城市熱環境數據庫與可視化共享平臺研究

熊永柱，黃少鵬

(1.嘉應學院地理科學與旅游學院，廣東梅州514015;2.中國科學院地球環境研究所，陜西西安361021;3.西安交通大學全球環境變化研究院，陜西西安361021;4.密歇根大學地質科學系，美國密歇根州48109-1005)

一、引 言

城市是人類活動最強烈的陸地表區域，也是驅動多尺度環境、經濟和社會變化的熱點地區［1，2］。在全球氣候變暖的大背景下，城市氣候環境與生態系統無疑會受到快速城市化的強烈影響，帶來許多城市環境問題，成為制約城市可持續發展的重要因素［3-5］。近幾十年來，由城市擴展與土地利用變化而產生的城市熱環境問題，已成為城市氣候環境和全球變化領域的研究熱點和前沿課題［6-11］。中國城市化與氣候環境變化尤其受到學術界的廣泛關注。中國改革開放以來，城市規模不斷擴張，由城市熱島現象導致的城市環境問題日益嚴重，給人們的健康會帶來極大的危害［12，13］，嚴重影響區域社會經濟可持續發展和人們的健康福祉。中國城市熱環境不僅是少數學者關心的科學問題，也是城市管理者和社會公眾關注的重要問題。因此，建立多學科多來源的城市熱環境數據庫(urban thermal environment database，UTEDB)，為定量評估城市化對城市熱環境的影響提供數據基礎支撐，實現城市熱環境科學數據的可視化共享服務，已成為城市熱環境科學研究的重要內容和迫切需求。盡管國內外已建成各種類型的科學數據庫共享資源和服務，但是城市熱環境研究領域的專業科學數據庫和數據共享服務平臺還未見報道，迫切需要進行相關的科學研究和系統建設。

從城市熱環境研究的現實需求出發，本文提出建設城市熱環境數據庫及其相關的科學數據共享服務平臺。將按城市熱環境研究的規范和要求，建設一個覆蓋全國范圍、滿足不同用戶需要的城市熱環境數據庫，逐步把它發展成為城市熱環境研究領域的重要數據庫資源，同時構建面向服務的體系架構(service oriented architecture，SOA)的科學數據可視化共享WebGIS平臺，為城市熱環境和其他相關研究提供數據共享服務和技術支撐，推動相關學科的研究發展和技術進步。

二、研究目標與意義

1.研究目標

1)構建面向城市熱環境研究領域的科學數據庫，為相關研究提供基礎數據支持。科學數據是進行科學研究的基礎。城市熱環境研究離不開大量的多源、多學科基礎數據支持。本研究收集整理來自基礎地理、地質、遙感、氣象、環境、社會經濟統計等多源異構數據源，構建一個面向城市熱環境研究領域基礎和前沿研究的科學數據庫，為城市熱環境研究提供重要的基礎數據瀏覽、查詢和分析等服務支持，讓枯燥的數據變成有用的信息和知識。

2)設計開發城市熱環境數據共享平臺，促進城市熱環境科學數據綜合利用。城市熱環境研究所需數據涉及多個學科專題，有些專題數據庫(如地理、地質、遙感、大氣等)已在中國科學院科學數據共享平臺下實現共享服務。本研究從城市熱環境綜合研究需要為著眼點，從分散的學科專題數據庫中提取所需要的數據，構建新的多學科交叉、多來源的城市熱環境專題數據庫和共享服務平臺。這不僅有利于該領域的科學研究發展，還可將有關科研成果數據和信息知識進行集成管理和共享服務，為城市環境管理提供決策支持和公眾服務，提高城市熱環境科學數據的綜合利用效益。

2.研究意義

本研究著眼于全球變暖和城市化的大背景，以遙感影像數據、氣象環境觀測數據、土地利用數據和社會經濟統計數據等多源數據為基礎，構建服務于以城市熱環境相關領域交叉綜合研究的專業科學數據庫和基于面向服務體系架構的城市熱環境科學數據可視化共享平臺。并應用遙感與GIS技術、多元統計分析和地學可視化等技術方法，調查分析典型城市區域和全國/局地尺度的熱環境時空特征和演化規律，有利于推動城市環境科學數據庫建設與共享、促進城市熱環境數據集成的理論創新和應用發展，為城市環境科學的基礎和前沿研究提供基礎數據保障和技術支撐服務，對促進城市環境信息共享、加強城市環境管理和推進環境可持續性城市建設具有重要意義。

三、研究內容與研究思路

1.研究內容

本研究的主要內容包括以下4個方面：

(1)城市熱環境空間數據庫構建的理論與方法

目前國內外還沒有現成的城市熱環境空間數據庫，其構建的相關理論和技術方法還有待探討完善，以期為本研究提供基礎理論和技術保障。

(2)城市熱環境空間數據庫系統分析、設計和實現

應用軟件工程的技術方法，研究闡述城市熱環境空間數據庫的系統需求分析、系統結構設計、數據層和元數據設計以及系統運行實現的詳細技術流程和方案。

(3)城市熱環境科學數據共享服務技術方法和標準

在構建業務運行的城市熱環境空間數據庫的基礎上，研究相關科學數據共享服務的技術方法和標準，建立城市熱環境空間數據可視化共享與服務平臺，促進有關科學數據的標準化共享和可視化。

(4)城市熱環境空間數據融合與可視化分析應用

探討利用GIS進行多源異構的城市熱環境空間數據融合和可視化分析應用的技術方法，通過幾個典型研究案例，對城市熱環境空間數據進行可視化分析，研究城市化效應對城市熱環境和氣候變化的影響。

2.研究思路

城市熱環境是近十多年來快速發展的融氣象、環境、遙感等多學科交叉研究的熱點前沿領域，建立多源多維城市熱環境科學數據的共享與可視化平臺對深入進行城市熱環境研究至關重要。本研究的總體思路如圖1所示，利用先進的數據庫和GIS軟件平臺，采集、整理多種來源的各種城市熱環境研究相關的空間數據并進行規范和標準化，采用統一建模語言UML(united modeling language)技術方法設計構建一個多源、多維、多用途的城市熱環境科學數據庫(UTEDB)，并在此基礎上建設基于SOA的城市熱環境數據可視化共享服務WebGIS平臺，可為城市熱環境相關科學研究、決策支持和科學普及提供基礎數據支撐及共享服務，把UTEDB建立成為城市環境科學領域的具有顯著特色的專業數據庫共享與可視化平臺，滿足科研院所、政府機構和社會公眾對城市熱環境專題信息和知識共享服務的迫切需要。

四、擬解決的關鍵問題與創新點

本研究擬解決的關鍵問題包括3個方面：

1)城市熱環境空間數據組織、存儲與管理模型。針對城市熱環境數據量大、格式復雜和用途廣泛的特點，提出科學有效的空間數據組織、存儲和管理模型和技術方案。

2)城市熱環境多源異構數據融合集成與共享的技術方法。針對城市熱環境數據多源、多維和多學科交叉的特點，探討一種多源異構的城市熱環境數據融合集成和面向服務體系結構的可視化共享技術方法。

3)城市化效應對城市熱環境與氣候變化的影響。這是城市熱環境研究領域的重要前沿科學問題。擬應用GIS、遙感與統計分析方法從點和面上對該問題進行定量分析。

本研究的創新點集中在以下兩個方面：

1)系統收集和整編城市熱環境研究相關的多來源多學科數據，采用先進的ArcGIS Geodatabase進行多源異構數據的集成與融合，為探討有效地進行科學研究數據資源管理與共享提供了借鑒參考的技術方法。

2)采用先進的GIS和數據庫技術構建的城市熱環境數據庫和基于SOA的可視化WebGIS共享服務平臺在城市環境研究領域均屬首創。

圖1 研究思路框圖

五、結束語

本研究系統地提出了城市熱環境數據庫與可視化共享平臺研建的總體目標與意義、主要研究內容與思路、擬解決的關鍵問題與創新點，可為城市熱環境科學相關的基礎和前沿研究提供數據共享和技術支撐服務，為有關政府管理部門及社會公眾提供城市環境管理決策支持和信息共享服務。城市熱環境數據庫的建立還無現成的模板可參照，需要不斷地探索和完善。它涉及的數據來源非常廣泛，數據結構十分復雜，空間尺度變化較大，數據量也很龐大，有些數據共享還存在一定的困難。因此，本研究擬建立的科學數據庫與可視化平臺還需要應用云GIS與可視化技術進行更加深入的研究探索和實踐應用。利用最新的數據庫和軟件技術，設計開發一個科學合理、簡單實用、功能完善、擴展方便的城市熱環境數據可視化共享服務平臺，實現系統的業務化運行服務，將是下一步努力的方向和目標。

［1］GRIMM N B，FAETH SH，GOLUBIEWSKI N E，et al.Global Change and the Ecology of Cities［J］.Science，2008，319(5864)：756-760.

［2］WU J.Urban Sustainability：An Inevitable Goal of Landscape Research［J］.Landscape Ecology，2010(25)：1-4.

［3］中國科學技術協會.2008-2009地理學學科發展報告(自然地理學)［M］.北京：中國科學技術出版社，2009.

［4］KALNAY E，CAI M.Impact of Urbanization and Landuse Change on Climate［J］.Nature，2003，423(6939)：528-531.

［5］方創琳，鮑超，喬標，等.城市化過程與生態環境效應［M］.北京：科學出版社，2008.

［6］JONES P D，GROISMAN P Y，COUGHLAN M，et al.Assessment of Urbanization Effects in Time Series of Surface Air Temperature over Land［J］.Nature，1990(347)：169-172.

［7］季崇萍，劉偉東，軒春怡.北京城市化進程對城市熱島的影響研究［J］.地球物理學報，2006，49(1)：69-77.

［8］REN G，ZHOU Y，CHU Z，et al.Urbanization Effects on Observed Surface Air Temperature Trends in North China［J］.Journal of Climate，2008，21(6)：1333-1348.

［9］HULME M，BARROWE M，ARNELL N W，et al.Relative Impacts of Human-induced Climate Change and Natural Climate Variability［J］.Nature，1999，397(6721)：688-691.

［10］ROSENZWEIG C，KAROLY D，VICARELLI M，et al.Attributing Physical and Biological Impacts to Anthropogenic Climate Change［J］.Nature，2008，453(7193)：353-357.

［11］IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I To the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［M］.New York：Cambridge University Press，2007.

［12］付雪婷，薛靜，王青，等.城市熱島效應與健康［J］.國外醫學：醫學地理分冊.2004，25(1)：43-45.

［13］PATZ J A，CAMPBELL L D，HOLLOWAY T，et al.Impact of Regional Climate Change on Human Health［J］.Nature，2005，438(7066)：310-317.