长江经济带生态系统健康预警可视化平台构建及应用

王瑞兵, 曹 鑫,贺光秀,姚 尧,李 媫,周李磊

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074；2.重庆交通大学 建筑与城市规划学院,重庆 400074)

1 引言

人类赖以生存的生态环境是一个不断变化和继承的系统，而变化或进化，既有积极的(进化)，也有消极的(退化)[1]；变化或进化的原因既有自然过程的影响，也有人类活动的影响和干扰[2]。通过构建指标，带入模型进行生态健康评价从而为生态健康维护提供辅助决策。

预警可视化平台指通过基础数据，运用一定模型对未来发展趋势及演化做出评估，并最终以可视化形式在WebGIS平台呈现。预警平台国内多以生态安全预警为主，其他风险预警为辅进行预警，如王妍婕等对监测平台进行研发，平台由基础设施支撑系统、实时监控监测站点、综合数据库、预警分析管理平台多个部分组成。实现鄱阳湖湿地生态环境数据时空信息的集成、共享和高效利用[3]。在数据可视化中，国内外大多以单一的JavaScript开发包作为数据的显示，如王占越从不同尺度上评估和展示全国林业生态安全状况，基于Cesium三维球体开源软件研发了林业生态安全指数可视化展示系统[4]。

当前国内研究中，生态安全可视化平台的研发已经成熟，但是针对生态健康预警评估以及可视化的研究比较少，本次可视化平台构建遵循信息化开发规范、规程，进行系统平台服务接口、功能模块及系统安全策略集成框架设计，以生态风险精准感知数据库为基础，研发以自然干扰、人为干扰监测模型、生态系统状况评估模型、生态风险预警模型等为技术手段，以生态风险信息识别和生态风险智能预警为核心内容，建设长江经济带生态系统健康智能预警平台，并进行业务化运行应用示范。

2 长江经济带生态系统健康预警平台构建

2.1 长江经济带生态系统健康预警集成框架设计

重庆市复杂环境生态风险预警平台依托精准感知数据库，对数据进行收集、整理并转换和存储历史数据和调查数据；预警平台使用正态云模型将背景数据和预测数据进行处理完成生态安全预警和成果发布。

开发模式采用C/S和B/S混合开发，Web端主要进行前端的展示与数据的整合，B/S开发主要用来对地图服务的发布和维护、瓦片地图的整合进行开发。

2.2 系统总体构架

构建长江经济带生态系统健康可视化平台，并通过阿里云短信服务实现预警。通过服务器环境配置，搭载平台运行所需要的开发包，结合模型所做的结果，将健康情况以专题图的形式发布成WebGIS服务，通过OpenLayers进行地图服务解析以达到地图数据的展示；通过ECharts开发包，使用AJAX技术将统计数据在前端以交互的方式进行展示；前端使用Flex布局，将功能集成在Tomcat发布的Web服务中，实现多端适配以及大屏展示；预警方面，通过申请阿里云API，调用短信接口，设定提醒参数，实现短信云预警(图1)。

图1 系统总体构架

3 长江经济带生态系统健康预警平台研发

3.1 展示系统搭建

(1)服务器。云平台监控初始服务器可以先装配在私人电脑端，到后期视情况会投放到阿里云、腾讯云、码云等云平台实现云监控。

(2)数据更新。通过网络爬虫技术，与相关网站合作，获取网站实时获取构建的指标体系中的数据，做到数据能够实时更新。

(3)交互型数据显示。地理数据显示：通过百度地图、谷歌地图或高德地图提供的API接口，从优选择，对地理数据进行展示和交互。统计数据显示：通过ECharts、Highcharts或Python的Pyecharts包进行数据的交互型展示(图2)。

3.2 预警系统搭建

(1)即开即用。当系统搭载到云平台，只需一个URL即可访问云平台，从而实现多设备、无缝访问。

(2)灵活预警。通过搭载云平台所提供的接口，可以实现短信、邮件的方式推送，也可以推送到指定的WebHook、消息队列、函数计算、日志服务中，方便将报警信息集成到运维系统中(阿里云平台)[5]。

4 长江经济带生态系统健康预警平台应用

首先设计长江经济带生态系统健康智能预警集成框架，对应用层、服务层、数据层和支撑层进行设计，然后进行整个平台的研发[6]，具体步骤如下。

步骤一：设计支撑层和数据层。根据平台开发需求，选择好支撑层的软件和硬件，设计好开发流程，对底层环境和结构进行学习并依据平台需求进行支撑层和数据层的设计，对整个指标体系的数据设置合适的字段和数据格式，设计地理数据发布规范。

步骤二：设计服务层和应用层。根据平台的功能需求和可扩展性，充分考虑到预警和可视化之间的协调，设计好服务层和应用层。

步骤三：平台开发。多调试WebGIS相关项目源代码，不断学习各种可视化技术，以达到预期目标。

图2 前端平台搭建

4.1 后台搭建

系统具备大屏展示、响应式布局、海量空间数据高效管理等特性，为生态健康监测提供状态展示、历史统计、趋势预测、等级占比、指标权重等一系列数据展示来辅助决策；同时提供正态云模型的隶属度计算，为生态健康评估提供模型支撑。

数据层：为展示平台搭建基础数据库，主要提供地图服务数据与统计数据，地理数据主要包括矢量数据和栅格数据，用于共享的数据采用GeoServer进行发布，其他地图服务通过ArcGISServer进行封装[7]；统计数据主要分为三个层面：自然数据、经济数据、社会数据，通过MySQL建立个人数据库进行存储[8-9]，专题数据以文件方式存储。

平台层：主要提供生态健康评价结果、各种指标统计结果，并将结果以AJAX技术异步传输到前端；同时，该平台提供指标数据趋势预测与更新机制，通过Python提供的网络服务包对网页部分数据进行替换，以实现数据库的实时更新，提高数据的现势性。

服务层：是整个系统的连接层，主要负责数据的传输，作为持久层，为前端提供数据交互，同时整合后端数据，实现数据的联通和转化。

应用层：对网页提供功能进行模块化整合，实现操作简易化和流程化，为生态安全决策辅助依据(表1)。

表1 后台搭建所需软件工具

4.2 前端搭建

4.2.1 服务器配置

4.2.1.1 Tomcat

Tomcat是Apache 软件基金会中的一个核心项目，运行环境需要一定的配置，由于其稳定性和开放性，经常配合一些开源网页开发包进行使用，在本次可视化平台开发过程中，主要通过其进行网页服务的发布。

在配置过Java 1.8环境之后，对Tomcat进行安装，并设置8080端口号，在webapps文件夹中装载主要网页服务文件之后，启动Tomcat，并设置防火墙，即可通过外网访问开设端口，并进行网页服务。

4.2.1.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server 是ESRI 发布的提供面向Web 空间数据服务的一个企业级GIS软件平台，提供创建和配置GIS应用程序和服务的框架，这样可以满足不同客户的各种需求[10，11]，在本次可视化平台开发过程中，主要通过其进行地图服务的发布。首先安装ArcGIS License，然后安装ArcGIS Server 10.4，通过设置初始用户和密码，在开设端口6080中进入系统界面。在系统界面可以进行地图服务的相关操作，其中包括服务的启动、载入、删除、停止等。

发布之后的服务均通过arcgis/rest域名进行访问，在该域名下存储所有发布的地图服务，通过相关链接解析，即可得到地图数据，并以瓦片形式展示。

4.2.1.3 ECharts开发包

ECharts是一款由百度进行开发，并最终捐赠给Apache进行开源的数据可视化开发包，它同时具备美观性和交互性，在本次可视化平台开发过程中，主要进行统计数据的展示与交互。

由于网络包引用CDN效率低且有一定的安全风险，所以在本次可视化平台开发过程中，将ECharts开发包部署在服务器，通过服务器的访问，可以有效降低风险，提升网页运行效率，ECharts的开发包可以通过Tomcat进行发布，也可以通过Windows Server2016系统中的IIS进行发布。

4.2.1.4 OpenLayers

OpenLayers是一个用于开发WebGIS客户端的JavaScript包[12]。开发者可以通过使用该开发包对地图服务进行解析，实现基础空间地理操作。在本次可视化平台开发过程中，主要进行地图服务的解析与图层控制等，其主要解析的地图服务是ArcGIS Server 10.4所发布的地图服务[13]。

4.2.2 地图服务发布及统计数据展示

通过在catalog中连接ArcGIS Server服务器，进行远程操作，并在ArcMap中进行地图服务发布，通过Analysts进行地图信息矫正和格式规范统一，最后Publish发布到远程服务器。

本次可视化平台开发过程中，前端展示采用六个统计图表进行统计数据展示，其中包括：生态系统健康统计柱状图、生态系统健康趋势折线图、等级划分占比环状图、指标权重柱状图、生态系统健康地区折线图、云计算权重扇形图。这六个统计图均采用ECharts所提供的开发包进行开发，实现了AJAX数据异步传输和jQuery的数据交互展示。

4.2.3 数据更新与预警

(1)Python字符串更新。对于字段统计数据，使用Python提供的网页服务包进行字符串更新操作，在代码中设置数据源与更新周期进行数据替换，地理数据通过ArcMap操作并发布新版本来替换原始数据，实现地理数据更新。

(2)阿里云短信预警。在预警方面，首先专题图的更新提供数据调用接口，通过阿里云中的短信通知功能，监测调用的生态风险结果，当达到预警值即可进行短信通知(图3)。

5 结语

本文构建复杂环境生态风险预警可视化平台，通过ArcMap将地图发布出来，便于监测平台调用该地图，以实现在线地图服务，同时借助jQuery、Flex、AJAX等底层技术进行平台前端框架的实现。通过生态风险统计柱状图、生态风险趋势折线图、等级划分占比环状图、指标权重柱状图、生态风险地区折线图、云计算权重扇形图共计六类统计图表对统计数据进行可视化展示。通过Python软件，实现了监测平台统计数据的自动更新功能；同时借助ArcMap软件，实现人工的地图服务更新功能。该平台还具有较为完备的预警功能，通过阿里云中的短信通知功能，监测调用的生态风险结果，一旦达到预警值，平台便可发出短信通知，实现短信预警功能。

图3 平台界面