基于空间分析的河长制信息化系统GP服务研究

潘志军，谈 震，杜 政，王胜凯

(1.杭州市南排工程建设管理处，杭州 310020；2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211106)

河长制是以各级党政主要领导担任辖区某条河流河长，履行治理与保护责任的一种行政管理形式[1]。2016年10月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面推行河长制的意见》，标志着河长制已从当年应对水危机的应急之策，上升为国家意志，并将成为河湖管护的长效机制[2,3]。但由于河道管护工作对象复杂、范围广泛、任务繁重，仅靠河长和工作人员“靠腿跑、用眼盯”的执法手段，无法实现常态化、制度化的巡查和监管，必须运用信息化手段升级河长制，打造河道保护监管利器，提高河道保护水平[4]。

河长制信息化系统有着庞大的用户群体，包括各级河长、河长办工作人员及社会公众。用户在系统使用中无时无刻不在产生位置数据，如何实现位置数据与河流的自动关联，是我们面临的一个难题。这需要服务器后台提供强大的GIS空间分析服务支持，地理处理(Geoprocessing，简称GP)作为一种全新的地理数据处理概念，是一种对已有数据进行操作产生新信息的途径[5]，基于Web的GP服务能够实现强大的空间分析功能，为用户提供所需要的空间分析功能，而不会受到GIS平台、地点等限制[6]，本文在河长制信息化系统中开展了GP服务的探索研究。

1 河长制GP服务的总体思路

本文的研究核心是基于河长制空间数据开展GP服务的数据处理、模型构建、服务发布与服务调用，为河长制信息化系统用户提供可靠准确的GP服务。通过GP服务，河长巡河时可随时随地根据其位置查询到附近的河流、河段及排污口等监测站点，对工作人员进行位置打卡考核，工作人员必须到达所负责水域空间范围内才可执行巡河计划，社会公众上报投诉事件时，实现事件位置与河流的空间关联，见图1。

河长制信息化系统GP服务主要分数据、模型、服务、应用4个层次。数据层为河长制信息系统所需要查询的各类空间数据，河长制空间数据包括河流、湖泊等基础信息，排污口、取水口、水质站、等周边信息，河长巡河、公众投诉等业务信息；模型层选用了缓冲区分析模型和空间叠加分析模型，缓冲区分析为河长制空间数据构建对应的空间范围，空间叠加分析是将用户地理位置与河长制空间数据进行叠加，获取用户周边的空间信息；服务层以数据为输入，以模型为工具，以获取用户周边空间信息为结果，形成地理处理工作流，发布为GP服务；应用层调用GP服务，提供空间信息查询、分析等功能，为巡河管理、公众监督等河长制系统应用提供支撑。

图1 原理框架图Fig.1 The schematic frame diagram

2 河长制GP服务的关键技术

2.1 空间分析

空间分析是利用计算机对数字地图进行分析，从而获取和传输空间信息[7]。空间分析是GIS的核心和关键功能之一，目前已经在水污染监测、洪水灾害分析、城市规划与管理、地震灾害和损失估计、地形地貌分析等领域得到了广泛应用[8-10]。例如在水污染治理现状评价工作中，可将地理信息与水质监测数据结合在一起，利用GIS软件空间分析模块，对整个流域的水环境现状进行客观和全面的评价，以反映出流域水污染程度和空间分布情况。

空间分析从数据模型可划分为拓扑分析、属性分析和拓扑与属性的联合分析。拓扑分析包括旋转变换、比例尺变换、二维及三维显示、几何元素计算等；属性分析包括数据检索、逻辑与数学运算、重分类、统计分析等；拓扑与属性的联合分析包括叠加分析、区域分析、邻域分析、网络分析、空间内插等[11]。考虑河长制信息化系统的实际需求，本文选用了缓冲区分析和叠加分析作为河长制GP服务主要空间分析模块。

2.2 缓冲区分析

缓冲区分析是指为了识别某地理实体或空间物体对其周围的邻近性或影响度而在其周围建立的一定范围的区域。从数学的角度看，缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径R决定[12]。缓冲区分析的常见形式包括点状要素缓冲区分析、线状要素的缓冲区分析以及面状要素的缓冲区分析(见图2)。对于多要素对象，常见的缓冲方法包括等半径缓冲、属性权值缓冲和分级缓冲等，分级缓冲区分析法一般用来分析空间要素不同缓冲半径内的空间特征[13]。

图2 缓冲区常见形式Fig.2 The common forms of buffers

缓冲区分析可以很好的应用到河长制业务应用中，通过缓冲区分析，可显示水质污染源的影响范围；在河流、湖泊、水库和小微水体周围建立缓冲区，可对缓冲区内社会经济信息、水利环保监测信息、防洪救灾信息等要素进行统计，估算缓冲区面积，为河长制的指挥调度提供决策支持。

2.3 叠加分析

叠加分析是将同一地区、同一比例尺的两组或更多的专题图层进行叠加，建立具有多重地理属性的空间分布区域，进行叠加产生一个新的数据层的操作，其结果综合了原来两层或多层地图要素所具有的属性，从而满足用户需求和协同决策的一种方法。GIS中的叠加分析包括基于矢量数据的叠加分析和基于栅格数据的叠加分析两大类。根据叠加对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠加、线与多边形的叠加和多边形与多边形的叠加3种类型[14]。

本文采用的是点与多边形的叠加，将河长制系统用户的GPS位置与构建好的河流多级缓冲区进行叠加分析，若叠加分析产生新的要素图层，就判定用户处于河流多级缓冲区内，通过新要素图层中的河流属性信息获取用户所在的河流河段，原理图如图3所示。

图3 叠加分析原理图Fig.3 The schematic diagram of superposition analysis

2.4 GP服务

地理处理是一种能够创建并执行GIS任务的方法。通过地理处理可将一系列工具以流的方式组织为集成度更高的GIS工具，避免大量重复性工作从而提高效率。地理处理工具用于实现特定GIS任务，可分为系统工具和自定义工具两种，系统工具就是ArcGIS提供的内置工具，自定义工具则包括Model Builder建立的模型工具、Python脚本语言创建的脚本工具和开发人员创建的定制工具3种类型[15]。

GP服务是在Web端组织地理处理工具并以GIS服务的形式实现GIS任务的一种方式。它包含一个或多个地理处理任务，任务使用在Web应用层中捕获的数据并通过地理处理工具对其进行一系列的计算、分析与处理，返回有意义的输出数据，使用GP服务以很少的代码完成一个复杂的操作[16]。

3 河长制GP服务的实践应用

3.1 河长制空间数据处理

依据上述河长制GP服务的总体思路，首先对河长制空间数据进行预处理，原始河长制空间数据包括水质站、排污口等各类监测站和河流、湖泊等水体，分为点、线、面多种数据组织形式。而用户的地理位置为点数据，本文采用的是点与多边形的叠加分析，现有数据无法实现叠加分析，因此我们对原始河长制空间数据进行了缓冲区分析，缓冲区半径由监测站、水体的管理等级和GPS定位偏差决定，图4为各级河流经过缓冲区分析后生成的多级缓冲区，邻域半径分别为市管河流1 000 m、县管河流800 m、乡管河流500 m。

图4 河流多级缓冲区分布图Fig.4 The distribution map of multi-level buffer zone of river

3.2 河长制GP模型构建与发布

河长制GP模型构建是根据用户空间查询、分析的需求，利用可视化的GP 模型处理工具-ModelBuilder，将简单的GP 工具和数据串联，完成河长制GP模型的构建，根据图5所示，首先获取用户的实时位置数据，并将文本数据转换为空间数据，与河长制多级缓冲区数据进行叠加分析，结果综合了用户位置数据和河长制多级缓冲区数据所具有的属性。通过叠加的结果可以获取用户所在位置的监测站、水体信息。

构建好的河长制GP 模型只能在本地实现应用分析，要实现河长制GP模型功能的WEB 调用，则需要将GP 模型发布成GP服务。在ArcCatalog中，打开建好的模型工具箱并运行获得运行结果，然后以共享的方式进行服务发布，接着在服务编辑器中设定服务的各类参数，GP 服务的执行有两种方式，同步和异步，同步的调用方法为execute，异步的调用方法为SubmitJob，考虑到河长制GP服务需要长时间运行，而异步调用主要用于长时间运行的服务，因此将服务调用参数设定为异步调用，最终分析无误后完成服务的发布。

图5 河长制GP模型 Fig.5 GP model of river chief

3.3 河长制GP服务调用

本文采用ArcGIS API for JavaScript实现GP服务的调用，用户将获取所在位置河流河段信息的请求发送到Web服务器，Web服务器将用户的位置信息转换为json格式，并通过ArcGIS API for JavaScript调用ArcGIS Server 上的河长制GP服务，在ArcGIS Server 上完成数据的空间分析与处理，最后Web 服务器将分析与处理的结果发送到用户，从而实现了河长制GP服务的调用。

图6为河长制GP服务在微信公众号上公众投诉模块的具体应用，用户点击公众投诉，系统自动定位用户所在位置并获取周边的河流河段及相关信息，用户只需填报投诉内容，系统根据所在水域的河湖等级将投诉事件自动分发给对应河长办和河长，实现投诉事件的自动流转，提高了投诉事件的处理效率，同时用户可实时查看事件的处理进度，实现了移动化办公(见图6)。

图6 GP服务在公众投诉中的应用Fig.6 The application of GP service in public complaints

4 结 语

本文对GP 服务在河长制信息化系统的应用进行了探索，在河长制GP服务共享过程中，建立合适的GP 模型并将模型发布为GP 服务是一种非常有效的方法，有利于地理处理分析的共享应用。通过河长制GP服务，实现了海量位置数据与河流河段的自动关联，让河湖管护过程中的问题、事件，定位更精准、检索更直观、流转更智能、执行更高效。