廣東省生態環境地理時空云平臺的構建與應用

董凱輝，王明旭，張 馳，廖寶淦，向 男*

（1. 廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045）

WebGIS是使用Web技術將空間數據通過網絡地圖引擎展現的新型GIS技術，其融合了Web技術和GIS技術的優點。依托WebGIS[1]、云計算、數據庫等技術，能夠建立一個方便、快捷、及時、高效的生態環境地理空間數據管理系統，對生態環境空間數據的進一步數據挖掘與信息提取具有重大的推動作用。

本文在WebGIS 的基礎上，基于計算機網絡、數據庫、地理信息系統等技術，完成了廣東省生態環境地理時空云平臺的總體設計，充分利用本平臺支持數據類型多、數據轉換性強、數據尺度廣、數據更新維護性高等特點，將空間數據作為載體，非空間數據如文本數據、監測數據等多源數據連接整合，構建了一個集數據管理、空間展現、時空聯動等特征于一體的生態環境地理時空云平臺，為生態環境空間數據的科學管理、利用與決策提供有力支持。

1 系統設計

1.1 平臺架構

由于傳統C/S （客戶端/服務器）體系架構兼容性不強、可擴展性不足、開發成本又高，本系統采用目前國內外主流網絡信息系統的B/S（瀏覽器/服務器）體系架構，分層次設計開發來滿足系統對屬性數據、空間數據、算法數據的管理及調用等需求[2]。

平臺采用主流的SPA（single-pageapplication）前后端分離技術[3]，前端基于Vue[4]框架，結合以Mapbox GL[5]為地圖繪制引擎。后端采用基于Python 的Flask[6]框架，數據庫采用PostgreSQL[7]，采用GeoServer 實現空間地理信息的展示和發布，利用GeoServer可以方便的發布地圖數據，允許用戶對特征數據進行更新、刪除、插入操作，支持從PostgreSQL中讀取數據并發布矢量切片[8]。

平臺架構主要包括用戶層、應用層、數據層、基礎設施共4個組成部分，平臺架構如圖1所示。

圖1 平臺架構圖

1.2 數據庫設計

生態環境地理空間數據主要包括基礎空間數據（省界、區縣界、水系、地形地貌、交通路網等）、環境空間數據（三線一單、土地利用、生態空間、自然資源等）、非空間數據（環境質量、污染排放、能源利用、社會經濟等），按照數據類型可分為空間數據與非空間數據。

根據數據類型，平臺數據庫設計為一個地理空間數據庫，一個基礎數據庫。地理空間數據庫主要負責存儲空間數據，基礎數據主要負責非空間數據的存儲。為確保數據的安全性和網絡環境下的數據共享，采用上述的PostgreSQL統一存儲管理空間與非空間數據。2 個數據庫間互聯互通，通過數據庫引擎可將空間數據與各類非空間數據進行對接轉換處理后傳送至應用層調用渲染。

基于PostgreSQL的空間數據源，通過Geoserver發布相關矢量、柵格切片，數據源可以是用戶存儲的矢量、柵格數據，也可以是用戶通過屬性字段定義生成的數據。用戶可對發布的數據進行更新、刪除、插入等操作。

數據庫格式設計嚴格按照《環境信息元數據規范》（HJ720-2017）、《環境信息數據字典規范》（HJ723-2014）、《環境數據庫設計與運行管理規范》（HJ/T419-2007）等標準規范執行，結合廣東省生態環境數據特點與實際應用情況，對數據庫表名、字段名及編碼格式進行規范化化、統一化管理，在大氣環境數據、水環境數據、土壤環境數據、氣象數據、社會經濟數據、污染排放數據、環境監測數據、環境規劃數據、地理遙感數據等空間與非空間數據的基礎上建立成熟、標準、完善的數據目錄結構體系，為平臺的功能應用提供長期穩定、可持續性維護的數據接口。

2 功能設計

生態環境地理空間決策平臺主要包含地圖操作（地圖基本操作、地圖圖層切換、生態空間數據展示）、空間數據查詢（圖層要素編輯、圖層屬性展示、數據查詢）、分析功能（疊圖分析、空間測量、范圍篩選）、數據管理（數據導入、數據更新、數據發布）、用戶管理（用戶同步、用戶授權、統一權限認證）等，如圖2所示。

圖2 平臺功能示意圖

業務界面主要圍繞水、氣、土壤等整個生態環境要素體系開展相應的研判分析管理，實現各要素的精細化決策服務。

3 平臺展示及應用

根據平臺架構設計和功能設計的相關要求，按照“系統化、流程化、自動化”的建設思路，采用基于Python的Flask框架及JavaScript的Vue.js框架的前后端分離相關技術進行平臺的設計開發，構建了廣東省生態環境地理時空云平臺。平臺左側為環境專題要素列表及對應的專題圖層列表，右側為地圖顯示界面，包含區域篩選、高程調節、空間測量等功能模塊。

3.1 基本操作

平臺可對在線地圖進行實時的“放大、縮小、全圖展示”等功能，并可通過點擊地圖資源切換模塊來切換地圖底圖樣式。如使用鼠標滾輪向上滾動可放大地圖比例尺，聚焦微尺度環境要素的空間分布特征，向下滾動可縮小地圖比例尺，擴大查看范圍，與鄰近環境要素或整體對比分析；使用右側上方“全屏”工具，可將地圖全屏渲染展現；底圖樣式包含基礎、行政、戶外、交通、衛星等多種底圖樣式，切換窗口疊加的底圖樣式，可展現空間數據所在區域的行政區劃、交通路網、自然地理等特征，方便用戶在不同業務場景下進行數據分析及管理研判。

3.2 區域選擇

區域選擇功能是通過點擊地圖界面上方的區域選擇模塊，展開廣東省21個地市及相關區縣的行政區劃級聯面板，在點擊選定的行政區劃后，對相應的生態環境圖層進行空間過濾，查詢行政區劃范圍內的空間數據。用戶可針對所選行政區域進行環境要素疊圖分析，開展生態環境準入研判、環境影響評價、環境風險評估等工作，提高決策的精準性、科學性。

3.3 空間屬性查詢

與GIS 軟件一樣，平臺提供地圖圖層要素的屬性查詢。用戶通過點擊圖層中的某一要素，會彈出對應的要素信息。前端界面設計回調函數后，點擊相應圖層要素，通過Ajax 技術發送Http 請求至后端服務器，后端程序執行SQL 調用基礎數據庫中對應的環境數據返回用戶界面渲染展示，如點擊國家地表水監測監測斷面的點位，可調用其對應的水質監測數據，實時體現監測點位的相關監測實況，可選擇不同長度的時間序列生成分析圖表、變化曲線以及趨勢分析。此外，基于平臺多源數據，可隨時調閱不同時序的社會經濟、能源消耗等數據查看背景情況，挖掘數據潛在的有用信息，發現事件間存在的關聯性及發展規律。得益于平臺良好的可拓展性，后期平臺還可接入相關環境模型（水質變化、大氣污染物排放分布、生態系統經濟價值核算等），對可能發生的情況進行預測分析，并對潛在發生的不利情況進行預警。

3.4 地圖編輯

平臺提供對要素圖層的可見性、顏色及透明度的編輯操作，矢量切片地圖在線編輯，根據所選圖層的屬性，對樣式文件中對應的圖層屬性進行面板化顯示，用戶觸發操作根據所選取的圖層動態修改樣式文件所在的圖層屬性，瀏覽器實時渲染地圖實現預覽效果。點擊平臺右側上方的打印按鈕，可實現對編輯地圖的導出，導出格式支持png、jpg、tiff等多種圖片格式。由于平臺采用了B/S 架構體系，用戶只需安裝對應支持的瀏覽器就可以進行地圖查詢、編輯和導出等功能的操作，一定程度上降低了使用難度，提供了更加豐富的顯示內容和便捷的信息交互方式。

3.5 空間測量與高程調節

平臺右上方包含空間測量工具，提供對空間數據的線距離、斑塊面積的測量統計。由于生態環境空間數據涉及到包括水文參數、氣象參數、污染源參數、環境容量等多類型的空間環境數據，并且大多數環境空間信息，包括河流位置、監測點位、污染地區域面積等難以通過人工進行測量，因此結合平臺的空間屬性查詢功能，可對環境要素如污染地塊面積、水質分布情況、污染物排放及分布狀況等生態環境監測工作提供便利。此外，平臺還提供高程調節功能，用戶可滑動高程調節滑動條來動態調整地圖的高程效果，方便用戶結合地形地貌進行輔助分析。

4 結語

生態環境地理空間數據庫的建設是保障廣東省生態環境數據利用與可持續發展的重要戰略部署。本研究基于WebGIS 技術構建了廣東省生態環境地理時空云平臺，將數據量大、結構復雜的生態環境地理空間數據精準、有序、分層次存儲，為后續數據的管理、查詢、調用及分析提供便利。平臺主要突出3 個方面的作用：①提供了地理空間數據的三維可視化分析功能，可以直觀地查看地理空間數據地空間分布、屬性等信息。②疊圖分析可判斷相應區域是否在圖層要素內，對于環境監控預警、綜合治理、環評審批等工作具有重要的作用。③平臺允許用戶對生態環境地理空間數據進行實時更新，有效避免數據滯后性，提升平臺使用時效性。