重庆市生态保护红线空间管理系统研究与应用

朱康文， 雷 波*， 何 君， 刘德绍， 李 剑

（1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2.重庆科技学院，重庆 401331；3.重庆市环境保护局，重庆 401147）

□研究论文

重庆市生态保护红线空间管理系统研究与应用

朱康文1， 雷 波1*， 何 君1， 刘德绍2， 李 剑3

（1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2.重庆科技学院，重庆 401331；3.重庆市环境保护局，重庆 401147）

针对目前生态保护红线在管理方面的不足，在充分考虑红线管理中实际问题的前提下，在GIS平台的基础上采用B/S模式，基于面向服务架构的GIS应用框架构建了生态保护红线空间管理系统。管理系统突出了4个方面的作用：（1）实现了基本地图操作、生态保护红线属性信息和空间位置的显示、查询功能；（2）判别某个点/线/面是否在红线范围内并形成Word格式的判别报告，对于监察、环评审批等实际工作具有重要作用；（3）区县红线数据的实时更新可以有效避免数据滞后的问题，极大促进了系统使用的时效性；（4）用户分层次管理可以有效避免数据上传混乱、数据被篡改、用户被无故删除等情况出现。重庆市生态保护红线空间管理系统不具有唯一性，它可以适用于其他省 （直辖市），因此对于其他省 （直辖市）生态红线管理具有很好的参考价值。同时，管理系统在项目落地、环评审批、生态环境监察等实际部门工作中已体现出优势，可以有效地促进相关工作科学高效地完成。

重庆市；生态保护红线；空间管理系统

0 引言

随着我国经济的不断发展，对于生态环境的破坏范围不断扩大、破坏程度不断加剧，为此对于生态环境的保护显得十分紧迫[1-2]。2011年，国务院首次提出划定生态保护红线的重要战略[3-7]，经过6年的探索与实践，全国各地的生态保护红线划定工作均在有序开展。生态保护红线是指在森林、草原、湿地、河流、湖泊等生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性严格保护的区域，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线。划定并严守生态保护红线，是贯彻落实主体功能区制度、实施生态空间用途管制的重要举措，是提高生态产品供给能力和生态系统服务功能、构建国家生态安全格局的有效手段，是健全生态文明制度体系、推动绿色发展的有力保障[8-11]。

生态保护红线包括属性信息和空间信息，属性信息包括红线的斑块面积、数量、类型等，空间信息包括红线的位置、边界、形状以及分布特征，是具有定位、定性、时间和空间关系的空间数据。重庆市作为典型的山地城市，地形地貌复杂，生态保护红线多分布于山势险恶、交通闭塞的偏远山区，生态保护红线会随着社会经济发展和生态环境保护的相互影响而不断发生变化，对生态保护红线的展示、查阅、后期规划、管理要求极高。传统的地理信息系统 （GIS）专题图制作与管理模式耗时费力，不能高效、全面地展示生态保护红线的复杂属性和空间位置[12-14]，更不利于各级管理部门之间对生态保护红线的数据共享，建立一个方便、快捷、及时、有效的生态保护红线空间数据管理系统是生态保护红线划定工作顺利开展的保障。生态保护红线数字化作为 “数字环保”的重要组成部分[15-16]，对生态保护红线管理的信息化、数字化、现代化的探索研究，具有十分重要的现实和长远发展意义。

随着 “数字地球”“智慧城市”以及大数据的获取与应用等信息技术的快速发展，利用GIS处理空间数据及其有关的各种空间信息的管理模式已在农业[17-18]、国土[19-21]、 交通[22-23]、 资源环境[24-25]、 灾害[26-29]、矿产[30-31]等行业得到广泛的应用。本研究在GIS平台的基础上，采用B/S模式，基于面向服务的软件架构（Service Oriented Architecture，SOA）的GIS应用框架[32-33]，完成了生态保护红线空间基础数据库建设和生态保护红线管理子系统的总体设计，实现了生态保护红线空间与非空间数据一体化管理，大大提高了各级部门在查阅、更新、使用、维护生态保护红线数据的效率，真正实现了生态保护红线的数据共享，为生态保护红线科学管理、考核与决策提供有力支持。

1 生态保护红线空间管理系统设计

1.1 系统框架

重庆市生态保护红线空间管理系统，能够将重庆市禁止开发区红线、重点生态功能区红线、生态敏感区生态保护红线进行聚合，建立一体化的生态保护红线数据库，实现生态保护红线数据管理的信息化、自动化。设计了基于SOA架构的GIS生态保护红线空间管理系统，快速构建红线数据空间管理平台，从而为各种业务应用服务提供支撑。红线空间管理系统包含基础设施、数据层、运行支撑平台和应用层（图 1）。

图1 重庆市生态保护红线空间管理系统总体框架图Fig.1 The overall framework of ecological protection red line spatial management system in Chongqing

1.2 系统设计

红线空间管理系统主要包括红线数据、地理信息和其它公用数据库，可以分为空间数据 （地理信息）与非空间数据 （元数据）。为了确保数据的安全性和网络环境下的数据共享，采用关系数据库统一管理空间与非空间数据。

系统的开发采用面向对象的分析与设计方法，基于UML（Unified Modeling Language）统一建模语言对所设计的系统进行建模，UML统一建模语言已经成为系统建模的标准语言和模型驱动的体系结构（Model Driven Architecture，简称MDA）的基础[34-36]。基于对象管理组织的MDA，系统的建模将从现实世界人地关系模型的角度对区域系统进行整体和全面的系统分析，以确保系统模型能真实可靠地反映区域系统的实体行为和属性及实体之间的关系，更好地以数字模型的形式加以表达，基于UML制定相关的标准与规范、UML模型来建立信息技术的标准与规范目前已经成为标准与规范制定的主要方法[37-39]。

系统借助建模工具PowerDesigner和Microsoft Visio，采用正向工程的方法基于UML模型生成应用程序模板和数据库结构，利用逆向工程的方法从程序源代码和数据库中提取软件的UML模型，实现软件与模型之间的全向工程和一致性，从而实现软件和模型之间的持续改进，基于UML模型生成规范的系统分析与设计文档，以实现模型驱动的系统设计与开发[40-42]。采用元数据驱动平台架构加以实现，根据信息资源管理统一平台之数据平台的特点，在GIS基础软件与实际应用系统之间增加一层统一的、元数据驱动的应用平台，将数据平台各组成系统的应用模型和应用组件的共性进行抽象，通过UML模型和元数据加以描述，开发元数据驱动的应用组件，基于元数据驱动组件搭建应用平台。

1.3 系统功能设计

图2 系统功能示意图Fig.2 The schematic diagram of system function

生态保护红线空间管理系统的功能主要包括地图操作 （地图基本操作、地图资源切换、红线数据展示）、红线数据查询 （数据分层管理、数据属性展示、数据查询）、分析功能 （地名查询、叠加分析、测量）、数据管理 （数据导入、数据更新、其它资源管理）、用户管理 （用户同步、用户授权、统一权限认证）等 （图2）。

1.4 系统开发及运行环境

系统开发及运行环境主要包括：

（1）开发集成环境：Visual Studio 2015；

（2）操作系统：Windows7及以上；

（3）编程语言：C#、XAML、WPF；

（4）空间数据库：ArcSDE；

（5）非空间数据库：SQL Server 2014；

（6）GIS平台：ArcGIS 10.0；

（7）电脑配置：CPU为2.40GHz 4核、内存4GB及以上、硬盘为500GB及以上。

2 系统实现

对整个系统进行封装后形成exe安装文件，在满足1.4运行环境情况下，安装完成即可使用系统。

2.1 系统界面

图3为生态保护红线空间管理系统的界面，主要包含工具栏、数据列表栏、数据显示框、底图切换等区域。

图3 系统界面图Fig.3 The map of system interface

2.2 地图操作

地图操作功能包括地图基本操作、地图资源切换、红线数据展示功能。

（1）地图基本操作包括 “放大、缩小、全图”等功能 （图3工具栏），这些功能是在基于GIS平台中不可缺少的存在。①使用鼠标中间滚轮向上滚动可放大地图比例尺，向下滚动可缩小地图比例尺；②使用顶部工具条的 “放大”工具，每单击一次可将地图比例尺放大一级，使用顶部工具条的 “缩小”工具可将地图比例尺缩小一级；③使用顶部 “全图”工具，将地图范围轮廓完整渲染呈现。（2）地图资源切换是用户通过单击 “影像图/地形图”（图3右下角），切换地图窗口叠加的影像地图和地形图操作，通过影像图，可以更加直观地反映重庆市的地形地貌特征。

2.3 红线数据查询

红线数据查询功能包括数据分层管理、数据属性展示、数据查询等功能。

（1）数据分层管理主要是因为系统数据涉及的图层较多 （图3左侧数据列表栏），红线数据分为重庆市生态保护红线、区县生态保护红线、饮用水水源地保护区红线、国家级/市级/县级自然保护区红线、自然遗产地红线、湿地公园红线、国家级/市级森林公园红线、国家级/市级风景名胜区红线、地质公园红线、四山管制区红线、三峡水库消落区红线等。为了便于查看不同的数据分布情况，因此需要分层管理，并根据不同的颜色图符进行标识，用户可以通过是否勾选图层来分层查看各图层数据。（2）数据属性展示主要是通过单击数据图斑来显示数据的属性。用户首先单击 “红线信息”工具 （图3工具栏），然后单击图斑，获取图形唯一编码，向服务器请求显示红线数据的属性信息，包括市、区县、面积、红线名称、地理单元、主导功能、其他功能、类型、构成类型、保护级别、地理位置、备注等信息。（3）数据查询功能是通过选定的行政区划，对红线数据进行空间过滤，查询行政区划范围内的红线数据，并按红线构成类型 （禁止开发区、重点生态功能区、生态敏感区、其他区域）进行统计，最终以列表形式展示构成类型对应的颜色图符及面积信息，图4为开州区数据查询结果。

图4 数据查询功能展示图Fig.4 The schematic diagram of data query function

2.4 分析功能

分析功能包括地名查询、叠加分析、测量功能。

（1）地名查询是根据提供的地名，在地址库中将符合条件的地名加载在地名列表中。通过单击地名，地图定位到选中地名的位置，图5为输入森林公园时的地名查询结果。（2）叠加分析是通过导入坐标、导入Shapefile文件功能将空间对象作为一个新的图层叠加到地图上。其中导入坐标主要包含导入点、线 （拐点列表）、面 （拐点列表），程序将点或拐点列表转换为相应的空间对象加入一个新的图层中，叠加到地图上进行显示，然后执行相交分析，将分析结果进行展示，结果可以以Word格式的文件进行导出，图6为导入一个面状Shapefile文件后的叠加分析结果。（3）测量功能包括测距和测面积两个功能。其中测距根据鼠标在地图上点击的起始点开始计算地图中相邻两个点之间的距离，并以双击地图作为结束点，计算起始点与结束点之间的总长度。测面积根据鼠标在地图上点击的起始点开始进行计算起始点与所有经过的拐点组成的空间面对象的面积。图7为测量某建筑物离生态保护红线边界的距离。

图5 地名查询功能展示图Fig.5 The schematic diagram of place name query

图6 叠加分析功能展示图Fig.6 The schematic diagram of overlay analysis

图7 测量功能展示图 （测量距离）Fig.7 The schematic diagram of measurement function（Measuring distance）

2.5 数据管理

数据管理功能包括数据导入、数据更新、其它资源管理功能。数据管理中的这几个功能主要是针对区县红线数据，用户单击工具栏的 “更新区县红线”图标 （图3工具栏），对区县红线数据进行导入、更新等操作，数据导入格式需要为压缩的Shapefile文件。

2.6 用户管理

用户管理功能包括用户同步、用户授权、统一权限认证功能。用户管理功能主要是对于用户的权限、增减等进行管理，支持对用户基本信息新增、修改、删除等功能操作，用户单击 “用户管理”图标即可执行此功能 （图3工具栏）。为用户指定管理员角色或者普通用户角色，实现功能上的权限控制，管理员角色可以增减用户、更改用户权限等，普通用户没有这些功能；为用户指定行政区划，实现数据上的权限控制。管理员角色可以查看所有市级、区县级红线数据，普通用户只能查看市级或市级及用户所在区县红线数据。图8为管理员角色时的用户管理展示图。

图8 用户管理展示图 （管理员角色）Fig.8 The schematic diagram of user management（The role of administrator）

3 结论与讨论

生态保护红线是我国目前为保护生态环境做的一项重要工作，为了切实管理好大面积的红线范围，保障红线区域内生态功能不降低，急需对红线区域进行科学有效的管理。本研究构建了生态保护红线空间管理系统，从系统设计到功能实现都切实考虑了目前生态保护红线在管理和应用方面的需求。系统主要突出5个方面的作用：（1）可以直观地查看红线数据的空间分布情况、属性信息等；（2）可以方便地判别某个点/线/面是否在红线范围内，对于监察、环评审批等实际工作具有重要作用；（3）叠加过程的结果可以导出为Word文件，此文件可以作为相关人员审查的依据，有效地促进相关工作；（4）系统允许对区县红线数据进行实时更新，有效避免数据滞后的问题，极大促进系统使用的时效性；（5）用户分层次管理可以有效避免数据上传混乱、数据被篡改、用户被无故删除等情况出现。

生态保护红线空间管理系统目前是初次进行研究，功能方面目前主要是通过对重庆市各部门/区县进行对接的情况下进行完善，功能还不够完善，需要通过长时间的使用后反馈来进行不断补充修改。重庆市生态保护红线空间管理系统不具有唯一性，它可以适用于其他省 （直辖市），因此对于其他省 （直辖市）来说具有很好的参考价值。另外管理系统在项目落地、环评审批、生态环境监察等实际部门工作中已体现出优势，可以有效地促进相关工作科学高效地完成。

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责任编辑：余友清

Application of Spatial Management System for Ecological Protection Red Line in Chongqing

ZHU Kangwen1,LEI Bo1*,HE Jun1,LIU Deshao2,LI Jian3
（1.Chongqing Academy of Environmental Science,Chongqing 401147,China;2.Chongqing University of Science&Technology, Chongqing 401331,China;3.Chongqing Municipal Environmental Protection Bureau,Chongqing 401147,China）

In view of the lack of ecological protection red line management,and under the premise of considering the actual problems of red line management,the writers of this article,on the basis of GIS platform,using B/S mode,construct an ecological protection red line spatial management system based on Service Oriented Architecture and GIS application framework.The management system highlights its role in the following four aspects:(1)realizing functions of operating basic map,displaying and inquiring the information about attribute of ecological protection red line and spatial position;(2)deciding if a certain spot,line or surface is within the red line and forming discrimination report in the format of Microsoft word,which is of great significance to surveillance and approval of environment assessment and other practical work;(3)promoting the efficacy of the system by updating real-time red line data about districts and counties so as to avoid data hysteresis effectively;(4)preventing such problems as confusion of data uploading,data tampering and deliberate deletion of users by hierarchical management of users. The system is not unique to Chongqing and is of great reference value to other provinces or municipalities.Meanwhile,the advantages of the system has displayed in project landing,environment impact assessment approval,ecological and environmental monitoring.It is believed to promote the efficiency of the relevant work effectively.

Chongqing;ecological protection red line;spatial management system

X144

：A

：2096-2347（2017）02-0001-08

10.19478/j.cnki.2096-2347.2017.02.01

2017-04-25

重庆市环境保护局重大科技项目 “重庆市生态功能红线划定”；应用生物完整性指数评价三峡库区支流水生态系统健康及关键指示物种筛选研究 （2016-hky-jcjy-01702）

朱康文 （1990-），男，湖南张家界人，工程师，主要从事GIS应用、生态红线、生态评估研究。E-mail：zhukangwen0927@163.com

*通信作者：雷波 （1978-），男，四川自贡人，高级工程师，主要从事生态环境研究。E-mail：leilibo@hotmail.com