區(qū)域空間數據基礎設施及其入海河口治導線規(guī)劃應用

張曉祥 ，晏王波 ，張長寬 ，丁賢榮

（1. 河海大學地理信息科學與工程研究所，江蘇 南京 210098；2. 河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098）

1 入海河口治導線規(guī)劃概述

規(guī)劃一般是指對未來進行整體性、長期性、基礎性問題的思考[1]。規(guī)劃過程本身并不是決策，而是一種支持決策的過程[2]，涉及的問題通常具有綜合性和復雜性等特點。規(guī)劃過程往往涉及到各方利益的平衡與協調，人與自然的協調越來越成為規(guī)劃設計的核心理念。早在 1969 年，著名規(guī)劃設計專家 Ian McHarg 就提出“設計結合自然（design with nature）”的思想，即規(guī)劃本身需要綜合考慮與自然和社會系統的協調[3]。這種尊重自然的規(guī)劃設計理念逐步得到重視，如在景觀規(guī)劃中，需要綜合考慮地形、土壤、水文、氣候、植被和棲息地等因素；在土地利用規(guī)劃中，需要綜合考慮地形、地貌、氣候、土壤、植被、河道水系、土地利用、城鎮(zhèn)交通、鄉(xiāng)土文化等因素[4]；在區(qū)域規(guī)劃中，需要考慮基礎地理信息、土地利用、社會經濟等數據進行綜合分析[5]；在水利規(guī)劃中，同樣需要綜合涉水相關數據用于水利規(guī)劃與設計[6]。規(guī)劃對空間數據的需求正在大大增加，要求也不斷提高?？臻g數據基礎設施（Spatial Data Infrastruture, SDI）能保證地理空間數據的一致性、兼容性或可轉換性，實現一次生產、多次使用?？臻g數據基礎設施分廣義和狹義 2 種概念，廣義的 SDI 是指地理空間數據獲取、處理、存儲、分發(fā)、利用等過程所必需的各種技術，政策，標準和人力資源的總稱，狹義的 SDI 則是指滿足一定質量要求的空間和專題數據的數據庫和信息庫[7]。

入海河口治導線規(guī)劃作為水利規(guī)劃的一種，擔負著明確河口開發(fā)與保護范圍，確保入海河口地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的責任[8]。作為一類特殊的規(guī)劃，治導線規(guī)劃實際上是一種約束性規(guī)劃，某種意義上可以認為是一種典型的“反規(guī)劃”[4]，即這類規(guī)劃重點不在于規(guī)劃要做什么，而在于規(guī)劃不能做什么。同時，入海河口治導線規(guī)劃的制訂是一個涉及多個部門及眾多自然本底和地區(qū)社會經濟發(fā)展要素的過程。總的來說，江蘇入海河口治導線規(guī)劃作為一項空間覆蓋范圍大、涉及基礎數據多、數據處理任務重的工作，規(guī)劃過程中涉及的數據獲取、處理、分析、設計等技術流程存在工作程序繁瑣、工作效率不高等弊病，因而迫切需要能夠融合各項技術流程的技術方法。地理設計（Geodesign）正是這樣一種方法，能夠有機融合基礎數據與規(guī)劃設計過程，便于進行多種方案的比較和優(yōu)選。地理設計思想源于1969 年McHarg 提出的“設計結合自然”的規(guī)劃理念[3]，后來 Steinitz 在 McHarg 的這種理念基礎上，結合新興的地理信息系統（GIS）技術，系統地提出一整套GIS 支持下的地理設計方法，為各類地理設計問題的解決奠定了方法論基礎[9]。

地理設計過程涉及分析和支撐模型運行的大量數據，很多時候規(guī)劃設計需要建立在龐大的數據獲取和實時/準實時的數據處理基礎上，因而地理設計過程本身也迫切需要空間數據基礎設施的支撐。在海岸帶數據管理方面，海岸帶集成管理（Integrated Cosatal Zone Management，ICZM）早在 1992 年已提出，主要作用是實現海陸交匯地帶時空信息一體化管理[8]，這可以看作是形成了海岸帶 SDI 的雛形，然而 ICZM 對數據的管理還只是初步的，當時的技術條件也難以管理海量多源異質空間數據[10-12]。SDI作為一項基礎設施，已經成為國家信息化建設的重要組成部分，近年來從全球、洲際、國家和省市到區(qū)域層面都建立了多層次的 SDI[11]，海岸帶 SDI 也獲得了飛速的發(fā)展，并成功地應用于海洋生物棲息地評價、海岸帶侵蝕、突發(fā)性水污染等具體研究和實踐中[13-15]。對于大的研究區(qū)來說，隨著計算的復雜程度不斷加大，不論是地圖數據還是遙感數據的整合共享需求不斷增強，傳統 GIS 建設需要昂貴的數據、平臺、硬件等投入的模式將逐漸瓦解，類似SDI 快速聚合數據服務、直接客戶化定制應用將很快實現[16]。

選擇江蘇海岸帶為研究區(qū)，在區(qū)域空間數據基礎設施的支持下，利用地理設計方法，把規(guī)劃設計過程與空間數據基礎設施相結合，依次剖析入海河口治導線規(guī)劃的表達、過程、評價、變化、影響、決策等 6 個模型以輔助進行規(guī)劃設計，綜合利用空間數據、地理信息和領域知識，科學合理劃定江蘇入海河口治導線。

2 研究區(qū)概況

以江蘇沿海地區(qū)為研究區(qū)。江蘇沿海地區(qū)位于我國東部沿海中心區(qū)，介于東經 119°21′～121°55′，北緯 31°33′～35°07′ 之間，東鄰黃海，西與徐州、淮陰、揚州、泰州 4 市相鄰，南起長江北堤，北至蘇魯邊界，包括連云港、鹽城和南通 3 市所轄全部行政區(qū)域。研究區(qū)東西寬約 60～150 km，南北長約 450 km，陸域總面積 3.25 萬 km2，大陸海岸線長達 954 km。江蘇沿海地區(qū)多為沿海沖擊平原，海岸帶沿線的 90% 以上是淤泥質平原海岸，灘涂資源豐富，海岸帶地貌獨特。圖1 為研究區(qū)的區(qū)位圖。本次江蘇入海河口治導線規(guī)劃的規(guī)劃對象為江蘇沿海30 個主要河口，其中包括 13 個重點河口和 17 個主要河口，具體如表1 江蘇入海河口列表所示，順序是按江蘇沿海地理位置自北向南依次排列。?

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

3 空間數據基礎設施

江蘇入海河口治導線規(guī)劃是一項涉及多個部門的工作，需要水利部門與海洋、港口、圍墾、自然保護區(qū)等部門進行協同。同時，研究所涉及的數據種類眾多、來源各異、標準不一，非常容易引起海岸帶數據管理的混亂，因而建立比較統一的 SDI 顯得極為必要。SDI 的基本數據包括基礎地理信息和專題數據?；A地理信息數據主要包含研究區(qū)數字線劃圖（DLG）、數字正射影像（DOM）、數字柵格圖（DRG）、數字高程模型（DEM）等；專題數據則包括與入海河口治導線相關的地貌、堤防、土地利用、濕地、自然保護區(qū)等信息，由于很多數據不全，需要通過遙感影像判讀進行專題信息的提取，本研究主要利用研究區(qū) 1970 年以來的 7 期 Landsat MSS/TM 遙感影像來獲得專題和變化信息。

在參考已有海岸帶 SDI 研究的基礎上，初步設計構建符合江蘇入海河口治導線規(guī)劃的海岸帶空間數據基礎設施[17]，具體如圖2 所示。區(qū)域 SDI 實際上主要分為標準規(guī)范、架構實現、技術支持等 3 個層次，其中以架構實現最為核心，覆蓋數據采集、數據處理、數據建模等整個流程，實現空間數據共享，并能夠根據行業(yè)需求和專業(yè)知識進行相應的空間分析和知識挖掘以獲得衍生的數據、信息和知識，最后應用于具體的應用研究中。另外，標準規(guī)范和技術支持也是區(qū)域 SDI 的重要組成部分。

表1 江蘇入海河口列表

圖2 區(qū)域空間數據基礎設施設計與實現

4 SDI 支持的河口治導線規(guī)劃

4.1 地理設計

地理設計可以將分析建模過程引入設計流程，并利用 GIS 和區(qū)域 SDI 的強大數據管理功能進行數據的合成與必選。地理設計這種新型的方法論可以融合園林景觀、環(huán)境設計、地理學、土地規(guī)劃學等諸多領域的研究成果，在規(guī)劃設計過程中，全面考慮影響因素。Steinitz 建立的地理設計流程圖[9]，結合新興的 GIS 技術，依次考慮規(guī)劃設計過程中 6 個方面的問題：描述空間對象、對象動力機制、運行狀態(tài)、對象變化機理、變化影響、合理評估，并相應地建立地理設計的表達、過程、評價、變化、影響和決策等 6 個模型，最終在綜合考慮空間數據、地理信息和領域知識的基礎上完成地理設計。

具體來說，6 個模型是地理設計的關鍵，各個模型的具體含義如下：

1）表達模型。如何描述空間對象的各種狀態(tài)。

2）過程模型。描述對象的功能和動力機制，對象各要素之間的功能關系和結構關系如何。

3）評價模型。目前空間對象的運行狀態(tài)如何，需根據各個相關因素建立評價模型。

4）變化模型?？臻g對象如何變化，對于變化的發(fā)展如何進行預測，并同時有目的的進行干預未來發(fā)展。

5）影響模型?？臻g對象變化會帶來何種影響，與變化的過程模型密切相關。

6）決策模型。空間對象的改變有多種方向，如何評估不同情境的差異和影響，做出合理的決策，解決規(guī)劃最根本的問題。決策模型與評價模型密切相關，都涉及各類因素的綜合評估。

4.2 空間數據支撐

在地理設計方法論的指導下，對江蘇沿海 30 個入海河口進行河口治導線劃定。為說明研究思想，選取重點河口：埒子口進行研究。埒子口位于連云港市，位于江蘇北部沿海，河口地區(qū)基本沖淤平衡。埒子口作為沂北地區(qū)防洪排澇的主要入海河口，具體如圖3 所示，埒子口上游集中了燒香支河、古泊善后河、五圖河、車軸河和牛墩界圩河等 5 條河道，該河口具有一定的典型性及復雜性。

圖3 埒子口河口示意圖

空間數據支撐是地理設計的重要前提，在地理設計工作正式開始之前，需要明確入海河口治導線規(guī)劃的起始點、控制范圍、限制條件，同時還需要根據基礎數據獲得研究所必備的衍生數據。在研究中，空間數據支撐主要體現在以下 4 個方面：

1）明確治導線的上游起始點。根據規(guī)劃要求，擋潮閘是治導線的起始點，埒子口河口擋潮閘包括車軸河上的車軸河閘和圖河上的五圖河閘、圖西閘，故埒子口治導線劃定的起點有 2 個。

2）明確入海河道的兩側的初始治導線控制范圍。按照有關水利規(guī)程要求，一般河道兩側 1 km 緩沖區(qū)設置初始治導線控制范圍。同時，還需要考慮對接上位規(guī)劃以及與同級規(guī)劃相協調，并考慮當地實際情況，特別是要尊重河口既有圍墾事實。

3）考慮河口治導線的限制條件。如江蘇沿海分布有大面積的法定的自然保護區(qū)，治導線劃定應注意避讓自然保護區(qū)。

4）獲取河口流域有關特征點線等衍生數據。由超位數據、數字高程模型（DEM）及歷史遙感圖像確定各類河口流域特征線，包含納潮匯水區(qū)歷史外邊線、平均高潮線等。

4.3 基于地理設計的河口治導線劃定

河口治導線的劃定，除滿足水利部門維持閘下港道穩(wěn)定、保持港道排水能力、加強水利管理的需求以外，還需綜合考慮各種影響因素，對接上位規(guī)劃，并與相關部門規(guī)劃進行協調。河口治導線規(guī)劃地理設計框架圖在地理設計框架下，分別用 6 個模型來描述整個治導線劃定過程，具體如圖4 所示，左側是通用地理設計的流程圖，右側是針對江蘇入海河口治導線規(guī)劃進行的具體地理設計的流程圖。

圖4 入海河口治導線規(guī)劃地理設計框架圖

對于江蘇入海河口治導線研究來說，表達、過程、評價、變化、影響和決策等 6 個模型包含更為詳細和更有針對性的工作：

1）表達模型。通過對江蘇沿海進行調查等基礎工作，建立數據庫描述對象，包含基礎地理信息和海岸帶數據。

2）過程模型。對已有數據進行空間分析，分別需要考慮居民地的分布、入海河道等因素影響。

3）評價模型。對河閘淤積、行洪泄洪等過程進行功能分析，評價過程對入海河道的影響。

4）變化模型。海岸線的變化及河道的擺動、變化的灘涂圍墾，新修的水利工程等都作為剝離出的信息進行決策的支撐，對不同因素的影響產生的不同的治導線規(guī)劃方案疊加到底圖上。

5）影響模型。不同的劃定方案會產生不同的影響，如河口周邊的自然保護區(qū)及沿河道的圍堤（道路），同時對其他方面領域規(guī)劃也有不同程度的影響，因此需要上下規(guī)劃進行合適對接。

6）決策模型。由于各個河口的物理條件不同，所以需要因地制宜，對每個方案進行比較，滾動調整選出最優(yōu)方案。

其中前 3 個模型是對現實世界的分析和表達，后 3 個模型逐漸由人為介入并改變設計，這種加入設計和建模規(guī)則的方法能使得地理設計變成一個動態(tài)的過程，正如對于治導線劃定，需要綜合考慮各部門之間的協調，通常上述 6 個層次的框架流程都必須至少反復迭代 3 次：1）自上而下（順序）明確項目的背景和范圍，即明確問題所在；2）自下而上（逆序）明確提出項目的方法論，即如何解決問題；3）自上而下（順序）進行整個項目直至給出結論為止，即回答問題[14]，這樣一個不斷迭代優(yōu)化的過程才能綜合考慮規(guī)劃相關問題，才能較為合理的劃定河口治導線。

圖5 為江蘇北部入海河口埒子口的河口治導線主要的數據圖層及最終的規(guī)劃成果圖。

圖5 治導線成果圖

5 結語

以江蘇海岸帶為研究區(qū)，結合區(qū)域空間數據基礎設施和地理設計方法論開展江蘇入海河口治導線規(guī)劃研究，研究主要得到以下結論：

1）地理設計作為一種有效的空間輔助設計與規(guī)劃方法，能夠綜合考慮各類影響因素，依次建立江蘇入海河口治導線規(guī)劃過程的表達、過程、評價、變化、影響和決策模型，把較為抽象的規(guī)劃設計的流程轉化為易于計算機分析與建模的過程。

2）區(qū)域空間基礎設施有助于快速整合多尺度、多源空間數據資源，建立融空間數據、地理信息與領域知識的一體化數據管理，為地理設計過程提供堅實的數據基礎，實現一次生產、多次應用。

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