城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫與可視化共享平臺研究

熊永柱，黃少鵬

(1.嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院，廣東梅州514015;2.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所，陜西西安361021;3.西安交通大學(xué)全球環(huán)境變化研究院，陜西西安361021;4.密歇根大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系，美國密歇根州48109-1005)

一、引 言

城市是人類活動最強(qiáng)烈的陸地表區(qū)域，也是驅(qū)動多尺度環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會變化的熱點(diǎn)地區(qū)［1，2］。在全球氣候變暖的大背景下，城市氣候環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)無疑會受到快速城市化的強(qiáng)烈影響，帶來許多城市環(huán)境問題，成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素［3-5］。近幾十年來，由城市擴(kuò)展與土地利用變化而產(chǎn)生的城市熱環(huán)境問題，已成為城市氣候環(huán)境和全球變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿課題［6-11］。中國城市化與氣候環(huán)境變化尤其受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。中國改革開放以來，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，由城市熱島現(xiàn)象導(dǎo)致的城市環(huán)境問題日益嚴(yán)重，給人們的健康會帶來極大的危害［12，13］，嚴(yán)重影響區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人們的健康福祉。中國城市熱環(huán)境不僅是少數(shù)學(xué)者關(guān)心的科學(xué)問題，也是城市管理者和社會公眾關(guān)注的重要問題。因此，建立多學(xué)科多來源的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫(urban thermal environment database，UTEDB)，為定量評估城市化對城市熱環(huán)境的影響提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化共享服務(wù)，已成為城市熱環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容和迫切需求。盡管國內(nèi)外已建成各種類型的科學(xué)數(shù)據(jù)庫共享資源和服務(wù)，但是城市熱環(huán)境研究領(lǐng)域的專業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺還未見報(bào)道，迫切需要進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究和系統(tǒng)建設(shè)。

從城市熱環(huán)境研究的現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，本文提出建設(shè)城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。將按城市熱環(huán)境研究的規(guī)范和要求，建設(shè)一個覆蓋全國范圍、滿足不同用戶需要的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫，逐步把它發(fā)展成為城市熱環(huán)境研究領(lǐng)域的重要數(shù)據(jù)庫資源，同時構(gòu)建面向服務(wù)的體系架構(gòu)(service oriented architecture，SOA)的科學(xué)數(shù)據(jù)可視化共享WebGIS平臺，為城市熱環(huán)境和其他相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)和技術(shù)支撐，推動相關(guān)學(xué)科的研究發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

二、研究目標(biāo)與意義

1.研究目標(biāo)

1)構(gòu)建面向城市熱環(huán)境研究領(lǐng)域的科學(xué)數(shù)據(jù)庫，為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持?？茖W(xué)數(shù)據(jù)是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)。城市熱環(huán)境研究離不開大量的多源、多學(xué)科基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。本研究收集整理來自基礎(chǔ)地理、地質(zhì)、遙感、氣象、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源，構(gòu)建一個面向城市熱環(huán)境研究領(lǐng)域基礎(chǔ)和前沿研究的科學(xué)數(shù)據(jù)庫，為城市熱環(huán)境研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析等服務(wù)支持，讓枯燥的數(shù)據(jù)變成有用的信息和知識。

2)設(shè)計(jì)開發(fā)城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)共享平臺，促進(jìn)城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)綜合利用。城市熱環(huán)境研究所需數(shù)據(jù)涉及多個學(xué)科專題，有些專題數(shù)據(jù)庫(如地理、地質(zhì)、遙感、大氣等)已在中國科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺下實(shí)現(xiàn)共享服務(wù)。本研究從城市熱環(huán)境綜合研究需要為著眼點(diǎn)，從分散的學(xué)科專題數(shù)據(jù)庫中提取所需要的數(shù)據(jù)，構(gòu)建新的多學(xué)科交叉、多來源的城市熱環(huán)境專題數(shù)據(jù)庫和共享服務(wù)平臺。這不僅有利于該領(lǐng)域的科學(xué)研究發(fā)展，還可將有關(guān)科研成果數(shù)據(jù)和信息知識進(jìn)行集成管理和共享服務(wù)，為城市環(huán)境管理提供決策支持和公眾服務(wù)，提高城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)的綜合利用效益。

2.研究意義

本研究著眼于全球變暖和城市化的大背景，以遙感影像數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境觀測數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建服務(wù)于以城市熱環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域交叉綜合研究的專業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)庫和基于面向服務(wù)體系架構(gòu)的城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)可視化共享平臺。并應(yīng)用遙感與GIS技術(shù)、多元統(tǒng)計(jì)分析和地學(xué)可視化等技術(shù)方法，調(diào)查分析典型城市區(qū)域和全國/局地尺度的熱環(huán)境時空特征和演化規(guī)律，有利于推動城市環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與共享、促進(jìn)城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)集成的理論創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展，為城市環(huán)境科學(xué)的基礎(chǔ)和前沿研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支撐服務(wù)，對促進(jìn)城市環(huán)境信息共享、加強(qiáng)城市環(huán)境管理和推進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性城市建設(shè)具有重要意義。

三、研究內(nèi)容與研究思路

1.研究內(nèi)容

本研究的主要內(nèi)容包括以下4個方面：

(1)城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的理論與方法

目前國內(nèi)外還沒有現(xiàn)成的城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫，其構(gòu)建的相關(guān)理論和技術(shù)方法還有待探討完善，以期為本研究提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)保障。

(2)城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用軟件工程的技術(shù)方法，研究闡述城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)層和元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)技術(shù)流程和方案。

(3)城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)

在構(gòu)建業(yè)務(wù)運(yùn)行的城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，研究相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)的技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)，建立城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)可視化共享與服務(wù)平臺，促進(jìn)有關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化共享和可視化。

(4)城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)融合與可視化分析應(yīng)用

探討利用GIS進(jìn)行多源異構(gòu)的城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)融合和可視化分析應(yīng)用的技術(shù)方法，通過幾個典型研究案例，對城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，研究城市化效應(yīng)對城市熱環(huán)境和氣候變化的影響。

2.研究思路

城市熱環(huán)境是近十多年來快速發(fā)展的融氣象、環(huán)境、遙感等多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域，建立多源多維城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)的共享與可視化平臺對深入進(jìn)行城市熱環(huán)境研究至關(guān)重要。本研究的總體思路如圖1所示，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫和GIS軟件平臺，采集、整理多種來源的各種城市熱環(huán)境研究相關(guān)的空間數(shù)據(jù)并進(jìn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，采用統(tǒng)一建模語言UML(united modeling language)技術(shù)方法設(shè)計(jì)構(gòu)建一個多源、多維、多用途的城市熱環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)庫(UTEDB)，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)基于SOA的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)可視化共享服務(wù)WebGIS平臺，可為城市熱環(huán)境相關(guān)科學(xué)研究、決策支持和科學(xué)普及提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐及共享服務(wù)，把UTEDB建立成為城市環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的具有顯著特色的專業(yè)數(shù)據(jù)庫共享與可視化平臺，滿足科研院所、政府機(jī)構(gòu)和社會公眾對城市熱環(huán)境專題信息和知識共享服務(wù)的迫切需要。

四、擬解決的關(guān)鍵問題與創(chuàng)新點(diǎn)

本研究擬解決的關(guān)鍵問題包括3個方面：

1)城市熱環(huán)境空間數(shù)據(jù)組織、存儲與管理模型。針對城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)量大、格式復(fù)雜和用途廣泛的特點(diǎn)，提出科學(xué)有效的空間數(shù)據(jù)組織、存儲和管理模型和技術(shù)方案。

2)城市熱環(huán)境多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合集成與共享的技術(shù)方法。針對城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)多源、多維和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，探討一種多源異構(gòu)的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)融合集成和面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的可視化共享技術(shù)方法。

3)城市化效應(yīng)對城市熱環(huán)境與氣候變化的影響。這是城市熱環(huán)境研究領(lǐng)域的重要前沿科學(xué)問題。擬應(yīng)用GIS、遙感與統(tǒng)計(jì)分析方法從點(diǎn)和面上對該問題進(jìn)行定量分析。

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)集中在以下兩個方面：

1)系統(tǒng)收集和整編城市熱環(huán)境研究相關(guān)的多來源多學(xué)科數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的ArcGIS Geodatabase進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與融合，為探討有效地進(jìn)行科學(xué)研究數(shù)據(jù)資源管理與共享提供了借鑒參考的技術(shù)方法。

2)采用先進(jìn)的GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫和基于SOA的可視化WebGIS共享服務(wù)平臺在城市環(huán)境研究領(lǐng)域均屬首創(chuàng)。

圖1 研究思路框圖

五、結(jié)束語

本研究系統(tǒng)地提出了城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫與可視化共享平臺研建的總體目標(biāo)與意義、主要研究內(nèi)容與思路、擬解決的關(guān)鍵問題與創(chuàng)新點(diǎn)，可為城市熱環(huán)境科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)和前沿研究提供數(shù)據(jù)共享和技術(shù)支撐服務(wù)，為有關(guān)政府管理部門及社會公眾提供城市環(huán)境管理決策支持和信息共享服務(wù)。城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立還無現(xiàn)成的模板可參照，需要不斷地探索和完善。它涉及的數(shù)據(jù)來源非常廣泛，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，空間尺度變化較大，數(shù)據(jù)量也很龐大，有些數(shù)據(jù)共享還存在一定的困難。因此，本研究擬建立的科學(xué)數(shù)據(jù)庫與可視化平臺還需要應(yīng)用云GIS與可視化技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究探索和實(shí)踐應(yīng)用。利用最新的數(shù)據(jù)庫和軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一個科學(xué)合理、簡單實(shí)用、功能完善、擴(kuò)展方便的城市熱環(huán)境數(shù)據(jù)可視化共享服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行服務(wù)，將是下一步努力的方向和目標(biāo)。

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