基于SpringBoot的GIS可視化系統的設計與構建

陳剛

關鍵詞：SpringBoot；Java反射解耦；Python模型；Mars3D框架；Ajax異步通信

0 引言

現狀：目前，全國各地水庫系統的信息化程度參差不齊，盡管所有系統的安全級別均較高，且必須在獲得授權的情況下離線完成系統部署，甚至不允許隨意調試。一些水庫的數據存儲在基于XML格式的古老WebService中，而另一些則建立了數據中心平臺，需要通過調用平臺API來獲取數據。還有的水庫引入了Kafka技術，須建立Kafka消費端以獲取數據。因此，不同的生產環境對開發的需求各異，這部分開發要求能獨立于整個項目之外，同時又能與原有項目互相整合調用，這就要求設計出一個低耦合的系統調用架構，以實現在不同生產環境下的開發。

已有項目：現存的已有項目采用了SpringBoot+MySQL+JPA+Thymeleaf+Bootstrap的技術選型，這是一個前后端不分離的項目，要求在此基礎上擴展功能以適配不同的水庫生產環境。這個前提使得項目不能重新開始，需要在原有項目中進行拆解和分割，既要保證開發進度，又能將功能模塊獨立出來，這是一個關鍵點。需求：新的需求要求能夠在任意生產環境下獲取水庫數據；新增GIS可視化系統；新增新水庫的AI模型（Python程序）。

難點及關鍵技術：

1） Java調用獨立jar包，以實現數據的抽取并持久化到數據庫。

2） Java調用Python編寫的模型算法，以獲得結果并繪制可視化圖形。

3） 將基于Vue 的Mars3D 開源GIS 框架整合到SpringBoot中。

1 開發框架簡介

SpringBoot：SpringBoot 是一種后端框架，它采用特定的配置方式，并通過內嵌的Tomcat服務器，直接將項目打包成jar 包，從而簡化項目的部署工作[1]。SpringBoot框架采用MVC三層結構，其中MVC包括3 個模塊：模型層（Model） 、視圖層（View） 、控制層（Con?troller） [2]。此外，通過配置Maven工具來管理大量的項目資源，可以有效解決項目資源管理的問題。

Thymeleaf：Thymeleaf 是一個面向Web 服務器端的現代化Java模板引擎。與傳統的Java模板引擎不同，Thymeleaf可以直接被瀏覽器加載，以展示靜態頁面效果。當通過Web應用程序訪問時，Thymeleaf會根據對應的標簽屬性進行動態渲染。SpringBoot推薦使用Thymeleaf作為模板引擎[3]。

Python：Python是一種面向對象的解釋型語言，具有動態數據類型特性。它是一種高級通用編程語言，相比其他語言，Python更便于實現原型開發。

Vue3：Vue是一款由國內開發者尤雨溪研發的用于搭建用戶界面的框架。Vue采用自底向上增量開發的設計方式，提供了豐富的組件庫，支持獨立開發。結合使用Vue生態系統支持的庫和單文件組件，Vue 可以為復雜的單頁應用程序提供支持[4]。此外，通過Vue，前端更便于調用第三方工具（如Web API） 。

此外，開發過程中還使用到了MySQL、SpringData JPA、Bootstrap、WebService、PostgreSQL等技術。

2 技術選型

本次項目開發采用前后端一體化開發，并配合使用Ajax 技術，其技術選型包括：SpringBoot、MySQL、Spring Data JPA、Thymeleaf、Bootstrap、Vue和Mars3D。

2.1 為什么不選擇前后端分離

2.1.1 基于舊項目上新增功能

選擇前后端分離的優勢在于前后端可以相互獨立開發，只需要在接口規范上做到統一就可以加速開發過程。然而，這種方式適合新項目的全新設計，不適合舊項目的改造。在現有的前后端不分離的項目中增加新功能時，既要保證開發進度，又要做到盡可能低耦合的設計。在代碼重構的環節，應該采用敏捷開發的思路，逐漸向解耦的方向演化。

2.1.2 服務器資源限制

服務器的資源分配是按照單個項目進行的，如果改為前后端分離，就需要在原有MySQL服務和Spring?Boot服務的基礎上開啟NginX長期服務。

2.1.3 項目進度約束

項目進度是一個重要的限制因素。從前后端不分離的模式轉變為分離模式，將涉及整個設計的變動和大量的代碼修改，這可能導致項目完成的預期時間難以預測。

2.2 為什么不使用Python+Flask 選型

與上述2.1.2點類似，盡管Python+Flask能獨立啟動Web服務并長期占用Web資源，但實際上調用模型算法的頻率較低，多數情況下是按需調用。因此，為了優化資源利用，選擇按需調用而非常駐Web服務的方案。

2.3 為什么要調用獨立Jar 實現數據抽取

鑒于不同水庫的信息化程度各不相同，數據存儲方式也有所差異，因此面對不同的水庫需要進行單獨開發。這種開發方式不會影響原有項目，相對較為獨立。因此，可以采用獨立的jar程序來獲取數據，并將其存儲在原有項目的數據庫中。在實際開發中，會采用反射機制，并在原有項目中設計好接口，以實現主動調用獨立jar（或class） 進行數據傳遞。

3 架構設計分析

3.1 反射解耦原理與實踐

3.1.1 原理

在面對不同的數據獲取環境時，編寫獨立的jar 程序進行數據抽取，這樣可以實現獨立開發，而不會影響到原有項目的代碼。然而，在調用這些jar程序時，需要一個通用的解決方案來實現對不同jar程序的調用。這就要求每個數據抽取程序設計出相同的調用方法和參數。根據設計模式原則中的“依賴倒置原則”（面向接口而不是具體實現），雖然沒有直接使用接口類型，但在反射機制的實踐中，動態調用類方法可以被理解為面向接口。例如，定義如下類結構：package com.p1; class App{public void run（）{}}。每個數據抽取程序被劃分到不同的包中，它們具有相同的類名和方法，但內部實現邏輯完全不同。

為了能夠在運行時加載每個獨立的數據抽取程序（既可以是jar文件，也可以是class文件），這里以class為例，通過Class.forName“（ 包名.類名”）的方式加載class。如果加載成功就執行，加載失敗則通過異常捕獲順序加載下一個。由于加載class時輸入的包名和類名屬于字符串，更容易提煉為參數，甚至可以把包名和類名作為數據庫中的配置項通過DAO層獲取，從而實現徹底解耦。這樣，新的數據抽取程序加入時，完全不需要修改任何主程序代碼，而只需要在數據庫中配置全限定名即可。

3.1.2 實踐

已知的數據獲取方式包括：從WebService 獲取XML 格式數據、從數據中心平臺API 獲取數據、從PostgreSQL數據庫獲取數據、從Kafka消費端獲取數據以及從Excel文件中獲取數據等。

對于從WebService獲取XML格式數據的情況，借助JDK自帶的工具wsimport生成WebService客戶端，將功能調用代碼放入com.core.extract.webservice.Cli?ent類中。部分代碼參考如下：

3.2 系統結構功能設計

在設計整個系統時，重點放在功能的獨立性和耦合性上，旨在減少各功能模塊之間的依賴程度，確保系統的易維護性和可擴展性。因此，系統被劃分為以下幾個關鍵模塊：

1） 數據抽取模塊：負責獲得實時數據。

2） 數據導出模塊：處理數據計算結果，生成數據報表，并負責數據的導出等功能。

3） 數據處理模塊：作為系統的核心模塊，它是主要的交互區域。

通過這種模塊化的設計，系統的結構變得清晰，每個模塊的職責明確，便于未來根據需求進行相應的功能擴展或調整。

首先，數據抽取模塊構成了系統運行的基礎部分，其主要職責是從生產環境中獲取實時數據。該模塊與各種數據庫、平臺接口、Kafka服務等數據源建立連接，定時或實時抽取所需數據，并將其傳輸到系統內部的MySQL數據庫表中，為后續的數據處理和導出提供數據基礎。數據抽取模塊包括：WebService、平臺API、Kafka、PostgreSQL、Excel及其他數據源。

其次，數據導出模塊負責將數據處理結果以多種形式導出，包括數據報表、數據文件、報警平臺消息推送等。該模塊提供了豐富的導出選項，以滿足不同用戶的需求，并保證了數據的靈活性和可擴展性。目前，數據導出模塊包括：推送平臺API、報警平臺、Ex?cel和報表。

最后，數據處理模塊是整個系統的核心模塊，也是用戶使用頻率最高的功能區域。該模塊提供了實時預報、歷史預報、洪水歸檔、模型調用、可視化呈現、Echarts、GIS等功能。

3.3 項目模塊組織代碼

原項目為單個Module實現，內部包含MVC三層結構。然而，新增的功能中包含相對獨立的GIS可視化系統，主要用于地理信息呈現。因此，可以將GIS前端及其交互的控制器層剝離成為獨立的Module。代碼組織的邏輯是橫向切分子系統，縱向切分代碼調用層次。因此，原項目被重構為包含若干Module的大項目，分為核心功能模塊群（由多個縱向切割的模塊，例如控制器層、域對象層、數據訪問層等）和獨立模塊（橫向切割，模塊內部包含MVC三層結構，形成若干相對獨立的子系統模塊）。

3.4 系統與Python 模型對接設計

使用Python語言，通過構建LSTM模型，形成適應某水庫流域特點的智能洪水預報方案。該方案采用歷史洪水數據進行模擬預報，以檢驗預報方案的效果。同時，利用氣象水文耦合技術，對未來水庫入庫洪水過程進行實時滾動預報。為實現Java與Python 的混合編程，特別是將Java 作為主控語言，需要在Java程序中以某種方式訪問Python腳本代碼[5]。Java 程序通過其命令行函數執行Python命令，以高效獲取數據，而Python執行的結果則通過Java對象直接獲取并返回給控制器。

// 為了消除硬編碼，下面采用了變量，cmd[]數組中的元素分別是命令行的命令和參數，元素之間是空格分隔符

此時，變量text保存了模型運算的結果，并在內存中直接由控制器返回給前端，用于繪制可視化圖形。這種調用方式使得數據無須落地，可直接調用，并將運算結果直接返回。

3.5 系統與GIS 純前端項目對接設計

前端采用Mars3D 開源框架實現快速開發。Mars3D基于Vue3+Vite構建，屬于純前端項目。在與SpringBoot項目對接時，需要使用異步通信（Mars3D框架內置Axios） ，這要求后端提供JSON 格式的、遵循REST風格的控制器接口。然而，原項目使用Thyme?leaf引擎渲染HTML文件，控制器采用@Controller 注解，方法返回視圖名稱。因此，在對接過程中，需要創建專門針對GIS的控制器，并使用SpringBoot的@Rest?Controller注解。

關鍵操作包括在后端部署以確保能正常運行。前端使用命令“npm run build”進行打包，隨后將打包得到的dist目錄下的文件復制到后端的static目錄中。需要注意的是，static目錄默認位于SpringBoot項目內部，在將SpringBoot項目打包成jar文件時，static目錄會被一同打包。如果static 目錄中的文件內容有變動，須重新打包。為便于部署，可以通過添加額外配置使static目錄從SpringBoot項目中獨立出來，這樣就無須因靜態資源的變化而重新打包。要使SpringBoot 引用外部資源，可在SpringBoot 的默認application.properties文件中添加關鍵代碼：

# 實際路徑根據實際情況修改

spring. web. resources. static-locations=file： D：/re?sources/static

4 結束語

隨著信息技術的快速發展，集成多語言和多框架的開發已成為跨專業和跨領域合作的主要趨勢。本項目建立在現有系統的基礎上，分析了新的需求，明確了項目開發的難點和關鍵技術，提出了符合項目實際需求的架構設計，并在新架構中實現了各個模塊的解耦和集成。特別是，使用反射機制極大地減少了項目功能間的依賴關系，實現了功能動態加載的靈活性設計。

項目開發的首要任務是確保按時交付。在系統運行資源充足、開發時間充裕及技術儲備充分的情況下，可以實現更優的設計方案。前后端分離+反射機制的應用將更好地適應當前的需求。