董凱輝，王明旭，張 馳，廖寶淦，向 男*

（1. 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045）

WebGIS是使用Web技術(shù)將空間數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)地圖引擎展現(xiàn)的新型GIS技術(shù)，其融合了Web技術(shù)和GIS技術(shù)的優(yōu)點。依托WebGIS[1]、云計算、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，能夠建立一個方便、快捷、及時、高效的生態(tài)環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對生態(tài)環(huán)境空間數(shù)據(jù)的進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘與信息提取具有重大的推動作用。

本文在WebGIS 的基礎(chǔ)上，基于計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，完成了廣東省生態(tài)環(huán)境地理時空云平臺的總體設(shè)計，充分利用本平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性強、數(shù)據(jù)尺度廣、數(shù)據(jù)更新維護(hù)性高等特點，將空間數(shù)據(jù)作為載體，非空間數(shù)據(jù)如文本數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)連接整合，構(gòu)建了一個集數(shù)據(jù)管理、空間展現(xiàn)、時空聯(lián)動等特征于一體的生態(tài)環(huán)境地理時空云平臺，為生態(tài)環(huán)境空間數(shù)據(jù)的科學(xué)管理、利用與決策提供有力支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 平臺架構(gòu)

由于傳統(tǒng)C/S （客戶端/服務(wù)器）體系架構(gòu)兼容性不強、可擴展性不足、開發(fā)成本又高，本系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外主流網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）體系架構(gòu)，分層次設(shè)計開發(fā)來滿足系統(tǒng)對屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、算法數(shù)據(jù)的管理及調(diào)用等需求[2]。

平臺采用主流的SPA（single-pageapplication）前后端分離技術(shù)[3]，前端基于Vue[4]框架，結(jié)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(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL[7]，采用GeoServer 實現(xiàn)空間地理信息的展示和發(fā)布，利用GeoServer可以方便的發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入操作，支持從PostgreSQL中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)布矢量切片[8]。

平臺架構(gòu)主要包括用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施共4個組成部分，平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)圖

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

生態(tài)環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)（省界、區(qū)縣界、水系、地形地貌、交通路網(wǎng)等）、環(huán)境空間數(shù)據(jù)（三線一單、土地利用、生態(tài)空間、自然資源等）、非空間數(shù)據(jù)（環(huán)境質(zhì)量、污染排放、能源利用、社會經(jīng)濟等），按照數(shù)據(jù)類型可分為空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型，平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計為一個地理空間數(shù)據(jù)庫，一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。地理空間數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)存儲空間數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要負(fù)責(zé)非空間數(shù)據(jù)的存儲。為確保數(shù)據(jù)的安全性和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享，采用上述的PostgreSQL統(tǒng)一存儲管理空間與非空間數(shù)據(jù)。2 個數(shù)據(jù)庫間互聯(lián)互通，通過數(shù)據(jù)庫引擎可將空間數(shù)據(jù)與各類非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行對接轉(zhuǎn)換處理后傳送至應(yīng)用層調(diào)用渲染。

基于PostgreSQL的空間數(shù)據(jù)源，通過Geoserver發(fā)布相關(guān)矢量、柵格切片，數(shù)據(jù)源可以是用戶存儲的矢量、柵格數(shù)據(jù)，也可以是用戶通過屬性字段定義生成的數(shù)據(jù)。用戶可對發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入等操作。

數(shù)據(jù)庫格式設(shè)計嚴(yán)格按照《環(huán)境信息元數(shù)據(jù)規(guī)范》（HJ720-2017）、《環(huán)境信息數(shù)據(jù)字典規(guī)范》（HJ723-2014）、《環(huán)境數(shù)據(jù)庫設(shè)計與運行管理規(guī)范》（HJ/T419-2007）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，結(jié)合廣東省生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)特點與實際應(yīng)用情況，對數(shù)據(jù)庫表名、字段名及編碼格式進(jìn)行規(guī)范化化、統(tǒng)一化管理，在大氣環(huán)境數(shù)據(jù)、水環(huán)境數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、污染排放數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境規(guī)劃數(shù)據(jù)、地理遙感數(shù)據(jù)等空間與非空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立成熟、標(biāo)準(zhǔn)、完善的數(shù)據(jù)目錄結(jié)構(gòu)體系，為平臺的功能應(yīng)用提供長期穩(wěn)定、可持續(xù)性維護(hù)的數(shù)據(jù)接口。

2 功能設(shè)計

生態(tài)環(huán)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(tài)空間數(shù)據(jù)展示）、空間數(shù)據(jù)查詢（圖層要素編輯、圖層屬性展示、數(shù)據(jù)查詢）、分析功能（疊圖分析、空間測量、范圍篩選）、數(shù)據(jù)管理（數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)發(fā)布）、用戶管理（用戶同步、用戶授權(quán)、統(tǒng)一權(quán)限認(rèn)證）等，如圖2所示。

圖2 平臺功能示意圖

業(yè)務(wù)界面主要圍繞水、氣、土壤等整個生態(tài)環(huán)境要素體系開展相應(yīng)的研判分析管理，實現(xiàn)各要素的精細(xì)化決策服務(wù)。

3 平臺展示及應(yīng)用

根據(jù)平臺架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計的相關(guān)要求，按照“系統(tǒng)化、流程化、自動化”的建設(shè)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(guān)技術(shù)進(jìn)行平臺的設(shè)計開發(fā)，構(gòu)建了廣東省生態(tài)環(huán)境地理時空云平臺。平臺左側(cè)為環(huán)境專題要素列表及對應(yīng)的專題圖層列表，右側(cè)為地圖顯示界面，包含區(qū)域篩選、高程調(diào)節(jié)、空間測量等功能模塊。

3.1 基本操作

平臺可對在線地圖進(jìn)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(biāo)滾輪向上滾動可放大地圖比例尺，聚焦微尺度環(huán)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(huán)境要素或整體對比分析；使用右側(cè)上方“全屏”工具，可將地圖全屏渲染展現(xiàn)；底圖樣式包含基礎(chǔ)、行政、戶外、交通、衛(wèi)星等多種底圖樣式，切換窗口疊加的底圖樣式，可展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)所在區(qū)域的行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)、自然地理等特征，方便用戶在不同業(yè)務(wù)場景下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及管理研判。

3.2 區(qū)域選擇

區(qū)域選擇功能是通過點擊地圖界面上方的區(qū)域選擇模塊，展開廣東省21個地市及相關(guān)區(qū)縣的行政區(qū)劃級聯(lián)面板，在點擊選定的行政區(qū)劃后，對相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境圖層進(jìn)行空間過濾，查詢行政區(qū)劃范圍內(nèi)的空間數(shù)據(jù)。用戶可針對所選行政區(qū)域進(jìn)行環(huán)境要素疊圖分析，開展生態(tài)環(huán)境準(zhǔn)入研判、環(huán)境影響評價、環(huán)境風(fēng)險評估等工作，提高決策的精準(zhǔn)性、科學(xué)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(yīng)的要素信息。前端界面設(shè)計回調(diào)函數(shù)后，點擊相應(yīng)圖層要素，通過Ajax 技術(shù)發(fā)送Http 請求至后端服務(wù)器，后端程序執(zhí)行SQL 調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)返回用戶界面渲染展示，如點擊國家地表水監(jiān)測監(jiān)測斷面的點位，可調(diào)用其對應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時體現(xiàn)監(jiān)測點位的相關(guān)監(jiān)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(shù)據(jù)，可隨時調(diào)閱不同時序的社會經(jīng)濟、能源消耗等數(shù)據(jù)查看背景情況，挖掘數(shù)據(jù)潛在的有用信息，發(fā)現(xiàn)事件間存在的關(guān)聯(lián)性及發(fā)展規(guī)律。得益于平臺良好的可拓展性，后期平臺還可接入相關(guān)環(huán)境模型（水質(zhì)變化、大氣污染物排放分布、生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟價值核算等），對可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測分析，并對潛在發(fā)生的不利情況進(jìn)行預(yù)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(jù)所選圖層的屬性，對樣式文件中對應(yīng)的圖層屬性進(jìn)行面板化顯示，用戶觸發(fā)操作根據(jù)所選取的圖層動態(tài)修改樣式文件所在的圖層屬性，瀏覽器實時渲染地圖實現(xiàn)預(yù)覽效果。點擊平臺右側(cè)上方的打印按鈕，可實現(xiàn)對編輯地圖的導(dǎo)出，導(dǎo)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(gòu)體系，用戶只需安裝對應(yīng)支持的瀏覽器就可以進(jìn)行地圖查詢、編輯和導(dǎo)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(nèi)容和便捷的信息交互方式。

3.5 空間測量與高程調(diào)節(jié)

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

4 結(jié)語

生態(tài)環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是保障廣東省生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)利用與可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署。本研究基于WebGIS 技術(shù)構(gòu)建了廣東省生態(tài)環(huán)境地理時空云平臺，將數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、有序、分層次存儲，為后續(xù)數(shù)據(jù)的管理、查詢、調(diào)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(shù)據(jù)的三維可視化分析功能，可以直觀地查看地理空間數(shù)據(jù)地空間分布、屬性等信息。②疊圖分析可判斷相應(yīng)區(qū)域是否在圖層要素內(nèi)，對于環(huán)境監(jiān)控預(yù)警、綜合治理、環(huán)評審批等工作具有重要的作用。③平臺允許用戶對生態(tài)環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，有效避免數(shù)據(jù)滯后性，提升平臺使用時效性。