧和阻斷返貧的第一步,在現有扶貧管理系統中,張璞元[5]開發的劍川縣農村扶貧對象管理系統中設計了農戶返貧功能,為返貧人口的監測提供了手段;陳柄任[6]開發的精準扶貧地理信息管理系統功能完善,具有較高的實用性;李彤[7]開發的精準扶貧管理系統功能完善,涉及面廣,貧困人口的信息完善。但是張璞元和李彤開發的精準扶貧系統只有貧困人口的屬性信息,缺乏貧困戶的空間信息,不能直觀地展示返貧人口的空間分布,陳柄任開發的精準扶貧地理信息管理系統未涉及返貧人口監測功能。本文基于前人開發的精準扶貧系統的基礎,結合返貧監測工作的需要,采用數據庫、地理信息系統(Geographic Information System,GIS)空間位置服務等技術,以河南省為例,研究開發精準扶貧地理信息管理系統,為政府鞏固脫貧攻堅成果、守住不發生規模性返貧的底線提供監測手段。此外，系統引入衛星夜晚燈光數據和平均夜間燈光指數(Average Night Light Index,ANLI),旨在從宏觀層面上展示近年來河南省的扶貧質量[8]。

1 系統設計

1.1 系統總體結構設計

本系統采用客戶端/服務器 (Client/Server,C/S)架構設計,系統從下到上一共有4個層次,依次為數據層、服務層、應用層和表現層。其中數據層用來儲存地圖數據和返貧人口的各類信息,如返貧人口基本信息、家庭人員信息、生產條件信息、家庭收支情況等信息。系統管理員可以對以上數據進行添加、修改、刪除等操作。服務層對數據層中的數據進行操作,將貧困戶地理信息可視化,使用戶可以通過接口在客戶機端對數據進行操作。通過對需求的分析,來設計相對應的應用層,通過客戶機端界面對相關功能進行調用。應用層是該系統中的各項功能整合在一起,形成一個完整的系統,各項功能主要包括地圖縮放、地圖移動、成果展示、用戶管理、基礎信息管理、信息查詢等。表現層要實現用戶與應用層的交互,系統中不同的功能模塊對應不同的用戶,能夠根據不同的需求和用戶權限響應不同的業務和信息資源,如只有管理員用戶能夠管理貧困人口信息。該系統將數據庫技術、地理信息技術應用于精準扶貧工作,提高扶貧工作的科學性和準確性[9]。該系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構設計

1.2 系統數據庫設計

為了提高系統的訪問速度與靈活性,系統選取輕量級、零配置的數據庫SQLite建設[10],將返貧人口基本信息、家庭人員信息、生產條件信息、生活條件信息、家庭收支情況、用戶表等信息存儲在不同的關系表中。其中基本信息表包括戶主姓名、身份證號碼、聯系電話、識別標準、是否建檔立卡、貧困戶屬性、開戶銀行、房屋經度、房屋緯度、致貧原因、家庭現住址戶籍地等信息;家庭人員包括姓名、性別、身份證號碼、與戶主關系、文化程度、健康狀況、工作、參加居民基本醫療保險情況、是否參加城鄉居民養老保險、幫扶需求情況等信息;生產條件包括耕地面積、林地面積、水面等信息;生活條件包括住房面積、是否危房、是否有衛生廁所、住房結構、是否通電、飲水是否困難、飲水類型、飲水是否安全等信息;家庭收支情況包括家庭總收入、家庭主要收入來源、家庭支出、家庭人均純收入等信息;用戶表包括用戶名、用戶名Id、用戶類型。其中返貧人口基本信息表的設計見表1。

1.3 系統模塊設計

該系統是以數據庫為基礎,以地理信息系統為核心開發而成的一套精準扶貧系統。與傳統扶貧系統相比,該系統將貧困數據與脫貧成果可視化,使其更加清晰直觀。并且該系統將重點放在返貧人口上,能夠幫助用戶及時發現返貧人口,管理和幫扶返貧人口,進而鞏固脫貧成果。普通用戶可通過該系統與扶貧工作人員進行交互,實現扶貧數據和扶貧工作的透明性、實時性和可監督性[11]。該系統的模塊功能設計見圖2。

圖2 系統功能設計

該系統主要分為兩大類用戶,分別是普通用戶和管理員用戶,不同的用戶有不同的用戶權限,系統能夠根據不同的用戶權限,業務請求和能訪問的信息資源有所區別。其中普通用戶能夠使用信息錄入、地圖展示、脫貧成果、扶貧新聞、互動交流功能模塊;管理員能夠使用互動交流、群眾訴求管理、貧困信息管理等功能模塊。

2 關鍵技術與理論

2.1 關鍵技術

為保證系統的安全性,該精準扶貧信息管理系統基于C/S模式建立,客戶端與服務端直接相連,響應速度較快,且不依賴于政府外網環境,具有較強的事務處理能力,可實現復雜的業務流程。

客戶端層的開發技術主要是Qt+Openlayers+JS+SQLite。Qt是一款強大的跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架開發平臺，它具有良好的面向對象特性，擴展起來十分容易，同時它也允許真正地組件編程。Openlayers是一個WebGIS前端開發的JavaScript包,為互聯網客戶端提供強大的地圖展示功能。JS作為一種相對安全的腳本語言,不被允許訪問本地的硬盤且不會將數據存入服務器,允許對網絡文檔進行修改,從而有效防止數據的丟失或對系統的非法訪問。SQLite為關系型數據庫,用來存儲數據,作為輕量級嵌入式數據庫,實現了自給自足、無服務器、零配置的、事務性的SQL數據庫引擎。

在客戶端層,需要使用Openlayers技術來實現數據的可視化,通過遠程調用的方式,將地圖數據加載到系統中,將空間位置信息點及扶貧數據與地圖相關聯,從而實現GIS功能。對于非GIS端功能的實現,則采用Qt+JS+SQLite技術,保證了該系統的安全性。

服務器端通過unix域套接字和客戶端進行通信。客戶端和服務器端通信時,使用QCopChannel類,該類允許一個進程的信號連接另一個信號的槽,從而實現客戶端與服務器端的多對多通信,提高系統使用效率。

2.2 平均夜間燈光指數

夜光遙感數據能夠反映人類社會活動。李德仁在《論夜光遙感數據挖掘》中指出,夜光遙感影像能夠表征區域內的經濟發展水平,因而能夠對區域的貧困程度進行測度[12]。基于此,部分學者深度開發利用夜光遙感數據,建模研究夜光遙感數據與區域內的貧困程度、扶貧質量等的關系。斯麗娟等[8]通過構建平均夜間燈光指數 (Average Nighttime Light Index，ANLI),并將ANLI和區域扶貧質量指數進行回歸,發現兩者存在明顯的線性關系并呈現正相關,即平均夜間燈光指數越大,區域扶貧質量就越高。本系統引入河南省2000，2013和2020年夜光遙感影像，并計算其區域平均夜間燈光指數,科學客觀展示河南省近年來的扶貧質量及脫貧成果,ANLI計算如公式(1)所示：

(1)

式(1)中,P為河南省行政單元像元的個數;IANL為區域平均夜間燈光指數;NP為第P個像元的屬性值。

本文采用的夜光遙感影像包含兩個數據源,2000和2013年夜光遙感影像采用中國科學院資源環境科學數據中心已處理好的美國國防氣象衛星計劃/線性掃描業務系統(Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System，DMSP/OLS)衛星數據,NP值范圍為0～63。2020年夜光遙感影像采用美國科羅拉多礦業學院地球觀測組織(EARTH OBSERVATION GROUP)官網(https:∥payneinstitute.mines.edu/eog/)原始衛星數據,并對其進行預處理,以實現兩類數據的一致性。通過計算我們得到河南省2000，2013和2020年的IANL值,分別為4.246 8，9.084 3和12.235 5,表明河南省的扶貧質量呈現上升的趨勢。

3 功能實現

3.1 信息錄入

信息錄入模塊用來記錄返貧人員的基本信息情況,用戶登錄后,點擊上方導航欄“信息錄入”按鈕,即可輸入相關信息,包括基本信息、家庭人員、生產條件、生活條件、家庭收支5個信息表。所有信息輸入完成并點擊確認提交后,普通用戶輸入的數據將存入數據庫中,管理員可以在后臺管理普通用戶輸入的數據,普通用戶可以查看自己之前輸入的信息并加以修改,見圖3。

圖3 信息錄入

3.2 地圖展示

項目人員通過應用程序接口(Application Programming Interface，API)接口調用百度地圖,并將其與本地數據庫進行連接,將空間信息與屬性信息聯系在一起,使貧困數據更直觀清晰地展示出來。地圖上的點表示返貧人口的地理位置,當鼠標移到標注點就會顯示對應貧困戶的詳細信息。管理員能夠直觀地看到每個地區的返貧人口及數量,實時監測返貧人口數量和分布,見圖4。

3.3 脫貧成果

通過對河南省2000，2013，2020年的夜光遙感影像進行處理計算得到每年的ANLI,其值分別為4.246 8，9.084 3和12.235 5。結果顯示,隨著年份的增加,河南省的ANLI值不斷上升,這說明河南省扶貧質量呈現上升的趨勢。扶貧成果展示模塊通過向用戶展示2000，2013，2020年的ANLI值和衛星夜晚燈光影像，宏觀地展示脫貧成果,見圖5。

圖5 夜光遙感影像與ANLI

3.4 其他模塊

在“互動交流”模塊中,普通用戶可與管理員用戶進行動態交互,并對扶貧工作進行監督,該模塊中普通用戶可以查看對應幫扶人姓名、辦公室地址、辦公室電話等信息,并對幫扶人進行考核,用戶還可以向管理員提出訴求并查看訴求完成進程;群眾訴求模塊僅服務于管理員,管理員在進入“群眾訴求管理”模塊后可看到用戶提交的訴求,并能及時更改訴求狀態,用戶端實時更新訴求進程;另外,該系統還具有扶貧新聞模塊,該模塊包含扶貧動態和扶貧英雄,主要用于扶貧進程中扶貧新聞和扶貧先進人物的展示;最后，在貧困戶信息管理模塊中,管理員用戶可以查看普通用戶填寫的各類信息,包括基本信息、家庭人員、生產條件、生活條件、家庭收支等信息；此外，管理員用戶也可以添加、刪除和修改返貧人口的各類信息。

4 結束語

本文設計開發的精準扶貧地理信息管理系統適用于對返貧人口的監測和管理,通過地理信息技術建立起統一的信息平臺,可以對返貧人口的地理位置、信息、空間關系進行多維度展現與分析,幫助政府守住不發生規模性返貧的底線。另外普通用戶可與管理員用戶實時交流溝通,普通用戶提出可行性建議,對扶貧負責人進行監督,使扶貧工作更透明高效。該系統將返貧數據及成果與地理信息系統結合起來,充分發揮地理信息系統的精準定位、可視化、數字化等優勢,實現返貧人口的信息查詢、位置展示等功能,提升精準扶貧工作的效率,為鞏固脫貧成果、返貧人口監測和堅守返貧底線提供支持。