城市热环境数据库与可视化共享平台研究

熊永柱，黄少鹏

(1.嘉应学院地理科学与旅游学院，广东梅州514015;2.中国科学院地球环境研究所，陕西西安361021;3.西安交通大学全球环境变化研究院，陕西西安361021;4.密歇根大学地质科学系，美国密歇根州48109-1005)

一、引 言

城市是人类活动最强烈的陆地表区域，也是驱动多尺度环境、经济和社会变化的热点地区［1，2］。在全球气候变暖的大背景下，城市气候环境与生态系统无疑会受到快速城市化的强烈影响，带来许多城市环境问题，成为制约城市可持续发展的重要因素［3-5］。近几十年来，由城市扩展与土地利用变化而产生的城市热环境问题，已成为城市气候环境和全球变化领域的研究热点和前沿课题［6-11］。中国城市化与气候环境变化尤其受到学术界的广泛关注。中国改革开放以来，城市规模不断扩张，由城市热岛现象导致的城市环境问题日益严重，给人们的健康会带来极大的危害［12，13］，严重影响区域社会经济可持续发展和人们的健康福祉。中国城市热环境不仅是少数学者关心的科学问题，也是城市管理者和社会公众关注的重要问题。因此，建立多学科多来源的城市热环境数据库(urban thermal environment database，UTEDB)，为定量评估城市化对城市热环境的影响提供数据基础支撑，实现城市热环境科学数据的可视化共享服务，已成为城市热环境科学研究的重要内容和迫切需求。尽管国内外已建成各种类型的科学数据库共享资源和服务，但是城市热环境研究领域的专业科学数据库和数据共享服务平台还未见报道，迫切需要进行相关的科学研究和系统建设。

从城市热环境研究的现实需求出发，本文提出建设城市热环境数据库及其相关的科学数据共享服务平台。将按城市热环境研究的规范和要求，建设一个覆盖全国范围、满足不同用户需要的城市热环境数据库，逐步把它发展成为城市热环境研究领域的重要数据库资源，同时构建面向服务的体系架构(service oriented architecture，SOA)的科学数据可视化共享WebGIS平台，为城市热环境和其他相关研究提供数据共享服务和技术支撑，推动相关学科的研究发展和技术进步。

二、研究目标与意义

1.研究目标

1)构建面向城市热环境研究领域的科学数据库，为相关研究提供基础数据支持。科学数据是进行科学研究的基础。城市热环境研究离不开大量的多源、多学科基础数据支持。本研究收集整理来自基础地理、地质、遥感、气象、环境、社会经济统计等多源异构数据源，构建一个面向城市热环境研究领域基础和前沿研究的科学数据库，为城市热环境研究提供重要的基础数据浏览、查询和分析等服务支持，让枯燥的数据变成有用的信息和知识。

2)设计开发城市热环境数据共享平台，促进城市热环境科学数据综合利用。城市热环境研究所需数据涉及多个学科专题，有些专题数据库(如地理、地质、遥感、大气等)已在中国科学院科学数据共享平台下实现共享服务。本研究从城市热环境综合研究需要为着眼点，从分散的学科专题数据库中提取所需要的数据，构建新的多学科交叉、多来源的城市热环境专题数据库和共享服务平台。这不仅有利于该领域的科学研究发展，还可将有关科研成果数据和信息知识进行集成管理和共享服务，为城市环境管理提供决策支持和公众服务，提高城市热环境科学数据的综合利用效益。

2.研究意义

本研究着眼于全球变暖和城市化的大背景，以遥感影像数据、气象环境观测数据、土地利用数据和社会经济统计数据等多源数据为基础，构建服务于以城市热环境相关领域交叉综合研究的专业科学数据库和基于面向服务体系架构的城市热环境科学数据可视化共享平台。并应用遥感与GIS技术、多元统计分析和地学可视化等技术方法，调查分析典型城市区域和全国/局地尺度的热环境时空特征和演化规律，有利于推动城市环境科学数据库建设与共享、促进城市热环境数据集成的理论创新和应用发展，为城市环境科学的基础和前沿研究提供基础数据保障和技术支撑服务，对促进城市环境信息共享、加强城市环境管理和推进环境可持续性城市建设具有重要意义。

三、研究内容与研究思路

1.研究内容

本研究的主要内容包括以下4个方面：

(1)城市热环境空间数据库构建的理论与方法

目前国内外还没有现成的城市热环境空间数据库，其构建的相关理论和技术方法还有待探讨完善，以期为本研究提供基础理论和技术保障。

(2)城市热环境空间数据库系统分析、设计和实现

应用软件工程的技术方法，研究阐述城市热环境空间数据库的系统需求分析、系统结构设计、数据层和元数据设计以及系统运行实现的详细技术流程和方案。

(3)城市热环境科学数据共享服务技术方法和标准

在构建业务运行的城市热环境空间数据库的基础上，研究相关科学数据共享服务的技术方法和标准，建立城市热环境空间数据可视化共享与服务平台，促进有关科学数据的标准化共享和可视化。

(4)城市热环境空间数据融合与可视化分析应用

探讨利用GIS进行多源异构的城市热环境空间数据融合和可视化分析应用的技术方法，通过几个典型研究案例，对城市热环境空间数据进行可视化分析，研究城市化效应对城市热环境和气候变化的影响。

2.研究思路

城市热环境是近十多年来快速发展的融气象、环境、遥感等多学科交叉研究的热点前沿领域，建立多源多维城市热环境科学数据的共享与可视化平台对深入进行城市热环境研究至关重要。本研究的总体思路如图1所示，利用先进的数据库和GIS软件平台，采集、整理多种来源的各种城市热环境研究相关的空间数据并进行规范和标准化，采用统一建模语言UML(united modeling language)技术方法设计构建一个多源、多维、多用途的城市热环境科学数据库(UTEDB)，并在此基础上建设基于SOA的城市热环境数据可视化共享服务WebGIS平台，可为城市热环境相关科学研究、决策支持和科学普及提供基础数据支撑及共享服务，把UTEDB建立成为城市环境科学领域的具有显著特色的专业数据库共享与可视化平台，满足科研院所、政府机构和社会公众对城市热环境专题信息和知识共享服务的迫切需要。

四、拟解决的关键问题与创新点

本研究拟解决的关键问题包括3个方面：

1)城市热环境空间数据组织、存储与管理模型。针对城市热环境数据量大、格式复杂和用途广泛的特点，提出科学有效的空间数据组织、存储和管理模型和技术方案。

2)城市热环境多源异构数据融合集成与共享的技术方法。针对城市热环境数据多源、多维和多学科交叉的特点，探讨一种多源异构的城市热环境数据融合集成和面向服务体系结构的可视化共享技术方法。

3)城市化效应对城市热环境与气候变化的影响。这是城市热环境研究领域的重要前沿科学问题。拟应用GIS、遥感与统计分析方法从点和面上对该问题进行定量分析。

本研究的创新点集中在以下两个方面：

1)系统收集和整编城市热环境研究相关的多来源多学科数据，采用先进的ArcGIS Geodatabase进行多源异构数据的集成与融合，为探讨有效地进行科学研究数据资源管理与共享提供了借鉴参考的技术方法。

2)采用先进的GIS和数据库技术构建的城市热环境数据库和基于SOA的可视化WebGIS共享服务平台在城市环境研究领域均属首创。

图1 研究思路框图

五、结束语

本研究系统地提出了城市热环境数据库与可视化共享平台研建的总体目标与意义、主要研究内容与思路、拟解决的关键问题与创新点，可为城市热环境科学相关的基础和前沿研究提供数据共享和技术支撑服务，为有关政府管理部门及社会公众提供城市环境管理决策支持和信息共享服务。城市热环境数据库的建立还无现成的模板可参照，需要不断地探索和完善。它涉及的数据来源非常广泛，数据结构十分复杂，空间尺度变化较大，数据量也很庞大，有些数据共享还存在一定的困难。因此，本研究拟建立的科学数据库与可视化平台还需要应用云GIS与可视化技术进行更加深入的研究探索和实践应用。利用最新的数据库和软件技术，设计开发一个科学合理、简单实用、功能完善、扩展方便的城市热环境数据可视化共享服务平台，实现系统的业务化运行服务，将是下一步努力的方向和目标。

［1］GRIMM N B，FAETH SH，GOLUBIEWSKI N E，et al.Global Change and the Ecology of Cities［J］.Science，2008，319(5864)：756-760.

［2］WU J.Urban Sustainability：An Inevitable Goal of Landscape Research［J］.Landscape Ecology，2010(25)：1-4.

［3］中国科学技术协会.2008-2009地理学学科发展报告(自然地理学)［M］.北京：中国科学技术出版社，2009.

［4］KALNAY E，CAI M.Impact of Urbanization and Landuse Change on Climate［J］.Nature，2003，423(6939)：528-531.

［5］方创琳，鲍超，乔标，等.城市化过程与生态环境效应［M］.北京：科学出版社，2008.

［6］JONES P D，GROISMAN P Y，COUGHLAN M，et al.Assessment of Urbanization Effects in Time Series of Surface Air Temperature over Land［J］.Nature，1990(347)：169-172.

［7］季崇萍，刘伟东，轩春怡.北京城市化进程对城市热岛的影响研究［J］.地球物理学报，2006，49(1)：69-77.

［8］REN G，ZHOU Y，CHU Z，et al.Urbanization Effects on Observed Surface Air Temperature Trends in North China［J］.Journal of Climate，2008，21(6)：1333-1348.

［9］HULME M，BARROWE M，ARNELL N W，et al.Relative Impacts of Human-induced Climate Change and Natural Climate Variability［J］.Nature，1999，397(6721)：688-691.

［10］ROSENZWEIG C，KAROLY D，VICARELLI M，et al.Attributing Physical and Biological Impacts to Anthropogenic Climate Change［J］.Nature，2008，453(7193)：353-357.

［11］IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I To the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［M］.New York：Cambridge University Press，2007.

［12］付雪婷，薛静，王青，等.城市热岛效应与健康［J］.国外医学：医学地理分册.2004，25(1)：43-45.

［13］PATZ J A，CAMPBELL L D，HOLLOWAY T，et al.Impact of Regional Climate Change on Human Health［J］.Nature，2005，438(7066)：310-317.