基于WebGIS的生態紅線服務平臺構建

高倩影，李勝，李亮，何鑫，應國偉

(自然資源部第六地形測量隊，四川 成都 610500)

1 引 言

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

目前，多個省市已構建了多種生態保護紅線服務平臺，其中，鎮江市搭建了基于移動GIS的鎮江市生態保護紅線監管系統，實現了生態保護紅線信息查詢、督察點位分析、導航定位、法規宣傳等功能[3]；安徽省搭建了基于WebGIS的生態保護紅線綜合查詢系統，提供相關數據信息存儲、管理、維護和共享服務[4]；貴州省搭建了生態保護紅線云GIS監管平臺，解決了生態保護紅線空間數據的分布式存儲、規范化管理、快速發布及拓展應用等問題[5]；重慶市研發了生態保護紅線空間管理系統，實現了生態保護紅線空間與非空間數據一體化管理和數據共享[6]。上述平臺側重于數據的存儲、管理，在生態紅線數據的可視化和評價分析方面存在著不足。B/S架構的WebGIS既有傳統GIS的技術優勢，兼有Web的分布性、擴展和維護簡便、開發簡單以及共享性的優勢[7，8]。本文從生態保護紅線監管的需求出發，提出了一種基于WebGIS的生態紅線監管服務架構，整合多源異構數據，實現數據的二三維一體的可視化和互操作，實現遙感監測數據的集成分析與綜合應用，支撐生態保護紅線監管體系建設。

2 系統構建目標

從生態保護紅線監管需求出發，結合WebGIS技術，整合測繪基礎地理信息數據、國情監測數據以及各類氣象、水文數據以及人口、草地等統計數據，建立生態保護紅線矢量數據庫、柵格數據庫、專題數據庫，并提供數據融合接口，整合多源異構數據。通過集成分析和監測分析，精準掌握生態紅線區域現狀和變化情況，為監管部門提供輔助決策支撐和數據服務。

3 平臺設計與構建

本平臺以數據為核心，包括數據融合、數據管理、集成分析、監測分析等模塊，整個流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

3.1 平臺總體架構

平臺基于WebGIS技術，構建了一個B/S模式的服務平臺，采用四層結構模式：基礎設施層、基礎數據層、數據管理層、應用服務層(圖2)。

圖2 系統總體結構

(1)基礎設施層主要是指支撐平臺建設的軟硬件裝備，包括服務器、網絡設備、存儲設備等。

(2)基礎數據層主要是指生態保護紅線相關的各類數據，包括基礎地理信息數據、地表覆蓋數據、遙感影像數據、專題數據等。

(3)數據管理層是將基礎數據層的數據劃分到生態保護紅線矢量數據庫、生態保護紅線柵格數據庫、生態保護紅線專題數據庫3大數據庫進行管理。

(4)應用服務層主要是指依托生態保護紅線遙感監測平臺提供的應用服務，包括數據融合、數據管理、集成分析、監測分析。

3.2 平臺數據庫設計

平臺數據主要包括矢量數據、柵格數據和文本數據三種類型，如圖3所示。

圖3 生態保護紅線基礎信息數據庫組織方式

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

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

(3)文本數據：主要包括各類氣象、水文數據以及人口、草地專題等統計數據，采用關系數據表的形式進行存儲。

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 平臺功能設計

根據平臺的設計目標，生態保護紅線遙感監測平臺功能可分為數據融合、數據管理、集成分析、監測分析四大模塊，如圖4所示。

圖4 系統功能結構圖

數據管理：模塊對生態保護紅線相關數據的查詢、量算、展示與導出，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、數據導出等子模塊；

數據融合：模塊主要包括參數求解、坐標轉換、數據導入、數據提取四大子模塊，支持四參數、六參數以及七參數的參數求解和坐標轉換，常見坐標系的投影變換，以及文本數據、Shapefile數據、標準地圖服務數據的導入以及json、excel、csv、pdf、shp格式的數據導出。

集成分析：模塊主要實現生態保護紅線區的生態功能評價與人類干擾活動影響程度進行評價，包括生態功能評價子模塊與人類活動干擾影響程度評價子模塊，通過人工設定生態功能評價和人類活動干擾影響相關因素的權重，生成生態功能評價和人類活動干擾影響程度評價結果。

監測分析：是對多個時期的數據進行展示，包括對比分析子模塊與統計分析子模塊。對比分析主要對于不同時期的生態保護紅線基礎信息數據采用卷簾或者雙屏聯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、評價結果的對比分析。統計分析包括統計圖表、時序圖表以及人類活動信息報表3個子模塊：

(1)統計圖表主要是結合Echarts對區域內的人口、降水、大氣、草地等各類文本數據以及地圖字段查詢結果采用統計圖表的形式進行展示，并支持拖拽重計算、圖表間交換數據等操作。

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

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

4 核心功能實現

根據本文提出的設計方案和架構，以若爾蓋縣為示范區，實現生態紅線服務平臺，并應用于若爾蓋縣林草局日常工作。采用IntelliJIDEA開發業務邏輯核心代碼，以JDK1.8為編程環境，后臺框架選用SpringBoot，數據庫設計采用PostgreSQL，利用Html、CSS編程構建網站，采用ArcGIS Server搭建數據庫服務，采用JavaScript、Java編程，實現網絡環境下的生態紅線服務系統。

4.1 二三維一體化場景構建

生態保護紅線的監管需要全方位立體地對各類數據進行挖掘，地形數據結合影像數據可以多視角、全方位、多層次地對地形、地貌信息進行可交互式表示。系統對高程數據進行地形切片，對遙感影像數據進行分級切片，并發布為WMTS(Web Map Tile Service，瓦片地圖服務)，結合ArcGIS for JS框架，影像疊加高程數據實現地形級三維可視化，如圖5所示。

圖5 三維場景展示

4.2 生態功能評價

在生態保護紅線的監管過程中，需要對生態功能進行評價。如圖6所示，平臺內置了生態功能評價模型，從生物多樣性、水土保持以及水源涵養三個方面對生態功能進行評價。用戶對這三個方面的權值進行設置，平臺將評價結果進行發布，在頁面中進行展示。用戶可以在線進行專題圖生成，用于生態分析報告。

圖6 生態功能評價

4.3 人類活動干擾評價

人類活動對生態環境的干擾往往最為明顯。平臺內置了人類活動干擾模型，用戶對各種人類活動數據權值進行設置，生成人類活動干擾評價結果(圖7)，并可以通過用戶上傳的數據對不同時期的數據進行比對分析，生成人類活動數據報表(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 人類活動數據報表

4.4 監測分析模塊

通過對不同時期、不同數據的對比實現對生態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 時序統計圖表

5 結 語

基于WebGIS技術，采用B/S結構開發的生態紅線服務系統，具有部署簡便、共享性高、通用性強的特點，實現了數據融合、數據管理、集成分析、監測分析四個模塊功能，構建基于“數據-評價-分析”的生態保護紅線遙感監測體系，平臺通過網絡的形式可供多部門共享使用，促進多部門協同管理，為生態保護紅線監管提供平臺支撐。