基于WebGIS的生态红线服务平台构建

高倩影，李胜，李亮，何鑫，应国伟

(自然资源部第六地形测量队，四川 成都 610500)

1 引 言

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[1]，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线[2]。划定生态红线后，严格监管至关重要。由于生态保护红线监管过程中需要多部门数据支撑，往往面临着数据格式不一，集成程度低下，无法有效为生态红线监管提供有效的决策支持。

目前，多个省市已构建了多种生态保护红线服务平台，其中，镇江市搭建了基于移动GIS的镇江市生态保护红线监管系统，实现了生态保护红线信息查询、督察点位分析、导航定位、法规宣传等功能[3]；安徽省搭建了基于WebGIS的生态保护红线综合查询系统，提供相关数据信息存储、管理、维护和共享服务[4]；贵州省搭建了生态保护红线云GIS监管平台，解决了生态保护红线空间数据的分布式存储、规范化管理、快速发布及拓展应用等问题[5]；重庆市研发了生态保护红线空间管理系统，实现了生态保护红线空间与非空间数据一体化管理和数据共享[6]。上述平台侧重于数据的存储、管理，在生态红线数据的可视化和评价分析方面存在着不足。B/S架构的WebGIS既有传统GIS的技术优势，兼有Web的分布性、扩展和维护简便、开发简单以及共享性的优势[7，8]。本文从生态保护红线监管的需求出发，提出了一种基于WebGIS的生态红线监管服务架构，整合多源异构数据，实现数据的二三维一体的可视化和互操作，实现遥感监测数据的集成分析与综合应用，支撑生态保护红线监管体系建设。

2 系统构建目标

从生态保护红线监管需求出发，结合WebGIS技术，整合测绘基础地理信息数据、国情监测数据以及各类气象、水文数据以及人口、草地等统计数据，建立生态保护红线矢量数据库、栅格数据库、专题数据库，并提供数据融合接口，整合多源异构数据。通过集成分析和监测分析，精准掌握生态红线区域现状和变化情况，为监管部门提供辅助决策支撑和数据服务。

3 平台设计与构建

本平台以数据为核心，包括数据融合、数据管理、集成分析、监测分析等模块，整个流程如图1所示。

图1 系统流程图

3.1 平台总体架构

平台基于WebGIS技术，构建了一个B/S模式的服务平台，采用四层结构模式：基础设施层、基础数据层、数据管理层、应用服务层(图2)。

图2 系统总体结构

(1)基础设施层主要是指支撑平台建设的软硬件装备，包括服务器、网络设备、存储设备等。

(2)基础数据层主要是指生态保护红线相关的各类数据，包括基础地理信息数据、地表覆盖数据、遥感影像数据、专题数据等。

(3)数据管理层是将基础数据层的数据划分到生态保护红线矢量数据库、生态保护红线栅格数据库、生态保护红线专题数据库3大数据库进行管理。

(4)应用服务层主要是指依托生态保护红线遥感监测平台提供的应用服务，包括数据融合、数据管理、集成分析、监测分析。

3.2 平台数据库设计

平台数据主要包括矢量数据、栅格数据和文本数据三种类型，如图3所示。

图3 生态保护红线基础信息数据库组织方式

(1)矢量数据：主要包括基础地理信息数据、地表覆盖数据、人类活动干扰影响程度评价数据等空间数据。利用PostgreSQL提供的空间数据存储模型geometry进行存储管理。

(2)栅格数据：主要是多期遥感影像数据，生物多样性、水源涵养、土壤保持等生态功能评价数据。利用ArcServer对栅格数据进行切片，按时序信息以标准地图服务的形式进行发布，从而提高数据访问效率。

(3)文本数据：主要包括各类气象、水文数据以及人口、草地专题等统计数据，采用关系数据表的形式进行存储。

如图4所示，O点为某时刻波束中心指向T，在经过一个波束扫描步进后，定点聚束方式下，飞机运动到B点，而滑动聚束方式较定点聚束波位驻留时间长，在经过一个波束扫描步进后，飞机运动到A点，波束中心指向T1，波束在地面滑动了一段距离：

3.3 平台功能设计

根据平台的设计目标，生态保护红线遥感监测平台功能可分为数据融合、数据管理、集成分析、监测分析四大模块，如图4所示。

图4 系统功能结构图

数据管理：模块对生态保护红线相关数据的查询、量算、展示与导出，包括图层管理、视图操作、二三维管理、样式编辑、地图查询、地图测量、数据导出等子模块；

数据融合：模块主要包括参数求解、坐标转换、数据导入、数据提取四大子模块，支持四参数、六参数以及七参数的参数求解和坐标转换，常见坐标系的投影变换，以及文本数据、Shapefile数据、标准地图服务数据的导入以及json、excel、csv、pdf、shp格式的数据导出。

集成分析：模块主要实现生态保护红线区的生态功能评价与人类干扰活动影响程度进行评价，包括生态功能评价子模块与人类活动干扰影响程度评价子模块，通过人工设定生态功能评价和人类活动干扰影响相关因素的权重，生成生态功能评价和人类活动干扰影响程度评价结果。

监测分析：是对多个时期的数据进行展示，包括对比分析子模块与统计分析子模块。对比分析主要对于不同时期的生态保护红线基础信息数据采用卷帘或者双屏联动的形式进行对比展示分析，包括多时期遥感影像、地表覆盖、评价结果的对比分析。统计分析包括统计图表、时序图表以及人类活动信息报表3个子模块：

(1)统计图表主要是结合Echarts对区域内的人口、降水、大气、草地等各类文本数据以及地图字段查询结果采用统计图表的形式进行展示，并支持拖拽重计算、图表间交换数据等操作。

(2)时序图表是对于时序空间数据以时间为顺序进行展示：点击播放按钮顺序展示数据，也可以拖动时间条查看特定时间点的数据。设置图层，对数据以分层设色的形式进行渲染，以时序的形式进行展示。

(3)人类活动信息报表是根据字段进行查询，生成对应区域的人类活动信息报表，并将人类活动影响区域的影像进行截图。首先制作Jasper Report报表模板，对待查询区域的图层、字段进行选择，并设置逻辑运算字段和数值，将查询结果写入报表模板。用户设置查询条件后，生成人类活动信息报表，选择导出格式(包括docx、pdf、xlsx)导出报表。

4 核心功能实现

根据本文提出的设计方案和架构，以若尔盖县为示范区，实现生态红线服务平台，并应用于若尔盖县林草局日常工作。采用IntelliJIDEA开发业务逻辑核心代码，以JDK1.8为编程环境，后台框架选用SpringBoot，数据库设计采用PostgreSQL，利用Html、CSS编程构建网站，采用ArcGIS Server搭建数据库服务，采用JavaScript、Java编程，实现网络环境下的生态红线服务系统。

4.1 二三维一体化场景构建

生态保护红线的监管需要全方位立体地对各类数据进行挖掘，地形数据结合影像数据可以多视角、全方位、多层次地对地形、地貌信息进行可交互式表示。系统对高程数据进行地形切片，对遥感影像数据进行分级切片，并发布为WMTS(Web Map Tile Service，瓦片地图服务)，结合ArcGIS for JS框架，影像叠加高程数据实现地形级三维可视化，如图5所示。

图5 三维场景展示

4.2 生态功能评价

在生态保护红线的监管过程中，需要对生态功能进行评价。如图6所示，平台内置了生态功能评价模型，从生物多样性、水土保持以及水源涵养三个方面对生态功能进行评价。用户对这三个方面的权值进行设置，平台将评价结果进行发布，在页面中进行展示。用户可以在线进行专题图生成，用于生态分析报告。

图6 生态功能评价

4.3 人类活动干扰评价

人类活动对生态环境的干扰往往最为明显。平台内置了人类活动干扰模型，用户对各种人类活动数据权值进行设置，生成人类活动干扰评价结果(图7)，并可以通过用户上传的数据对不同时期的数据进行比对分析，生成人类活动数据报表(图8)，详细展示具体人类活动信息的位置以及面积信息。

图7 人类活动干扰评价

图8 人类活动数据报表

4.4 监测分析模块

通过对不同时期、不同数据的对比实现对生态保护红线变化信息分析，如图9、图10所示。

图9 地图卷帘

图10 时序统计图表

5 结 语

基于WebGIS技术，采用B/S结构开发的生态红线服务系统，具有部署简便、共享性高、通用性强的特点，实现了数据融合、数据管理、集成分析、监测分析四个模块功能，构建基于“数据-评价-分析”的生态保护红线遥感监测体系，平台通过网络的形式可供多部门共享使用，促进多部门协同管理，为生态保护红线监管提供平台支撑。