基于WebGIS的生態(tài)紅線服務(wù)平臺構(gòu)建

高倩影，李勝，李亮，何鑫，應(yīng)國偉

(自然資源部第六地形測量隊，四川 成都 610500)

1 引 言

生態(tài)保護紅線是指在森林、草原、濕地、河流、湖泊等生態(tài)空間范圍內(nèi)具有特殊重要生態(tài)功能、必須強制性嚴格保護的區(qū)域[1]，是保障和維護國家生態(tài)安全的底線和生命線[2]。劃定生態(tài)紅線后，嚴格監(jiān)管至關(guān)重要。由于生態(tài)保護紅線監(jiān)管過程中需要多部門數(shù)據(jù)支撐，往往面臨著數(shù)據(jù)格式不一，集成程度低下，無法有效為生態(tài)紅線監(jiān)管提供有效的決策支持。

目前，多個省市已構(gòu)建了多種生態(tài)保護紅線服務(wù)平臺，其中，鎮(zhèn)江市搭建了基于移動GIS的鎮(zhèn)江市生態(tài)保護紅線監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)了生態(tài)保護紅線信息查詢、督察點位分析、導(dǎo)航定位、法規(guī)宣傳等功能[3]；安徽省搭建了基于WebGIS的生態(tài)保護紅線綜合查詢系統(tǒng)，提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲、管理、維護和共享服務(wù)[4]；貴州省搭建了生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺，解決了生態(tài)保護紅線空間數(shù)據(jù)的分布式存儲、規(guī)范化管理、快速發(fā)布及拓展應(yīng)用等問題[5]；重慶市研發(fā)了生態(tài)保護紅線空間管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生態(tài)保護紅線空間與非空間數(shù)據(jù)一體化管理和數(shù)據(jù)共享[6]。上述平臺側(cè)重于數(shù)據(jù)的存儲、管理，在生態(tài)紅線數(shù)據(jù)的可視化和評價分析方面存在著不足。B/S架構(gòu)的WebGIS既有傳統(tǒng)GIS的技術(shù)優(yōu)勢，兼有Web的分布性、擴展和維護簡便、開發(fā)簡單以及共享性的優(yōu)勢[7，8]。本文從生態(tài)保護紅線監(jiān)管的需求出發(fā)，提出了一種基于WebGIS的生態(tài)紅線監(jiān)管服務(wù)架構(gòu)，整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二三維一體的可視化和互操作，實現(xiàn)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成分析與綜合應(yīng)用，支撐生態(tài)保護紅線監(jiān)管體系建設(shè)。

2 系統(tǒng)構(gòu)建目標

從生態(tài)保護紅線監(jiān)管需求出發(fā)，結(jié)合WebGIS技術(shù)，整合測繪基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、國情監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各類氣象、水文數(shù)據(jù)以及人口、草地等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立生態(tài)保護紅線矢量數(shù)據(jù)庫、柵格數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)融合接口，整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。通過集成分析和監(jiān)測分析，精準掌握生態(tài)紅線區(qū)域現(xiàn)狀和變化情況，為監(jiān)管部門提供輔助決策支撐和數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 平臺設(shè)計與構(gòu)建

本平臺以數(shù)據(jù)為核心，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、集成分析、監(jiān)測分析等模塊，整個流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.1 平臺總體架構(gòu)

平臺基于WebGIS技術(shù)，構(gòu)建了一個B/S模式的服務(wù)平臺，采用四層結(jié)構(gòu)模式：基礎(chǔ)設(shè)施層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用服務(wù)層(圖2)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層主要是指支撐平臺建設(shè)的軟硬件裝備，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層主要是指生態(tài)保護紅線相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等。

(3)數(shù)據(jù)管理層是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)劃分到生態(tài)保護紅線矢量數(shù)據(jù)庫、生態(tài)保護紅線柵格數(shù)據(jù)庫、生態(tài)保護紅線專題數(shù)據(jù)庫3大數(shù)據(jù)庫進行管理。

(4)應(yīng)用服務(wù)層主要是指依托生態(tài)保護紅線遙感監(jiān)測平臺提供的應(yīng)用服務(wù)，包括數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、集成分析、監(jiān)測分析。

3.2 平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計

平臺數(shù)據(jù)主要包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)三種類型，如圖3所示。

圖3 生態(tài)保護紅線基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫組織方式

(1)矢量數(shù)據(jù)：主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地表覆蓋數(shù)據(jù)、人類活動干擾影響程度評價數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)。利用PostgreSQL提供的空間數(shù)據(jù)存儲模型geometry進行存儲管理。

(2)柵格數(shù)據(jù)：主要是多期遙感影像數(shù)據(jù)，生物多樣性、水源涵養(yǎng)、土壤保持等生態(tài)功能評價數(shù)據(jù)。利用ArcServer對柵格數(shù)據(jù)進行切片，按時序信息以標準地圖服務(wù)的形式進行發(fā)布，從而提高數(shù)據(jù)訪問效率。

(3)文本數(shù)據(jù)：主要包括各類氣象、水文數(shù)據(jù)以及人口、草地專題等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)表的形式進行存儲。

如圖4所示，O點為某時刻波束中心指向T，在經(jīng)過一個波束掃描步進后，定點聚束方式下，飛機運動到B點，而滑動聚束方式較定點聚束波位駐留時間長，在經(jīng)過一個波束掃描步進后，飛機運動到A點，波束中心指向T1，波束在地面滑動了一段距離：

3.3 平臺功能設(shè)計

根據(jù)平臺的設(shè)計目標，生態(tài)保護紅線遙感監(jiān)測平臺功能可分為數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、集成分析、監(jiān)測分析四大模塊，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)管理：模塊對生態(tài)保護紅線相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、量算、展示與導(dǎo)出，包括圖層管理、視圖操作、二三維管理、樣式編輯、地圖查詢、地圖測量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等子模塊；

數(shù)據(jù)融合：模塊主要包括參數(shù)求解、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)提取四大子模塊，支持四參數(shù)、六參數(shù)以及七參數(shù)的參數(shù)求解和坐標轉(zhuǎn)換，常見坐標系的投影變換，以及文本數(shù)據(jù)、Shapefile數(shù)據(jù)、標準地圖服務(wù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入以及json、excel、csv、pdf、shp格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

集成分析：模塊主要實現(xiàn)生態(tài)保護紅線區(qū)的生態(tài)功能評價與人類干擾活動影響程度進行評價，包括生態(tài)功能評價子模塊與人類活動干擾影響程度評價子模塊，通過人工設(shè)定生態(tài)功能評價和人類活動干擾影響相關(guān)因素的權(quán)重，生成生態(tài)功能評價和人類活動干擾影響程度評價結(jié)果。

監(jiān)測分析：是對多個時期的數(shù)據(jù)進行展示，包括對比分析子模塊與統(tǒng)計分析子模塊。對比分析主要對于不同時期的生態(tài)保護紅線基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)采用卷簾或者雙屏聯(lián)動的形式進行對比展示分析，包括多時期遙感影像、地表覆蓋、評價結(jié)果的對比分析。統(tǒng)計分析包括統(tǒng)計圖表、時序圖表以及人類活動信息報表3個子模塊：

(1)統(tǒng)計圖表主要是結(jié)合Echarts對區(qū)域內(nèi)的人口、降水、大氣、草地等各類文本數(shù)據(jù)以及地圖字段查詢結(jié)果采用統(tǒng)計圖表的形式進行展示，并支持拖拽重計算、圖表間交換數(shù)據(jù)等操作。

(2)時序圖表是對于時序空間數(shù)據(jù)以時間為順序進行展示：點擊播放按鈕順序展示數(shù)據(jù)，也可以拖動時間條查看特定時間點的數(shù)據(jù)。設(shè)置圖層，對數(shù)據(jù)以分層設(shè)色的形式進行渲染，以時序的形式進行展示。

(3)人類活動信息報表是根據(jù)字段進行查詢，生成對應(yīng)區(qū)域的人類活動信息報表，并將人類活動影響區(qū)域的影像進行截圖。首先制作Jasper Report報表模板，對待查詢區(qū)域的圖層、字段進行選擇，并設(shè)置邏輯運算字段和數(shù)值，將查詢結(jié)果寫入報表模板。用戶設(shè)置查詢條件后，生成人類活動信息報表，選擇導(dǎo)出格式(包括docx、pdf、xlsx)導(dǎo)出報表。

4 核心功能實現(xiàn)

根據(jù)本文提出的設(shè)計方案和架構(gòu)，以若爾蓋縣為示范區(qū)，實現(xiàn)生態(tài)紅線服務(wù)平臺，并應(yīng)用于若爾蓋縣林草局日常工作。采用IntelliJIDEA開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯核心代碼，以JDK1.8為編程環(huán)境，后臺框架選用SpringBoot，數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用PostgreSQL，利用Html、CSS編程構(gòu)建網(wǎng)站，采用ArcGIS Server搭建數(shù)據(jù)庫服務(wù)，采用JavaScript、Java編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生態(tài)紅線服務(wù)系統(tǒng)。

4.1 二三維一體化場景構(gòu)建

生態(tài)保護紅線的監(jiān)管需要全方位立體地對各類數(shù)據(jù)進行挖掘，地形數(shù)據(jù)結(jié)合影像數(shù)據(jù)可以多視角、全方位、多層次地對地形、地貌信息進行可交互式表示。系統(tǒng)對高程數(shù)據(jù)進行地形切片，對遙感影像數(shù)據(jù)進行分級切片，并發(fā)布為WMTS(Web Map Tile Service，瓦片地圖服務(wù))，結(jié)合ArcGIS for JS框架，影像疊加高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)地形級三維可視化，如圖5所示。

圖5 三維場景展示

4.2 生態(tài)功能評價

在生態(tài)保護紅線的監(jiān)管過程中，需要對生態(tài)功能進行評價。如圖6所示，平臺內(nèi)置了生態(tài)功能評價模型，從生物多樣性、水土保持以及水源涵養(yǎng)三個方面對生態(tài)功能進行評價。用戶對這三個方面的權(quán)值進行設(shè)置，平臺將評價結(jié)果進行發(fā)布，在頁面中進行展示。用戶可以在線進行專題圖生成，用于生態(tài)分析報告。

圖6 生態(tài)功能評價

4.3 人類活動干擾評價

人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾往往最為明顯。平臺內(nèi)置了人類活動干擾模型，用戶對各種人類活動數(shù)據(jù)權(quán)值進行設(shè)置，生成人類活動干擾評價結(jié)果(圖7)，并可以通過用戶上傳的數(shù)據(jù)對不同時期的數(shù)據(jù)進行比對分析，生成人類活動數(shù)據(jù)報表(圖8)，詳細展示具體人類活動信息的位置以及面積信息。

圖7 人類活動干擾評價

圖8 人類活動數(shù)據(jù)報表

4.4 監(jiān)測分析模塊

通過對不同時期、不同數(shù)據(jù)的對比實現(xiàn)對生態(tài)保護紅線變化信息分析，如圖9、圖10所示。

圖9 地圖卷簾

圖10 時序統(tǒng)計圖表

5 結(jié) 語

基于WebGIS技術(shù)，采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)的生態(tài)紅線服務(wù)系統(tǒng)，具有部署簡便、共享性高、通用性強的特點，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、集成分析、監(jiān)測分析四個模塊功能，構(gòu)建基于“數(shù)據(jù)-評價-分析”的生態(tài)保護紅線遙感監(jiān)測體系，平臺通過網(wǎng)絡(luò)的形式可供多部門共享使用，促進多部門協(xié)同管理，為生態(tài)保護紅線監(jiān)管提供平臺支撐。