山東省泰安市山水林田湖草生態保護修復工程平臺設計與實現

徐飛,唐麗偉*,魏凱,焦玉國,王延嶺,尹衍鵬,陳葛

(1.山東省地質礦產勘查開發局第五地質大隊,山東省地礦局山水林田湖草重點實驗室,山東 泰安 271000;2.武漢中地云申科技有限公司,湖北 武漢 430073)

0 引言

山水林田湖草生態保護修復工程是財政部、自然資源部、生態環境部自2016年啟動的重點工作,該類工程的實施系統龐大、涵蓋范圍大、工程項目點多面廣,涉及自然資源、水利、生態環境、農業、林業、畜牧業、河道、湖泊等行政主管部門,行業門類眾多,不同專業的工程實施是由不同主管部門負責組織管理,工程實施將形成卷帙浩繁、異構多元的數據資料,我國自2016年以來實施了25個山水林田湖草生態保護修復工程試點[1-2]和26個山水林田湖草沙一體化保護和修復工程,對生態環境保護取得了實質性進展,工程績效突出。為實現海量數據資料的統一管理、工程績效成果的直觀可視化展示,以及促進后續“山水林田湖草生命共同體”理念的統籌性、系統性、協同性的深入研究,建立山水林田湖草生態保護修復數據平臺是一項不可或缺的任務。

我國已實施的山水林田湖草生態保護修復工程已有省份建立了數據服務平臺,楊斌等[3]構建了河北省山水林田湖草生態保護修復遙感信息服務平臺,實現了工程進度和治理效果的全過程監測以及信息的瀏覽、查詢與發布;杜貴崙等[4]以“長江上游生態屏障(重慶段)山水林田湖草生態保護修復工程試點”為例,研發了國土空間生態修復監管信息系統。我國在實施國土空間生態修復[5-6]、流域生態環境保護修復[7]、農業荒漠[8-11]、審批管理[12-15]等大型項目時,將資料進行整合[16],建立數據信息系統平臺,為政府管理、監管決策等提供數據支撐。

泰安市山水林田湖草生態保護修復工程試點(下稱“試點工程”)是2017年12月經財政部批準的第二批試點工程,涵蓋5大類12小類67項工程,涉及326個子項目,部分子項目下還包含二級、三級子項目,每個項目的實施過程包括立項可研、規劃設計、工程實施、管理維護、監測評估等階段,各級主管部門對所管轄專業范圍內的子項目進行了工程驗收和檔案資料匯交,形成了海量資料,成果資料多為紙質形式,成果保存分散,數據集成化低,可視化程度差。這不利于對于山水林田湖草是一個生命共同體的統一研究,無法將已形成的生態修復成果在山水林田湖草是一個生命共同體的理念下進行綜合研究,無法將多年的修復成果及修復理念轉化為輔助試點工程整體保護、系統修復、綜合治理的有效工具。

本文基于泰安市山水林田湖草生態保護修復工程試點,將檔案資料及科研成果進行全面整合,形成泰安市山水林田湖草生態保護修復工程數據庫,開發建設成果可視化展示平臺,科學展示試點工程修復成果,為資料的科學合理利用打下堅實的基礎,助力“泰山模式”推廣宣傳,為生態文明建設提供信息化支撐。

1 平臺建設思路

通過綜合分析與研究,確立了以資料收集→成果展示內容分析→數據格式標準化→劃分展示模塊→技術實現的山水林田湖草生態保護修復工程成果可視化展示平臺的建設思路。

(1)資料收集。系統收集每個項目實施的全過程資料,包括各類技術成果資料和工程管理資料。技術成果資料,包括已實施項目的立項、設計、施工、監理、驗收、移交、監測等資料,實施前后對比影像,取得的生態、環境、經濟效益等資料;工程管理資料,包括體制機制、組織機構、工程實施意見、實施方案、項目管理辦法、資金籌集和管理辦法、績效評估管理辦法等文件以及落實情況等。

(2)成果展示內容分析。以實現“試點工程”成果可視化功能展示為目標,分析研究需要展示的成果內容,為成果可視化展示平臺的開發奠定功能基礎。

(3)數據格式標準化。數據是成果可視化展示的基礎,根據已確定的成果展示內容,研究數據標準化格式,建立網絡化數據庫,制定數據格式標準,建設工程數據庫,實現對各學科、各類別、各部門資料的數字化、標準化、集群化管理,將各項數據庫所需的表項執行抽取、清洗、轉換,集中存儲到中央數據庫中,進行數據存儲標準化,統一數據的管理和訪問,實現全面的數據共享。

(4)劃分展示模塊。根據成果可視化功能分析所確定的主要展示的成果內容,將不同數據功能進行歸類,設計展示模塊。

(5)技術實現。在已建立的數據標準格式基礎上,利用信息化技術,開發建設界面友好、操作簡便的成果可視化展示平臺。

2 系統總體框架設計

2.1 系統總體架構

為滿足山水林田湖草數據集成管理及成果可視化目標,在標準規范體系和安全防護體系的支撐下,從邏輯結構上自底向上可分為：IT基礎環境層、數據中心層、數據服務層、應用層和用戶層5個層次(圖1)。

(1)IT基礎環境層。IT基礎環境是支撐平臺運行的基礎,為成果可視化展示平臺建設提供基礎支撐,實現系統各部分之間的信息流通與安全管理。主要包括硬件設備、網絡設備和應用支撐軟件3部分。

(2)數據中心層。通過數據中心的建設,實現山水林田湖草工程項目數據的有機集成、科學管理和有序共享。主要包括：基礎地理空間數據庫、項目信息數據庫、檔案資料數據庫、文件規范數據庫、專家信息數據庫、調研總結數據庫、評價體系數據庫。

(3)數據服務層。通過共享服務平臺建設,整合、協同、管理山水林田湖工程項目數據信息化的各項功能服務,為業務應用系統提供支撐服務。主要包括：OGC服務、基礎服務、業務應用服務以及其他服務。

(4)應用層。用戶提供直觀可視的人機交互窗口,實現成果可視化展示及數據管理功能。主要包括成果可視化、項目管理、績效評價、宣傳推廣等。

(5)用戶層。用戶是山水林田湖草生態保護修復工程成果可視化展示平臺建設服務對象。從用戶所屬部門來分,系統用戶主要包括：管理人員、專業人員、行政人員以及公眾等。

(6)標準規范體系和安全防護體系。標準規范體系是保障整個系統建設實施成功的軟性因素,包括技術、管理等各方面的標準和規范。在整個項目實施過程中嚴格遵循國際、國家及行業相關標準規范。安全防護體系涉及系統各個層面的安全技術和措施,為整個系統提供鑒別、訪問控制、抗抵賴和數據的機密性、完整性、可用性、可控性等安全服務,形成集防護、檢測、響應、恢復于一體的安全支撐防護體系[17]。

2.2 成果展示內容

(1)成效展示。試點工程下達批復時,制定了相關的成效目標,主要包括水環境保護治理、礦山環境治理與土地整治、生態環境治理修復等績效指標,應對定量和定性指標根據數據特點,采用文、圖、表的形式進行可視化展示。

(2)文件管理。山水林田湖草生態保護修復工程在實施中會建立對應的體制機制,并且會發布大量文件規范。系統平臺需展示體制、機制、制度文件,標準規范、會議記錄,調研記錄等文件,并支持文件的增、刪、改、查功能。

(3)項目管理。試點工程包含5大類12小類67項工程,涉及326個子項目,部分子項目下還包含二級、三級子項目,每個項目的實施過程包括立項可研、規劃設計、工程實施、管理維護、監測評估等階段,各級主管部門對所管轄專業范圍內的子項目進行了工程驗收和檔案資料匯交,形成了海量資料。需實現各子項目全過程的檔案資料管理功能,滿足檔案的上傳、下載、查詢,以及相關的工程概況、投資信息、歷史影像、施工前后對比照片等。

(4)績效評價。試點工程建立了評估制度,各子項目以及整體工程年中、年末、整體驗收后要開展項目績效評價,從項目決策、項目管理、產出,以及工程實施對自然資源保護利用、生態環境治理改善、生態系統服務功能提升等方面的成效進行綜合評價[18]。

(5)宣傳推廣。實現對公眾可查看的功能版塊,將試點工程實施中形成的相關經驗,亮點工程進行宣傳推廣,進一步拓展泰山的國際影響力,更好地提升城市形象,需包含后臺發布及前臺瀏覽功能。

(6)系統管理。根據不同用戶、角色、組織機構等,實現相關權限的系統管理模塊,滿足欄目綁定和模塊管理權限的分配。

3 平臺實現的關鍵技術

3.1 資料分類梳理

試點工程形成了海量數據資料,且資料格式不統一,各行政主管部門、建設單位等形成了不同格式驗收標準,需對所有資料進行統一整理,建立標準化格式。本次工作對各類資料進行分類整理,掌握具體工作范圍及具體工作內容、工作量投入情況及實施后成果,并對其進行進一步研究分析,劃分子系統,從而制定統一的數據檔案格式。通過對不同類型工程的檔案資料分析研究,確定共分為8類目錄(表1),分別為地質環境及大部分水環境類、土地整治類、生物多樣性類、生態農業生態扶貧類、調查評價類、監管能力提升類、非施工類、規劃建設類。解決了因檔案資料格式不統一,數據表難以適配、難以歸類查詢的問題。

表1 檔案資料類型及適用的工程

3.2 數據庫查詢優化技術

系統檔案模塊存儲了326個子項目全生命周期的可研、立項、設計、施工、監理、驗收、移交、監測等所有數據內容,系統數據庫中錄入了所有的數字、文字、圖表等不同類型的數據,且數據表單關聯了存放在服務器文件的物理路徑,可視化展示平臺列表數據查詢量極大。

李離一臉鄙夷地說：“我倒是有一包金葉子，只是剛才被你們的老黃收走了，本來他應給我四頭驢的，明天早上我還可以牽著它們去下山那邊會仙集的湯鍋。”

平臺數據庫為MySQL數據庫,InnoDB給MySQL的表提供了事務處理、回滾、崩潰修復能力和多版本并發控制的事務安全,充分利用InnoDB對事物處理的能力,并對數據量較大的表進行橫向分表設計,解決了超負荷的數據查詢造成的展示頁面數據加載緩慢、數據聯表操作的響應時間過長等問題[19]。

3.3 基于WebGIS的地圖展示技術

國家測繪地理信息局2011年1月正式發布國家地質信息公共平臺“天地圖”[20],借助“天地圖”地理信息資源共享與應用方面的功能[21],將項目區范圍及中心點坐標與地圖信息項疊合,借助時空影像功能,可以展示出項目區施工前、中、后的變化過程,解決了因部分工程未留存過程影像,無法進行施工前、中、后對比的缺陷,直觀地實現了影像可視化展示效果。

3.4 系統權限分配方式

平臺系統服務對象包括管理人員、專業人員、行政人員以及公眾,且各類人員還存在地區上的區別,服務對象眾多,權限分配復雜,本次平臺系統通過目錄及地區綁定的方式進行設計,對增、刪、改、查操作權限分別分配,解決了因不同使用人員在模塊管理及操作的使用需求,可以滿足不同縣市區各自個性化操作,同時也增加了數據的保密性。

4 成果可視化展示平臺設計與實現

整個平臺為實現成果可視化展示目標而設計,在系統實現過程中即要便于用戶使用、管理,又要具有簡單明了的人機交互方式、優化的系統結構及直觀可視的功能[22]。通過綜合分析設計了包括工程概覽、組織管理、文件規范、輔助決策、工程項目、成效展示、宣傳門戶、系統管理8個模塊(圖2),將項目的數據通過數據交互接口接入到數據資源池中,根據不同成果主要特性生成可視化界面,以文、圖、表等多方式對試點工作成果進行可視化展示。

圖2 成果可視化展示平臺模塊圖

圖3 工程概覽界面

(1)工程概覽。該界面為首頁大屏,是對試點工程投資情況、工程類型、數量及主要績效目標的完成情況的展示。根據不同資金來源通過數據列表和旭日圖進行展示投資情況,通過折線圖分年度展示投資情況,按5大類、12小類通過柱狀圖展示每類工程包含項目數量及投資情況;通過水球圖展示國控斷面水質達標情況;通過條形圖展示新增濕地、治理采煤塌陷地、修復礦山生態修復面積、實施地質災害防治、地質公園及地質遺跡保護、整治土地、新增耕地等定量指標的完成情況。中間區域為泰安市行政區劃的簡易地圖,包含兩區、兩市、兩縣及4個功能區,各縣市功能區可分別點擊,當點擊對應的縣市區時,整個界面的工程投資額、工程類型、項目數量及績效目標完成情況就會相應的變成該縣市區的內容(圖3)。

(2)組織管理：包括體制、機制2個子模塊。體制是以組織結構圖的形式展示泰安山水林田湖草生態修復工程各指揮部的架構信息,各組織機構上設置了鏈接錨點,點擊可以彈出組建領導機構的通知。機制包含“周電話調度”“月通報”“半年績效評價”“年終績效評價”“包保責任制”。周電話調度展示每個周的工程進展的調度情況,月通報為每個月的工程進展通報,半年績效評價為每半年的績效評價報告,年終績效評價為每年年終的績效評價報告,包保責任制展示的是領導包保責任和項目包保及各單位落實情況(責任表)。所有內容均包含添加、上傳、查看、編輯及刪除功能。

(3)文件規范：集合匯總試點工作開展所用到的相關標準規范,包括國家標準、行業標準、地方標準、團體標準等。以及省部級、市級、縣級制定的各類意見、項目管理辦法、資金籌集和管理辦法、績效考核管理辦法等文件。

(4)輔助決策：包含會議決策和專家庫2個子模塊。會議決策主要錄入試點工作開展形成的各類調研會議、學習會議、部署會議、調度會議、評審會議等內容。專家庫為試點工程實施過程中常用到的專家信息,以及試點工程特聘專家信息。

(5)工程項目：以一張圖模式,對5大類12小類67個工程326個子項目的區域分布、工程治理指標、投資金額與資金使用、實施情況等信息進行統計分析展示。并匯集所有的項目檔案,以圖、表的形式統計項目檔案的完整程度?？蓪崿F.doc.pdf.xls及圖片等文件的在線預覽。包括“項目查詢”“項目基本信息”“項目檔案”“檔案統計”4個子模塊(圖4)。

圖4 工程項目界面

項目查詢：右邊區域將326個子項目的項目中心點借助天地圖進行了展示,并用不同的圖標表示5大類工程,左邊區域可對326個子項目按行政區劃、大類、小類、子項目編號、關鍵字進行查詢,或直接點擊子項目列表進行項目查詢。點擊對應的子項目名稱或者右圖的項目編號、圖標,視圖將直接放大到該子項目的治理區域,跳進去以后,左邊顯示了該項目的基本信息、工程概況、建設內容和采取的工程措施、實際投資資金、圖像對比等內容,圖像對比面板可以查看項目實施過程中的前、中、后照片,或者相關的成果照片。最底部的項目階段可直接跳到項目檔案模塊,方便直接查看該項目所對應的從立項到驗收移交的全過程檔案資料。有的項目包含二級、三級子項目的,通過點擊基本信息部分的二級、三級子項目名稱可以跳到對應的二級、三級子項目。

項目基本信息：該模塊為326個子項目的屬性數據庫,包含326個子項目及其下屬的二級、三級子項目,支持添加、修改、刪除功能。點擊查看按鈕可彈出對應項目的工程屬性框,包含項目的基本信息、資金情況、參見單位、工程屬性、績效目標以及圖像對比,該框內的內容是整個系統平臺項目屬性數據的匯總,工程概覽界面所有的績效目標及成效展示都是與此處的數據相關聯的。

項目檔案：包含326個子項目及其二級、三級子項目的所有檔案數據,所有檔案的添加、上傳、下載、查看均在此模塊進行。根據試點工程的檔案類型,共制定了8類項目檔案目錄,每個項目的檔案包含整個項目生命全周期的工程實施資料。各縣市區、功能區可根據各自分配的賬號,自行上傳檔案資料。

檔案統計：該模塊包含統計圖和統計表兩部分,用圖、表的形式對項目檔案的完整程度進行了展示。統計圖中,左邊2個面板分別是對全部的資料完成程度和按檔案類型分別以環形圖和扇形圖的方式對資料完整度進行了展示,右邊面板按行政區劃、5大類、12小類,以條形圖的方式進行了展示。統計表中,針對每一個子項目從立項到竣工驗收每一項資料的收集情況進行了展示,并支持Excel表格式的導出功能。通過檔案統計模塊可以直觀地顯示檔案的完整度并方便對每個項目的資料收集情況進行調度。

(6)成效展示：包含績效評價、水質監管、科技創新3個子模塊。績效評價可以對326個項目進行績效評價打分;水質監管模塊,對每個月的水質斷面及功能區斷面進行錄入,以表格和地圖的形式進行展示,并且通過統計分析模塊,對某一個斷面的水質情況,在一定時段內以折線圖的形式展示,為全市的水質監管提供支撐;科技創新包含獎項、論文、專利、標準規范、專著/著作、軟件著作權等內容。該模塊下還預留了地質災害監測、空氣質量監測、林業監測、農業監測4個模塊,通過端口接入或進一步平臺研發,完善山水林田湖草生態保護修復監測體系,實現全要素動態監測監管(圖5)。

圖5 成效展示界面

圖6 宣傳門戶后臺界面

圖7 宣傳門戶前臺界面

(7)宣傳門戶：宣傳門戶包括后臺和前臺2個板塊,主要功能是向大眾綜合展示試點工程實施內容。包含各宣傳片、網絡動態、交流學習、媒體宣傳、亮點工程、大事記、問卷調查、“泰山模式”、公眾互動留言等模塊(圖6)。后臺提供數據的輸入功能,前臺則可以為群眾提供訪問服務,為大眾普及山水林田湖草相關理念、知識,以及試點工程的主要情況等(圖7)。

(8)系統管理：為管理員專用模塊,通過分發的方式分發管理員賬號,并且可以設置每個模塊或者不同縣市區的權限,通過角色和權限管理可以方便各縣市區通過各自分配的賬號進行檔案管理和數據維護。

5 展望

山水林田湖草是一個生命共同體,生態環境系統監測是生態文明建設的重要支撐[23],構建一體化生態環境數據監測管理平臺,實現對后期生態系統的效能監管和成果應用,可有效促進全市各資源管理部門聯動,提升生態系統監管服務水平,推動泰山區域生態文明建設長效發展。

(1)監測數據采集：采用物聯網手段和大數據技術,一方面與已有的自然資源、農業、水利、生態環境、林業等部門的大數據監測平臺進行端口對接,另一方面通過傳感器監測,及時獲取各類監測數據,按照采集數據值對生態修復項目發展狀況實現比對分析。

(2)遙感圖斑判別：充分利用“3S”等遙感定位技術,對礦山地質環境修復、地質災害防治、農田環境整治、工礦廢棄地調整利用、人工濕地與生態修復及生物多樣性保護等工程進行跟蹤監測,通過遙感影像分析對比,對生態環境狀況進行判別。

(3)評價模型建立：綜合各類監測數據,建立綜合評價指標體系,構建評價模型,助于更好地協調各方面資源,有力支撐政府各部門的科學規劃并全面提升政府管理決策水平[24],提高保護修復的效率和效果。

6 結論

(1)本文厘清了山水林田湖草生態保護修復工程成果可視化展示平臺的建設思路,確立了以資料收集→成果展示內容分析→數據格式標準化→劃分展示模塊→技術實現的山水林田湖草生態保護修復工程成果可視化展示平臺的建設思路。

(2)本文總結了資料分類梳理、數據庫查詢優化技術、基于WebGIS的地圖展示技術、系統權限分配方式4項關鍵技術,解決了成果可視化展示平臺建設中的重點難點問題。

(3)本文對檔案資料進行了集成,形成了標準化、規范化的資料檔案,建設了資料數據庫,高效地實現數據的查詢與應用,開發了包括工程概覽界面及組織管理、文件規范、輔助決策、工程項目、成效展示、宣傳門戶、系統管理等7大模塊的成果可視化展示平臺,對宣傳和推廣“泰山模式”具有重要意義,也為山水林田湖草生態保護修復工程成果可視化建設提供了實踐參考。