環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

尹 志 恒，甄 艷，羅 浩，周 啟，任 東 宇

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500； 2.自然資源部第三地理信息制圖院，四川 成都 610100)

0 引 言

環(huán)境影響評價是中國促進生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會和諧、可持續(xù)發(fā)展的重要手段。2018年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《“三線一單”成果數(shù)據(jù)規(guī)范(試行)》，規(guī)定了“生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和生態(tài)環(huán)境準入清單”(以下簡稱“三線一單”)成果數(shù)據(jù)的內(nèi)容、形式和結(jié)構(gòu)[1-2]?！叭€一單”是加強生態(tài)環(huán)境科學(xué)信息化管理、完善環(huán)境影響評價制度體系的重要工作。目前中國學(xué)者針對“三線一單”的編制、應(yīng)用實踐、環(huán)境評價、技術(shù)邏輯等內(nèi)容進行了大量的研究工作，其目的在于系統(tǒng)化、專業(yè)化、規(guī)范化進行“三線一單”的建設(shè)實施以及發(fā)揮其重要的價值。王亞男[3]對“三線一單”在重新構(gòu)建環(huán)境準入體系中的意義，以及與規(guī)劃環(huán)評和項目環(huán)評制度銜接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了探究。王文燕等[4]厘清了“三線一單”在成果表達和地方實踐基礎(chǔ)上的作用和功能定位，以支撐國家生態(tài)環(huán)境治理體系現(xiàn)代化建設(shè)。王曉等[5]針對生態(tài)環(huán)境準入清單編制現(xiàn)狀及存在的問題，對“三線一單”中生態(tài)環(huán)境準入清單的編制路徑進行了探討。王孟等[6]通過對新時期環(huán)境保護要求的研究，提出了適用于流域綜合規(guī)劃的“三線一單”的制定原則、內(nèi)容、指標、應(yīng)用等。楊芳等[7]在四川省河流岸線開發(fā)利用與保護區(qū)中對“三線一單”的岸線陸域延展寬度進行了研究，同時對沱江流域的岸線進行了劃分。姜昀等[8]為實現(xiàn)青海省生態(tài)功能改善的目標，解析了生態(tài)功能改善實現(xiàn)的關(guān)鍵點，提出了適用于青海省的“三線一單”的生態(tài)功能改善實現(xiàn)路徑。于慧等[9]從生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善、自然資源資產(chǎn)增值等角度對四川省資源利用上線的劃定技術(shù)方法進行了探究。孫翔等[10]為解決流域養(yǎng)殖污染嚴重的問題，提出了基于“三線一單”的養(yǎng)殖污染環(huán)境管理框架，對流域養(yǎng)殖的管理具有重要意義。劉偉等[11]針對流域規(guī)劃環(huán)評中替代方案不足的問題，提出基于“三線一單”的環(huán)境評價指標體系，并對流域開發(fā)規(guī)劃的代替方案進行了研究。但目前尚缺乏對“三線一單”海量數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查以及其成果生成等相關(guān)方面的研究。

四川省作為長江經(jīng)濟帶中率先進行“三線一單”編制工作的省份之一，目前在制作“三線一單”成果數(shù)據(jù)過程中存在諸多難題。例如：制作“三線一單”省級匯總數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以對匯總數(shù)據(jù)進行整體性系統(tǒng)性的質(zhì)量檢查、成果更新以及統(tǒng)計分析等操作，并且使用ArcMap或基于32位ArcEngine開發(fā)的軟件會出現(xiàn)卡頓、崩潰等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理無法完成。對“三線一單”成果數(shù)據(jù)生成缺乏系統(tǒng)化、自動化的工藝流程，因此，實現(xiàn)“三線一單”匯總數(shù)據(jù)嚴格高效的質(zhì)量檢查以及成果自動化生成具有重要意義。針對“三線一單”數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和成果生成環(huán)節(jié)存在的難題，本文采用基于ArcEngine的插件式開發(fā)技術(shù)和64位自定義GeoProcessing相關(guān)技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了“三線一單”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，形成了一套系統(tǒng)化、自動化的“三線一單”成果數(shù)據(jù)生成工藝流程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 開發(fā)及運行環(huán)境

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，系統(tǒng)運行平臺為ArcEngine Runtime 10.1、ArcGIS SDE 10.1、.NET Framework 4.0，系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為PostgreSQL 9.0，系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境為：不低于2 GHz單核CPU或1.5 GHz多核CPU、不低于2 GB可用內(nèi)存空間、不低于100 GB可用磁盤空間，具備集成或獨立網(wǎng)卡，且接入可連接運管和工作空間的局域網(wǎng)，不低于512 MB顯存的獨立顯卡。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為滿足“三線一單”海量數(shù)據(jù)整體化、系統(tǒng)化的質(zhì)量檢查，以及成果數(shù)據(jù)流程化、自動化生成等需求，本文系統(tǒng)采取基于.NET Framework運行環(huán)境和ArcEngine組件包等軟件開發(fā)技術(shù)，遵循“三線一單”標準成果數(shù)據(jù)規(guī)范等要求，設(shè)計并開發(fā)了“三線一單”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其主要包括用戶層、顯示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層共4個組成部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

(1) 數(shù)據(jù)層。主要是用于支撐整個系統(tǒng)正常高效運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料和專題數(shù)據(jù)資料等內(nèi)容，具體包括遙感影像數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)、“三線一單”成果數(shù)據(jù)、地理國情普查數(shù)據(jù)等。

(2) 應(yīng)用層?；贏rcEngine開發(fā)包與.NET Framework運行環(huán)境，設(shè)計、開發(fā)并實現(xiàn)了各個具體功能，以滿足系統(tǒng)的需要。該層的主要工作為接收顯示層的操作指令，利用數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)特定的業(yè)務(wù)邏輯、系統(tǒng)功能等。

(3) 顯示層。為用戶提供良好的人機交互視圖窗口，主要包含地圖視圖、圖層管理視圖、參數(shù)狀態(tài)視圖等，用戶可通過上述視圖窗口實現(xiàn)數(shù)據(jù)作業(yè)行為。

(4) 用戶層。主要是系統(tǒng)的各種用戶角色，包括對“三線一單”數(shù)據(jù)編輯處理工作的作業(yè)人員，以及基于“三線一單”數(shù)據(jù)進行空間分析、統(tǒng)計分析的作業(yè)人員。

1.3 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)框架主要由基礎(chǔ)的類庫或框架開發(fā)而成[12]。該系統(tǒng)的框架為ArcEngine的插件式開發(fā)框架，分為3層：位于底層的是系統(tǒng)軟件層，包括Windows10操作系統(tǒng)和Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺等系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件層的主要作用是提供對硬件設(shè)備的訪問以及為其他層訪問提供API；位于中間層的是基礎(chǔ)框架層，包括.NET Framework、ArcEngine組件庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，基礎(chǔ)框架層主要作用是以編程模型的形式提供基于系統(tǒng)軟件層的常用基礎(chǔ)功能與組件；位于頂層的是自定義框架層，包括GIS應(yīng)用組件、GIS通用模塊以及GIS自定義插件，自定義框架層的主要作用是作為基礎(chǔ)提出通用邏輯模型，并對應(yīng)用層的需求進行分析、設(shè)計、開發(fā)與實現(xiàn)[13-15]?？蚣芸傮w設(shè)計如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

“三線一單”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，數(shù)據(jù)庫質(zhì)量直接影響成果數(shù)據(jù)的規(guī)范性和完整性。根據(jù)《“三線一單”成果數(shù)據(jù)規(guī)范(試行)》的相關(guān)內(nèi)容，對本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的邏輯和物理結(jié)構(gòu)進行設(shè)計說明。

2.1 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)成果數(shù)據(jù)規(guī)范性的相關(guān)要求，對“三線一單”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以分為3項，分別為：數(shù)據(jù)基本信息、數(shù)據(jù)詳細信息、管理數(shù)據(jù)信息。

(1) 數(shù)據(jù)基本信息，包括環(huán)境要素管控分區(qū)編碼、環(huán)境要素管控分區(qū)名稱、環(huán)境管控單元編碼、環(huán)境管控單元名稱、省級行政單元、市級行政單元和縣級行政單元。

(2) 數(shù)據(jù)詳細信息，包括管控單元分類、環(huán)境要素、要素細類、流域名稱、河段名稱、控制斷面起點經(jīng)度、控制斷面起點緯度、控制斷面終點經(jīng)度和控制斷面終點緯度。

(3) 管理數(shù)據(jù)信息，包括數(shù)據(jù)生產(chǎn)時間、數(shù)據(jù)版本、數(shù)據(jù)管理單位、數(shù)據(jù)管理單位聯(lián)系人和數(shù)據(jù)管理聯(lián)系人電話。

2.2 數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)成果數(shù)據(jù)規(guī)范性的相關(guān)要求以及數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，對“三線一單”數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，下面以“生態(tài)、大氣、土壤、自然資源管控分區(qū)”表結(jié)構(gòu)為例說明，詳見表1。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)共設(shè)計了五大功能模塊，包括數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)庫標準化處理模塊、數(shù)據(jù)更新模塊、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊以及數(shù)據(jù)共享與分析模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)功能模塊具體涵蓋了成果矢量數(shù)據(jù)標準化、支撐矢量數(shù)據(jù)標準化、常規(guī)更新、專項更新、集合編輯、屬性編輯、快捷編輯、一般檢查、拓撲檢查、專業(yè)檢查、質(zhì)檢報告、管控單元劃分合理性分析、成果共享等子功能模塊。

(1) 數(shù)據(jù)管理模塊。在數(shù)據(jù)管理方面，對成果矢量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)管理操作，主要包括數(shù)據(jù)幾何編輯、屬性編輯和快捷工具等功能，主要針對數(shù)據(jù)的屬性、幾何的增加、刪除、修改等操作。

(2) 數(shù)據(jù)庫標準化處理模塊。在數(shù)據(jù)庫標準化處理方面，主要包括市州成果矢量檢查、整理、導(dǎo)出，以及投影變換、數(shù)據(jù)拼接、字段空格處理、小數(shù)位數(shù)處理、修復(fù)幾何等功能。主要針對市州提交的成果矢量數(shù)據(jù)，按照標準成果數(shù)據(jù)規(guī)范對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫與表結(jié)構(gòu)、空間投影坐標系、空間關(guān)系、幾何與屬性等進行處理編輯，最終按照市州模板進行入庫處理。

(3) 數(shù)據(jù)更新模塊。在數(shù)據(jù)更新方面，主要包括常規(guī)更新、重點管控單元更新、環(huán)境管控單元更新三部分，主要針對市州提交的成果矢量數(shù)據(jù)，將其標準化后的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、更新，服務(wù)于省級成果的生成。具體包括兩類矢量空間成果數(shù)據(jù)的更新：① 環(huán)境管控單元，即綜合生態(tài)、大氣、水、土壤、自然資源的環(huán)境要素管控分區(qū)成果，銜接鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道或區(qū)縣行政邊界劃定的空間單元；② 環(huán)境要素管控分區(qū)，即依據(jù)生態(tài)、大氣、水、土壤、自然資源各要素評價結(jié)果，按各環(huán)境要素劃定的空間單元。

(4) 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊。在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方面，主要包括微小面、自相交、字段空格、屬性空值等通用檢查；面重疊、面縫隙等專題檢查；成果規(guī)范性檢查等專項檢查功能，主要針對成果矢量數(shù)據(jù)，進行成果數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，包含屬性檢查、幾何檢查以及規(guī)范性檢查等，運用常規(guī)檢查、專題檢查、含管控表的成果檢查等功能對市州成果和省級成果進行過程檢查或上交前檢查。

(5) 數(shù)據(jù)共享與分析模塊。在數(shù)據(jù)共享分析方面，主要包括劃定情況轉(zhuǎn)移分析、要素劃定情況分析、要素納入情況分析、劃定情況對比分析、劃定情況轉(zhuǎn)移圖層、成果共享等功能。主要針對“三線一單”成果劃分的優(yōu)先保護、重點管控和一般管控三類環(huán)境管控單元中每種專題的占比情況，每種專題的轉(zhuǎn)移占比情況，市州成果在省級成果占比情況，以及“三線一單”成果數(shù)據(jù)的共享。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 “三線一單”海量數(shù)據(jù)處理

“三線一單”成果數(shù)據(jù)是各類源海量數(shù)據(jù)以及各市州成果數(shù)據(jù)的大集合，具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系復(fù)雜等特點。在“三線一單”成果數(shù)據(jù)匯總、標準化檢查、質(zhì)量檢查、更新、統(tǒng)計分析過程中存在各種問題，例如：海量數(shù)據(jù)無法處理、數(shù)據(jù)間邏輯關(guān)系梳理困難、成果數(shù)據(jù)生成步驟分散等。以四川省環(huán)境管控單元矢量數(shù)據(jù)為例，如圖4所示，其屬性信息為：Shape_Area約486 140 351 458 m2，Shape_Length約869 740 237 m，數(shù)據(jù)節(jié)點74 331 392個，圖斑數(shù)量951個。若采用ArcMap軟件或基于32位ArcEngine開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件對其進行融合處理，會出現(xiàn)軟件崩潰、電腦死機等情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理無法完成。

針對“三線一單”海量數(shù)據(jù)難以處理的問題，該系統(tǒng)采用基于ArcEngine的64位GeoProcessing相關(guān)技術(shù)來設(shè)計并實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，同時使用ArcGIS Desktop-Background GeoProcessing (64-bit)替代ArcGIS Desktop標配的常規(guī)32位后臺處理，基于此 64 位處理可以在 RAM 容量較大的系統(tǒng)進行分析，實現(xiàn)在32位環(huán)境中無法完成的海量數(shù)據(jù)處理的功能。采用基于ArcEngine相關(guān)技術(shù)開發(fā)的64位GeoProcessing Tool，具有運行效率高、處理海量數(shù)據(jù)能力、能夠最大程度利用計算機的性能、較高的靈活性以及保密性等優(yōu)點。運用64位GeoProcessing Tool對四川省環(huán)境管控單元數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，數(shù)據(jù)處理時電腦性能具體情況如圖5所示。

4.2 “三線一單”成果生成工藝流程化

目前“三線一單”成果生成過程中存在過程繁瑣、效率低下、缺乏系統(tǒng)化等問題，為解決上述問題，根據(jù)《“三線一單”成果數(shù)據(jù)規(guī)范(試行)》的相關(guān)要求，設(shè)計并建立“三線一單”成果生成工藝模型。該模型以系統(tǒng)五大功能模塊為基礎(chǔ)，將成果生成時原本獨立的步驟有效地集成在一起，同時系統(tǒng)具備處理海量數(shù)據(jù)的能力，最終實現(xiàn)“三線一單”成果生成過程系統(tǒng)化、流程化、自動化。

“三線一單”成果生成流程：根據(jù)《“三線一單”成果數(shù)據(jù)規(guī)范(試行)》相關(guān)要求，首先對地市州報送的“三線一單”數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫和專題資料數(shù)據(jù)庫進行標準化質(zhì)量檢查，驗證報送數(shù)據(jù)是否符合入庫標準，不符合標準的數(shù)據(jù)應(yīng)返回修改。對通過檢查的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫標準處理，并由軟件數(shù)據(jù)更新模塊將市州標準成果數(shù)據(jù)更新至現(xiàn)有“三線一單”成果中，在數(shù)據(jù)更新與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查過程中，對需要人工交互處理的幾何或者屬性，系統(tǒng)提供豐富的編輯功能進行增刪改等操作。確認無誤后可以通過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊對更新后的成果進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，檢查出的錯誤以列表進行提示，允許用戶進行人工交互式改正錯誤。成果數(shù)據(jù)質(zhì)檢無誤后可以通過空間分析提供的功能動態(tài)更新部分“三線一單”專題圖層和綜合管控圖層，最后由數(shù)據(jù)共享與分析評價模塊進行服務(wù)發(fā)布和數(shù)據(jù)共享，“三線一單”成果生成工藝流程如圖6所示。

5 系統(tǒng)展示

根據(jù)《“三線一單”成果數(shù)據(jù)規(guī)范(試行)》的相關(guān)要求，按照“系統(tǒng)化、流程化、自動化”的建設(shè)思路，采用基于ArcEngine的插件式開發(fā)以及64位GeoProcessing相關(guān)技術(shù)進行系統(tǒng)功能的設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)共享與分析等功能，具體展示描述如下。

5.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊主要對成果矢量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，主要包含屬性檢查、幾何檢查以及規(guī)范性檢查等。運用常規(guī)檢查、專題檢查、含管控表的成果檢查等功能對基礎(chǔ)成果數(shù)據(jù)以及標準成果數(shù)據(jù)進行過程檢查或上交前檢查。以成都市成果規(guī)范性檢查為例，對數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊進行展示，詳情如圖7所示。

5.2 數(shù)據(jù)更新

數(shù)據(jù)更新模塊主要針對基礎(chǔ)成果矢量數(shù)據(jù)，將其標準化后的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、更新，主要為依據(jù)生態(tài)、水、大氣、土壤以及自然資源等各要素環(huán)境評價結(jié)果，按照各環(huán)境要素劃定的空間單元，對環(huán)境要素管控單元矢量空間成果數(shù)據(jù)進行更新操作。以生成樂山市、成都市、廣元市綜合環(huán)境管控單元數(shù)據(jù)為例，對數(shù)據(jù)更新模塊進行具體展示，詳見表2。

表2 綜合環(huán)境管控單元數(shù)據(jù)詳情Tab.2 Date of comprehensive environmental control unit

6 結(jié) 論

本文采用基于ArcEngine的插件式開發(fā)技術(shù)并結(jié)合64位GeoProcessing相關(guān)技術(shù)，設(shè)計了對環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理的軟件系統(tǒng)。以“三線一單”為例，通過市州成果數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)、專業(yè)資料數(shù)據(jù)以及原始“三線一單”成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“三線一單”成果數(shù)據(jù)的自動化、流程化生成，進一步推動了“三線一單”數(shù)據(jù)資源持續(xù)積累、集成信息化管理、共享分析利用。系統(tǒng)主要特點如下：① 解決了海量數(shù)據(jù)質(zhì)檢、更新等問題，其中64位GeoProcessing Tool有效解決了“三線一單”海量數(shù)據(jù)無法處理的問題。② “三線一單”成果自動化生成。通過建立成果生成工藝模型，實現(xiàn)“三線一單”成果數(shù)據(jù)自動化、流程化生成，避免“三線一單”成果數(shù)據(jù)生成步驟復(fù)雜、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以把控的問題。