地理信息技術(shù)在區(qū)域空間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)“三線一單”編制中的應(yīng)用

屈鵬，王君艷，翟雪寧

(1.甘肅省基礎(chǔ)地理信息中心，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

“三線一單”是指“生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)入清單”(以下簡(jiǎn)稱“三線一單”)，是生態(tài)環(huán)境部貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措[1～5]。“三線一單”是控制空間利用格局、開發(fā)強(qiáng)度和規(guī)范開發(fā)行為，為國(guó)土空間規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)等工作提供基礎(chǔ)支撐，對(duì)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)、完善空間治理體系具有重要意義。“三線一單”在編制過程中使用了大量的地理空間數(shù)據(jù)，最終提交的成果中地理空間數(shù)據(jù)也是必不可少的成果之一。地理信息技術(shù)貫穿于整個(gè)“三線一單”的編制過程中，發(fā)揮著極其重要的作用，直接影響著“三線一單”編制的效率和質(zhì)量。本文以甘肅省區(qū)域空間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)“三線一單”編制中地理信息技術(shù)的應(yīng)用為例，構(gòu)建了“ArcGIS+FME+Python”的地理空間數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)，快速、便捷地完成了“三線一單”中地理空間數(shù)據(jù)處理工作。ArcGIS[6]是全球應(yīng)用最為廣泛的地理信息軟件，具備強(qiáng)大的地理信息處理能力。FME[7]是加拿大Safe Software公司研發(fā)的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)，能提供完整的空間ETL解決方案，擁有400多個(gè)不同功能的轉(zhuǎn)換器，能夠靈活應(yīng)對(duì)各種數(shù)據(jù)重組和內(nèi)容變換任務(wù)。Python語言具有簡(jiǎn)潔、易讀和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，擁有多種開源庫(kù)，且已成為ArcGIS的腳本語言，提供站點(diǎn)包ArcPy，通過Python調(diào)用ArcGIS的地理處理工具(Arctoolbox)執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖制圖。在FME中也可以嵌入Python代碼，F(xiàn)ME的PythonCaller和PythonCreator的使用，可以用Python語言來進(jìn)一步擴(kuò)展FME的功能。“ArcGIS+FME+Python”的地理空間數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，以免費(fèi)、開源的Python語言為基礎(chǔ)，以ArcGIS和FME為地理空間數(shù)據(jù)處理的“雙手”，構(gòu)建強(qiáng)大、快速地“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)處理體系，保障“三線一單”工作的順利完成。

2 地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理

“三線一單”收集了生態(tài)、水利、自然資源、交通、發(fā)改、農(nóng)業(yè)等多部門的數(shù)據(jù)資料，存在數(shù)據(jù)格式不一致、坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一和非空間數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)空間差異，這些問題均需要地理信息技術(shù)解決，如圖1所示，也是地理信息技術(shù)最擅長(zhǎng)、最基本的技術(shù)[8，9]。FME集成超過320種空間與非空間數(shù)據(jù)格式，是解決不同空間格式轉(zhuǎn)換的利器，能夠完成“三線一單”收集數(shù)據(jù)中CAD格式和MAPGIS格式向ArcGIS格式的無損轉(zhuǎn)換[10，11]。“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)均需要轉(zhuǎn)換至平面基準(zhǔn)為CGCS 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，與“三線一單”成果數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。空間化處理主要是對(duì)收集的文檔和圖片格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)和矢量化采集的過程。地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理是“三線一單”編制工作的基礎(chǔ)工作，工作量巨大，同時(shí)也是奠定“三線一單”編制工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的關(guān)鍵步驟，直接關(guān)系到后續(xù)工作的開展和最終的成果質(zhì)量。

圖1 “三線一單”地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容

3 專題數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 批量屬性賦值

對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行批量屬性賦值是“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)整理過程中最常見的操作。主要包括按文本資料數(shù)據(jù)賦值和按空間位置賦值兩種方式。按照文本資料給地理空間數(shù)據(jù)賦值采用ArcGIS的合并連接(Join)方式將文本屬性掛接到地理空間數(shù)據(jù)的屬性表中，這種掛接實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”“多對(duì)一”的關(guān)系的屬性掛接。ArcGIS具有強(qiáng)大的空間分析和處理能力，能夠提供多種按空間位置賦值的方式，可采用合并連接(Join)中位置(Location)選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)屬性的掛接；也可采用toolbox的識(shí)別(identity)完成，但須兩者具備同樣的空間幾何類型，并出現(xiàn)原輸入數(shù)據(jù)被識(shí)別數(shù)據(jù)圖形更新的狀況；還可通過空間連接(spatial join)的方式，通過包含條件(一個(gè)要素在另一個(gè)要素內(nèi))或鄰近性條件(一個(gè)要素接近另一個(gè)要素)實(shí)現(xiàn)屬性批量賦值。另外通過ArcGIS的空間糾正(Spatial Adjustment)中屬性傳遞(Attribute Transfer Mapping)，可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的屬性賦值。如：對(duì)甘肅省水環(huán)境管控分區(qū)矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值賦值，在顧及河流流向的情況下，賦控制單元賦控制斷面的起點(diǎn)和終點(diǎn)經(jīng)緯度，可在人為判讀河流流向的情況下采用屬性傳遞快速賦值。

FME的轉(zhuǎn)換器(Transformer)中要素融合(FeatureMerger)和數(shù)據(jù)庫(kù)連接(DatabaseJoiner)均可基于共有字段完成屬性掛接。Python亦可按照屬性字段對(duì)照表，實(shí)現(xiàn)屬性字段的批量賦值。

3.2 微小圖斑處理

“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)在制作過程中各類地理空間數(shù)據(jù)經(jīng)過了相交(intersect)、合并(merge)、聯(lián)合(union)和裁切(clip)等不同的空間數(shù)據(jù)處理過程，產(chǎn)生了大量的微小面、小裂縫和面重疊等拓?fù)溴e(cuò)誤。按照“三線一單”成果數(shù)據(jù)的要求[12]，在各圖層中非特殊可說明的情況外不允許出現(xiàn)面積小于 100 m2的微小圖斑，如生態(tài)保護(hù)紅線圖層包含EcoRedline62、EcoGen62和EcoGenSpace62三層，這三層數(shù)據(jù)打散(multipart)狀態(tài)下共計(jì)有 402 403個(gè)圖斑，存在的小于 100 m2的微小圖斑有 138 167個(gè)，超過四分之一的圖斑為微小圖斑。在“三線一單”的資源利用上線(NRKeyLandResourceKey62)和綜合管控單元(IntergratedControlUnit)的圖層中也存在數(shù)量巨大的微小圖斑。這些微小圖斑應(yīng)該實(shí)現(xiàn)在本縣區(qū)內(nèi)就近圖斑合并。使用Python調(diào)用ArcGIS的Eliminate工具批量進(jìn)行合并。關(guān)鍵代碼如下：

arcpy.MakeFeatureLayer_management(fc，tempLayer+fc)

#創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)要素層。

arcpy.SelectLayerByAttribute_management(tempLayer+fc，"SELECTION"，"Area<100")

#選擇面積小于100平方米的圖斑。

arcpy.Eliminate_management(tempLayer+fc，r"f：geodatabase.gdb"+"/"+fc，""，"")

#選擇與相鄰圖斑共邊的最長(zhǎng)邊或最大面積進(jìn)行合并。

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

“三線一單”數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查包括對(duì)矢量數(shù)據(jù)空間拓?fù)錂z查和矢量數(shù)據(jù)屬性值的檢查。FME能夠提供完整的地理空間數(shù)據(jù)的空間拓?fù)浜蛯傩再|(zhì)檢方案，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[13，14]，F(xiàn)ME的質(zhì)檢模塊不僅能在線下運(yùn)行，還能夠通過FME server發(fā)布成為質(zhì)檢服務(wù)提供線上的數(shù)據(jù)質(zhì)檢。

矢量數(shù)據(jù)的空間拓?fù)錂z查包括單層內(nèi)拓?fù)錂z查和層間的拓?fù)錂z查。層內(nèi)拓?fù)錂z查：成果數(shù)據(jù)各圖層范圍內(nèi)相鄰要素之間的重疊、縫隙以及交叉多邊形、微小多邊形等拓?fù)溴e(cuò)誤。層間拓?fù)錂z查：各要素圖層間邏輯關(guān)系一致情況，同一要素的優(yōu)先管控區(qū)域、重點(diǎn)管控區(qū)域和一般管控區(qū)域之間的重疊和縫隙情況。利用FME制作的矢量數(shù)據(jù)空間拓?fù)滟|(zhì)檢模板如圖2所示，包括線自相交模塊、面重疊模塊、微小面模塊、面空洞模塊、裂隙模塊、線出省界模塊和面出省界模塊。基于FME空間拓?fù)滟|(zhì)檢模板使用了幾何過濾(GeometryFilter)、融合(Dissolver)、打散(Deaggregator)、線面重疊(LineOnAreaOverlayer)、面面重疊(AreaOnAreaOverlayer)、屬性過濾(AttributeFilter)、幾何驗(yàn)證(GeometryValidator)、空洞提取(DonutHoleExtractor)、條件判斷(Tester)等轉(zhuǎn)換器(Tramsfomer)。由于甘肅省國(guó)土面積遼闊，“三線一單”數(shù)據(jù)圖層基本都是覆蓋全省范圍，部分單層的數(shù)據(jù)量比較大，同時(shí)運(yùn)行可能導(dǎo)致速度很慢，效率反而不高。可將部分模塊設(shè)置為不運(yùn)行(Disable)狀態(tài)，先運(yùn)行一個(gè)或者幾個(gè)模塊運(yùn)行，提高效率。

圖2 “三線一單”地理空間數(shù)據(jù)空間拓?fù)滟|(zhì)檢模板

矢量數(shù)據(jù)屬性值檢查包括數(shù)據(jù)層的齊全性，屬性項(xiàng)齊全性，屬性項(xiàng)定義是否符合要求以及屬性項(xiàng)值域檢查，如必填屬性項(xiàng)的屬性值是否符合值域要求，PROV值域需填寫為甘肅省，GKQFL值域?yàn)?、2、3等。通過“三線一單”成果數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模板對(duì)比，檢查成果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)層的完整性、命名的正確性和屬性字段齊全性，然后利用FME讀取屬性質(zhì)檢配置表，確定值域的符合性。“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)屬性質(zhì)檢模板如圖3所示，生成線狀要素的質(zhì)檢問題和面狀要素的質(zhì)檢問題。屬性質(zhì)檢配置表是為xlsx格式，配置“三線一單”成果數(shù)據(jù)必填項(xiàng)，主要配置了HJYSGKFQBM、HJYSGKFQMC、GKQFL、HJYS等字段的值域范圍如圖4所示。

圖3 “三線一單”地理空間數(shù)據(jù)屬性質(zhì)檢模板

圖4 屬性質(zhì)檢配置表

3.4 其他應(yīng)用

依托豐富的地理信息數(shù)據(jù)資源，地理信息技術(shù)能夠?yàn)椤叭€一單”編制提供更多服務(wù)，如利用數(shù)字高程模型(DEM)[15～17]和ArcGIS的水文分析確定了甘肅省流域范圍、劃分水環(huán)境管控分區(qū)和河網(wǎng)數(shù)據(jù)。根據(jù)“三線一單”地圖制圖的規(guī)范[18]和地圖制圖的要求，制作了“三線一單”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)的制圖模板，如圖5所示。基于ArcGIS Server發(fā)布“三線一單”動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“三線一單”在線地圖的共享、調(diào)用。地理信息技術(shù)貫穿于“三線一單”的整個(gè)編制過程中，已成為“三線一單”編制技術(shù)中必不可少的技術(shù)。

圖5 “三線一單”制圖模板示意圖

4 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建“ArcGIS+FME+Python”的地理空間數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)，為甘肅省區(qū)域空間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)“三線一單”編制提供地理信息技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)的批量化處理，快速、有效地完成了甘肅省區(qū)域空間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)“三線一單”地理空間數(shù)據(jù)的整理、數(shù)據(jù)質(zhì)檢、專題數(shù)據(jù)制作、地圖配圖等工作內(nèi)容，有力保障了“三線一單”編制的順利完成。