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    海岸带陆海统筹“双评价”辅助决策信息系统设计与实现

    时间：2023-06-29 09:45:05来源：百花范文网本文已影响人

    李 磊，黄 垒，王小丹，郑锦娜，彭丽娜，刘 培

    (1.中国地质大学(武汉)国家地理信息系统工程技术研究中心，湖北 武汉 430074；
    2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；
    3.武汉华信联创技术工程有限公司，湖北 武汉 430070)

    “双评价”，即资源环境承载能力评价和国土空间开发适宜性评价，是国土空间规划的基础性工作。海岸带和近海的开发大力促进了沿海经济的发展，也引发出一系列的资源和生态环境问题。

    开展海岸带“双评价”，落实《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督与实施若干意见》，围绕《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》，补充海洋灾害、海水水质、深度、岸线底质等区域特殊因素，统筹农业生产与渔业生产适宜性、城镇建设与港口建设适宜性，实现针对海岸带地区的土地资源、水资源、生态资源、气候资源、环境资源等多要素承载能力以及国土空间开发适宜性双评价，为农业、城镇等功能空间规定空间管控边界，为生态文明提供基础数据支撑以及规划意见，有效地服务于我国沿海地区的国土空间规划编制[1]。

    传统的“双评价”方法使用ArcGIS工具建立海岸带“双评价”模型，通过叠加分析、邻域分析等操作，获得评价结果，流程过于复杂、操作步骤过多、专业性要求较高。因此，亟待开发一套专业的“双评价”系统，简化评价流程，降低专业性要求，满足政府、专业人员和社会公众的需求。

    GDAL是一套跨平台开源库，主要用于空间要素矢量数据的解析和空间栅格数据的读写，具有很好的扩展性和可移植性[2]，能够迁移到.net等语言环境当中，有功能全面的API，使其在其他程序中容易嵌套，所提供的空间数据操作完全可以满足格式转换的需要。空间分析计算是基于地理空间对象和形态的数据分析技术，从一个或多个空间数据图层中获取数据信息，根据指标或者算法获取有关地理现象的空间位置、形态等[3]。分析方式可有多种，如缓冲区分析、空间叠加分析、空间统计分析等。借助于GDAL和空间分析等技术，开发海岸带“双评价”系统，实现各类基础数据一体化管理，完成单指标评价、多指标综合评价及数据资源服务共享。

    1.1 实现思路

    收集海岸带土地、水、气候、灾害等相关数据，构建海岸带“双评价”数据库，依据《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》，结合海岸带区域实际情况，构建资源承载能力和国土空间开发适宜性评价指标体系和评价方法，并对评价模型进行管理，最终通过在线单指标评价和多指标综合评价，实现评价结果的可视化表达(图1)。

    图1 技术流程Fig.1 Technical process

    1.1.1 数据准备

    1) 坐标基准和投影方式。统一采用2000国家大地坐标系(CGCS2000)，高斯-克吕格投影；
    陆域部分采用1985国家高程基准，海域部分采用理论深度基准面高程基准。

    2) 评价单元与计算精度。全国层面，陆域计算精度采用100 m×100 m栅格或50 m×50 m栅格，海域采用200 m×200 m栅格；
    省级(区域)层面，陆域采用50 m×50 m栅格计算精度，山地丘陵或幅员较小的区域可提高到25 m×25 m栅格或30 m×30 m栅格，海域采用200 m×200 m栅格；
    市县层面，陆域优先使用矢量数据，使用栅格采用25 m×25 m或30 m×30 m计算精度，海域可根据实际提高精度(表1)。

    表1 评价单元与计算精度Table 1 Evaluation unit and calculation accuracy

    1.1.2 资源环境承载能力评价

    1) 资源环境要素单项评价。单项评价的对象包含土地资源、水资源、环境、生态、气候和灾害等六类自然要素，针对不同功能指向和评价尺度，构建差异化的评价指标体系。

    2) 资源环境承载能力集成评价。基于资源环境要素单向评价的分级结果，根据生态保护、农业生产、城镇建设等三方面的差异化集成评价方法，综合划分生态指向的生态保护等级，以及农业、城镇指向的承载能力等级，以表征国土空间的自然本底条件对人类生活生产活动综合支撑能力。承载能力等级按取值由低至高可划分为Ⅰ级～Ⅴ级。

    3) 国土空间开发适宜性评价。基于生态保护、农业生产、城镇建设功能指向的资源环境承载能力评价结果，开展国土空间开发适宜性评价。针对评价结果，重点对生态保护极重要区、农业生产适宜区和不适宜区、城镇建设适宜区和不适宜区进行校验，综合判断评价结果与实际状况的相符性，修正结果边界。针对明显不符合实际情况的评价结果，开展必要的现场核查校验与调整，明确生态保护极重要区作为生态保护红线评估和确定的基础，并识别未来适宜农业生产和城镇建设的潜力空间。

    4) 综合分析。在系统开展资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价的基础上，进行资源环境禀赋分析、问题和风险识别、潜力分析和情景分析，确定城镇、农业、生态空间，划定生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界，支撑国土空间规划多方案决策，科学合理编制空间规划。

    1.2 技术框架

    从系统架构层面，海岸带“双评价”系统的技术框架从下至上分为数据层、应用支撑层、应用层。数据层基于PostgreSql、MySQL实现业务数据的持久化高效存储。应用支持层是业务应用系统开发的重要工具，为业务应用系统开发和运行提供安全保障、服务管理、公共开发组件库、应用组件库、数据管理工具、数据交换共享工具以及大数据分析工具，为业务应用系统开发和运行提供基础支撑。应用层基于MVC框架实现Web应用的开发，用于用户交互及数据显示。技术框架图如图2所示。

    图2 海岸带“双评价”系统技术框架Fig.2 Technical framework of the “double evaluation” system in coastal zone

    1.3 数据流程

    系统数据流主要分为读入数据库内的数据、调用数据库数据对数据进行评价分析和评价分析后对数据的输出采用直观图的形式表现出来。

    读入数据库内的数据分为空间数据和业务数据。空间数据直接由空间数据管理系统转换入库；
    业务数据可分别录入Excel表格，在系统的数据管理中分别导入。可利用数据管理新增功能录入系统的数据库进行对应导入，也可通过ETL进行数据的同步。调用数据库内的数据信息，通过单项评价、集成评价、数据裁剪等处理，输出评价分析成果图，并将结果发布返回客户端展示到地图(图3)。

    图3 数据流程Fig.3 Data flow

    1.4 关键技术实现

    1.4.1 多源数据采集及存储

    对于系统使用的各类数据分析其数据源与数据格式，设计对应不同来源数据的数据采集工具或采集方案，确保平台可实时获得最新以及正确的数据。对于数据存储按数据格式建立基础属性数据和文件存储服务，建立数据元数据，以及与系统业务库组成平台统一的综合数据库，实现“多源采集、 统一存储”[4]。

    1.4.2 基于GDAL和空间分析计算的评价算法概化及功能实现

    基于GDAL和空间分析计算技术， 对于不同类型评价计算流程、计算方法高度概化，设计统一的操作流程，简化系统操作复杂度，同时确保系统功能完备，使用灵活，满足用户对单因子评价、多因子综合评价等业务需求；
    设计相应的软件框架以及架构对功能实现[5]。

    1.4.3 评价成果可视化及服务共享

    使用WebGIS技术，对评价成果可视化展示，设计专业数据可视化展示系统，满足大屏、桌面、平板操作浏览，结合标准OGC服务，以接口的方式对成果发布共享。

    2.1 指标体系构建

    根据资源环境承载力评价和国土空间开发适宜性评价的特点，参考《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》，从生态保护、农业生产、城镇建设等三方面梳理生态、土地资源、水资源、气候、环境、灾害、海洋、区位等各方面的影响因子，构建海岸带“双评价”指标体系框架，根据指标体系框架、不同区域功能定位和各种资源环境问题状况，构建差别化的指标体系库，具体的指标体系见表2。

    表2 资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指标体系Table 2 Evaluation index system of resource and environmental carrying capacity and land space development suitability

    2.2 系统功能设计

    海岸带“双评价”系统实现“双评价”基础数据资源的统一管理和共享。通过构建统一的GS评价模型和算法，辅助业务人员完成在线评价分析、发布、下载工作；
    系统还具备技术指南和评价模型共享功能，将工作方法、成果设计等提供用户参考使用。主要由专题首页、数据资源、在线评价工具、标准指南等四大功能模块组成。

    2.2.1 专题首页

    专题首页包括基础数据、土地资源类、水资源类、承载力综合评价、适宜性评价等数据资源类别数据统计和在线评价工具及标准指南数据统计。

    2.2.2 数据资源

    数据资源主要管理已入库的数据以及评价分析后发布的结果数据，对基础数据、土地资源类、水资源类、生态环境类、环境质量类、自然灾害类、承载力综合评价、适宜性评价等多源数据进行统一管理，提供数据资源目录，并提供数据元数据信息，支持数据在线浏览、下载和标准OGC服务。

    2.2.3 在线评价工具

    在线评价工具主要提供在线评价分析功能，通过多源数据的融合，综合评价模型进行在线评价计算。在模型计算时，后台进行数据处理计算、多源数据融合等，以保障国土空间规划基础分析评价成果的持续输出，最终进行评价成果的可视化表达。

    1) 基本工具。基本工具包括裁剪和栅格统计。裁剪用于指定的范围作为模具来剪切掉要素类的一部分；
    栅格统计用于在指定范围内统计栅格数据要素类的属性信息。

    2) 基本模型。基本模型将GIS中常用的坡度分析、缓冲区分析、焦点统计、重分类和地形起伏度分析算法进行打包，提供双评价系统进行使用。坡度分析用于判断栅格数据表面各像元中的坡度；
    缓冲区分析根据分析对象的点、线、面实体，自动建立其周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或者主体对邻近对象的辐射范围或者影响程度；
    焦点统计用于计算输出栅格数据的邻域运算，各输出像元的值是其指定邻域范围内所有输入像元值的函数，运算该函数可得到统计数据，例如最大值、平均值或者邻域范围内所有值的总和；
    重分类对原有栅格像元值重新分类从而得到一组新值并输出；
    地形起伏度分析基于栅格精度为30 m×30 m的格网，通过栅格与邻域栅格的高程差计算地形起伏度。

    3) 评价分析。评价分析根据技术指南，将单要素评价、集成评价和适宜性评价算法进行打包，提供系统进行评价调用。单要素评价开展生态评价、土地资源评价、水资源评价、气候评价、环境评价和灾害评价。集成评价基于单项评价结果，开展集成评价，优先识别生态系统服务功能极重要和生态极敏感空间，基于一定的经济技术水平和生产生活方式，确定农业生产适宜性和承载规模、城镇建设适宜性和承载规模。适宜性评价通过集成评价，将生态保护重要性划分为高、较高、中等、较低、低等五级，将农业生产、城镇建设适宜性划分为适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜、不适宜等五级。

    2.2.4 标准指南

    向用户共享“双评价”的技术指南和评价模型，对“双评价”的技术指南和评价模型进行详细介绍。技术指南主要展示资源环境承载能力与国土空间开发适宜性评价技术指南文件，包括使用范围、规范性引用文件、属于和定义等，供使用者参考和借鉴。评价模型对在系统中使用的资源环境承载能力与国土空间开发适宜性评价模型进行详细分析介绍，包括模型流程计算、矩阵计算等，可以让使用者清晰认识评价模型的构成和原理。

    2.3 系统运行环境配置

    系统部署使用应用服务器、应用支撑服务器、数据存储服务器等三台服务器。应用服务器用于部署海岸带“双评价”系统、RabbitMQ等程序，以及存储地图影像数据；
    应用支撑服务器用于部署GDAL、评价模型等应用支撑软件，也用来存储评价结果数据；
    数据存储服务器用于部署MySQL和Postgres SQL数据库，记录用户操作、影像数据信息等。

    为满足系统运行，服务器的基本配置包括以下部分。

    硬件配置：CPU 8 G内存、CPU 16 G内存、1 T存储空间；
    系统软件：window server2016标准版(64位)；
    数据库：MySQL、PostgresSQL。

    依据总体架构与功能体系，按照前述的技术路线与选型，完成海岸带“双评价”系统的开发与部署。

    3.1 在线评价分析

    在线评价分析工具根据不同的评价指标，选择评价模型、评价数据，设置成果图分级颜色，自动计算结果，并将评价结果存储到空间数据库中，发布并共享至用户。本文以天津市、河北省、辽宁省海岸带市级地区为例进行土地资源评价、气候评价、生态评价和生态保护重要性价。

    3.1.1 土地资源评价分析

    将高程、坡度和起伏度作为影响土地资源等级的主要因素，地势越低平，土地资源等级就越高，表示对城镇建设越有利。

    图4为利用DEM模型，按照≤3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°、>25°生成的坡度分级图。将高程≥5 000 m的区域，城镇土地资源等级直接取最低等级；
    高程在3 500～5 000 m之间的区域，将坡度分级降一级作为城镇土地资源等级。利用DEM数据计算地形起伏度，对于地形起伏度>200 m的区域，将评价结果降两级作为城镇土地资源等级；
    地形起伏度在100～200 m之间的区域，将评价结果降一级作为城镇土地资源等级。评价结果表明，沧州市、天津市、唐山市、盘锦市、营口市城镇建设土地资源较高。

    图4 海岸带城镇建设土地资源评价Fig.4 Evaluation of land resources for urban construction in coastal zone

    图5 海岸带农业生产气候评价Fig.5 Evaluation of climate assessment of agricultural production in coastal zone

    3.1.2 海岸带农业生产气候评价

    将活动积温、多年平均日照时数作为影响农业生产气候评价的主要因素，光热条件越充足，气候评价等级就越高，表示对农业生产越有利。图5为海岸带农业生产气候评价结果，评价方法为[农业生产气候条件]=f([光热条件])，[光热条件]主要通过日平均气温≥0 ℃活动积温反映光照、热量等自然气候条件对农业生产的支撑水平，市县层面可进一步结合多年平均日照时数等自然气候条件衡量气候条件对农业生产的支撑水平。结果表明，营口市、盘锦市、锦州市、葫芦岛市农业生产气候较好。

    3.1.3 海岸带生态系统服务功能重要性

    将水源涵养、土壤保持、防风固沙、生物多样性作为影响生态系统服务功能重要性的主要因素，水源涵养、土壤保持、防风固沙、生物多样性调节功能越强，生态系统服务功能重要性等级就越高，表示其对区域生态安全的重要性程度越高。图6为海岸带生态服务功能重要性评价成果，将水源涵养、土壤保持、防风固沙、生物多样性都分成五个等级，取这四项数据中最高等级数作为生态系统服务功能重要性评价的等级数，划分为高、较高、中等、较低、低等五个等级，即[生态系统服务功能重要性]=Max([生物多样性维护重要性]，[水源涵养重要性]，[水土保持重要性]，[防风固沙重要性])。结果表明，沧州市、天津市、唐山市、盘锦市大部分地区生态服务功能较低。

    3.1.4 海岸带生态适宜性

    将生态系统服务功能重要性和生态敏感性作为影响生态适宜性的主要因素，生态系统服务功能重要性和生态敏感性越高，生态适宜性等级就越高，表示生态保护重要性越高。图7为海岸带生态适宜性评价，取生态系统服务功能重要性，生态敏感性等级的较大值作为生态保护功能指向的承载等级评价，即[生态保护功能指向的承载等级]=Max([生态系统服务功能重要性]，[生态敏感性])。结果表明，沧州市、天津市、唐山市、盘锦市大部分地区的生态适宜性较低。

    图6 海岸带生态服务功能重要性评价Fig.6 Evaluation of importance of ecological service functions in coastal zone

    图7 海岸带生态适宜性Fig.7 Evaluation of ecological suitability in coastal zone

    3.2 计算效率

    以天津市城镇建设土地资源评价、农业生产气候资源评价、生态服务功能重要性评价、生态适宜性评价为例，通过人工评价和使用海岸带“双评价”系统进行评价的计算效率进行对比，对比结果见表3。由表3可知，使用海岸带“双评价”系统进行评价在3 min内可以完成，是人工评价效率的3～5倍，使用海岸带“双评价”系统大大提高了专业人员工作效率，同时也简化了工作流程，降低了专业性要求。

    表3 评价分析效率Table 3 Evaluation analysis efficiency

    基于GDAL设计实现的海岸带“双评价”系统，建立了服务于资源环境承载力与国土空间开发适宜性评价专题的多门类、多空间尺度的综合数据库，可提供满足多层次用户需求的数据资源，直观形象地展示了各种资源环境类型“区”的分布、大小、程度等信息，并实现了空间查询、统计、叠加等功能。参考《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》，选取对应的评价指标体系，实现了利用评价模型对单要素、多要素的资源环境数据进行叠加、运算、评价、成图等空间分析功能，实现不同尺度，单要素、多要素的评价成果展示，为不同尺度的规划提供支撑。下一步将更多地考虑海岸带指标因素，完善评价算法，实现通过自定义模型(即指标的选取和阈值确定可以根据各地实际情况做调整)完成资源环境承载力与国土空间开发适宜性评价。

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