環境影響評價數據處理系統設計與實現

尹 志 恒，甄 艷，羅 浩，周 啟，任 東 宇

(1.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500； 2.自然資源部第三地理信息制圖院，四川 成都 610100)

0 引 言

環境影響評價是中國促進生態環境與經濟社會和諧、可持續發展的重要手段。2018年生態環境部印發《“三線一單”成果數據規范(試行)》，規定了“生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和生態環境準入清單”(以下簡稱“三線一單”)成果數據的內容、形式和結構[1-2]。“三線一單”是加強生態環境科學信息化管理、完善環境影響評價制度體系的重要工作。目前中國學者針對“三線一單”的編制、應用實踐、環境評價、技術邏輯等內容進行了大量的研究工作，其目的在于系統化、專業化、規范化進行“三線一單”的建設實施以及發揮其重要的價值。王亞男[3]對“三線一單”在重新構建環境準入體系中的意義，以及與規劃環評和項目環評制度銜接的關鍵環節進行了探究。王文燕等[4]厘清了“三線一單”在成果表達和地方實踐基礎上的作用和功能定位，以支撐國家生態環境治理體系現代化建設。王曉等[5]針對生態環境準入清單編制現狀及存在的問題，對“三線一單”中生態環境準入清單的編制路徑進行了探討。王孟等[6]通過對新時期環境保護要求的研究，提出了適用于流域綜合規劃的“三線一單”的制定原則、內容、指標、應用等。楊芳等[7]在四川省河流岸線開發利用與保護區中對“三線一單”的岸線陸域延展寬度進行了研究，同時對沱江流域的岸線進行了劃分。姜昀等[8]為實現青海省生態功能改善的目標，解析了生態功能改善實現的關鍵點，提出了適用于青海省的“三線一單”的生態功能改善實現路徑。于慧等[9]從生態環境質量改善、自然資源資產增值等角度對四川省資源利用上線的劃定技術方法進行了探究。孫翔等[10]為解決流域養殖污染嚴重的問題，提出了基于“三線一單”的養殖污染環境管理框架，對流域養殖的管理具有重要意義。劉偉等[11]針對流域規劃環評中替代方案不足的問題，提出基于“三線一單”的環境評價指標體系，并對流域開發規劃的代替方案進行了研究。但目前尚缺乏對“三線一單”海量數據的質量檢查以及其成果生成等相關方面的研究。

四川省作為長江經濟帶中率先進行“三線一單”編制工作的省份之一，目前在制作“三線一單”成果數據過程中存在諸多難題。例如：制作“三線一單”省級匯總數據時，由于數據量龐大、數據結構復雜，難以對匯總數據進行整體性系統性的質量檢查、成果更新以及統計分析等操作，并且使用ArcMap或基于32位ArcEngine開發的軟件會出現卡頓、崩潰等問題，導致數據處理無法完成。對“三線一單”成果數據生成缺乏系統化、自動化的工藝流程，因此，實現“三線一單”匯總數據嚴格高效的質量檢查以及成果自動化生成具有重要意義。針對“三線一單”數據質量檢查和成果生成環節存在的難題，本文采用基于ArcEngine的插件式開發技術和64位自定義GeoProcessing相關技術，設計并開發了“三線一單”數據處理系統，形成了一套系統化、自動化的“三線一單”成果數據生成工藝流程。

1 系統總體設計

1.1 開發及運行環境

系統的開發環境為Microsoft Visual Studio 2010，系統運行平臺為ArcEngine Runtime 10.1、ArcGIS SDE 10.1、.NET Framework 4.0，系統運行的數據庫管理系統為PostgreSQL 9.0，系統運行的硬件環境為：不低于2 GHz單核CPU或1.5 GHz多核CPU、不低于2 GB可用內存空間、不低于100 GB可用磁盤空間，具備集成或獨立網卡，且接入可連接運管和工作空間的局域網，不低于512 MB顯存的獨立顯卡。

1.2 系統架構設計

為滿足“三線一單”海量數據整體化、系統化的質量檢查，以及成果數據流程化、自動化生成等需求，本文系統采取基于.NET Framework運行環境和ArcEngine組件包等軟件開發技術，遵循“三線一單”標準成果數據規范等要求，設計并開發了“三線一單”數據處理系統。其主要包括用戶層、顯示層、應用層、數據層共4個組成部分，系統架構如圖1所示。

(1) 數據層。主要是用于支撐整個系統正常高效運行的基礎數據資料和專題數據資料等內容，具體包括遙感影像數據、調查數據、污染數據、“三線一單”成果數據、地理國情普查數據等。

(2) 應用層。基于ArcEngine開發包與.NET Framework運行環境，設計、開發并實現了各個具體功能，以滿足系統的需要。該層的主要工作為接收顯示層的操作指令，利用數據層的數據資源，實現特定的業務邏輯、系統功能等。

(3) 顯示層。為用戶提供良好的人機交互視圖窗口，主要包含地圖視圖、圖層管理視圖、參數狀態視圖等，用戶可通過上述視圖窗口實現數據作業行為。

(4) 用戶層。主要是系統的各種用戶角色，包括對“三線一單”數據編輯處理工作的作業人員，以及基于“三線一單”數據進行空間分析、統計分析的作業人員。

1.3 系統框架設計

系統框架主要由基礎的類庫或框架開發而成[12]。該系統的框架為ArcEngine的插件式開發框架，分為3層：位于底層的是系統軟件層，包括Windows10操作系統和Microsoft Visual Studio 2010開發平臺等系統軟件，系統軟件層的主要作用是提供對硬件設備的訪問以及為其他層訪問提供API；位于中間層的是基礎框架層，包括.NET Framework、ArcEngine組件庫和關系型數據庫PostgreSQL，基礎框架層主要作用是以編程模型的形式提供基于系統軟件層的常用基礎功能與組件；位于頂層的是自定義框架層，包括GIS應用組件、GIS通用模塊以及GIS自定義插件，自定義框架層的主要作用是作為基礎提出通用邏輯模型，并對應用層的需求進行分析、設計、開發與實現[13-15]。框架總體設計如圖2所示。

2 數據庫設計

“三線一單”數據處理系統中，數據庫是系統實現的關鍵環節之一，數據庫質量直接影響成果數據的規范性和完整性。根據《“三線一單”成果數據規范(試行)》的相關內容，對本文系統數據庫的邏輯和物理結構進行設計說明。

2.1 數據庫邏輯結構設計

根據成果數據規范性的相關要求，對“三線一單”數據處理系統的數據可以分為3項，分別為：數據基本信息、數據詳細信息、管理數據信息。

(1) 數據基本信息，包括環境要素管控分區編碼、環境要素管控分區名稱、環境管控單元編碼、環境管控單元名稱、省級行政單元、市級行政單元和縣級行政單元。

(2) 數據詳細信息，包括管控單元分類、環境要素、要素細類、流域名稱、河段名稱、控制斷面起點經度、控制斷面起點緯度、控制斷面終點經度和控制斷面終點緯度。

(3) 管理數據信息，包括數據生產時間、數據版本、數據管理單位、數據管理單位聯系人和數據管理聯系人電話。

2.2 數據庫物理結構設計

根據成果數據規范性的相關要求以及數據庫邏輯結構，對“三線一單”數據處理系統數據庫的物理結構進行了設計，下面以“生態、大氣、土壤、自然資源管控分區”表結構為例說明，詳見表1。

3 系統功能設計

該系統共設計了五大功能模塊，包括數據管理模塊、數據庫標準化處理模塊、數據更新模塊、數據質量檢查模塊以及數據共享與分析模塊，系統功能結構如圖3所示。

系統功能模塊具體涵蓋了成果矢量數據標準化、支撐矢量數據標準化、常規更新、專項更新、集合編輯、屬性編輯、快捷編輯、一般檢查、拓撲檢查、專業檢查、質檢報告、管控單元劃分合理性分析、成果共享等子功能模塊。

(1) 數據管理模塊。在數據管理方面，對成果矢量數據進行數據管理操作，主要包括數據幾何編輯、屬性編輯和快捷工具等功能，主要針對數據的屬性、幾何的增加、刪除、修改等操作。

(2) 數據庫標準化處理模塊。在數據庫標準化處理方面，主要包括市州成果矢量檢查、整理、導出，以及投影變換、數據拼接、字段空格處理、小數位數處理、修復幾何等功能。主要針對市州提交的成果矢量數據，按照標準成果數據規范對數據進行數據庫與表結構、空間投影坐標系、空間關系、幾何與屬性等進行處理編輯，最終按照市州模板進行入庫處理。

(3) 數據更新模塊。在數據更新方面，主要包括常規更新、重點管控單元更新、環境管控單元更新三部分，主要針對市州提交的成果矢量數據，將其標準化后的數據進行關聯、更新，服務于省級成果的生成。具體包括兩類矢量空間成果數據的更新：① 環境管控單元，即綜合生態、大氣、水、土壤、自然資源的環境要素管控分區成果，銜接鄉鎮街道或區縣行政邊界劃定的空間單元；② 環境要素管控分區，即依據生態、大氣、水、土壤、自然資源各要素評價結果，按各環境要素劃定的空間單元。

(4) 數據質量檢查模塊。在數據質量檢查方面，主要包括微小面、自相交、字段空格、屬性空值等通用檢查；面重疊、面縫隙等專題檢查；成果規范性檢查等專項檢查功能，主要針對成果矢量數據，進行成果數據質量檢查，包含屬性檢查、幾何檢查以及規范性檢查等，運用常規檢查、專題檢查、含管控表的成果檢查等功能對市州成果和省級成果進行過程檢查或上交前檢查。

(5) 數據共享與分析模塊。在數據共享分析方面，主要包括劃定情況轉移分析、要素劃定情況分析、要素納入情況分析、劃定情況對比分析、劃定情況轉移圖層、成果共享等功能。主要針對“三線一單”成果劃分的優先保護、重點管控和一般管控三類環境管控單元中每種專題的占比情況，每種專題的轉移占比情況，市州成果在省級成果占比情況，以及“三線一單”成果數據的共享。

4 關鍵技術

4.1 “三線一單”海量數據處理

“三線一單”成果數據是各類源海量數據以及各市州成果數據的大集合，具有數據量大、數據邏輯關系復雜等特點。在“三線一單”成果數據匯總、標準化檢查、質量檢查、更新、統計分析過程中存在各種問題，例如：海量數據無法處理、數據間邏輯關系梳理困難、成果數據生成步驟分散等。以四川省環境管控單元矢量數據為例，如圖4所示，其屬性信息為：Shape_Area約486 140 351 458 m2，Shape_Length約869 740 237 m，數據節點74 331 392個，圖斑數量951個。若采用ArcMap軟件或基于32位ArcEngine開發的數據處理軟件對其進行融合處理，會出現軟件崩潰、電腦死機等情況，導致數據處理無法完成。

針對“三線一單”海量數據難以處理的問題，該系統采用基于ArcEngine的64位GeoProcessing相關技術來設計并實現系統的功能，同時使用ArcGIS Desktop-Background GeoProcessing (64-bit)替代ArcGIS Desktop標配的常規32位后臺處理，基于此 64 位處理可以在 RAM 容量較大的系統進行分析，實現在32位環境中無法完成的海量數據處理的功能。采用基于ArcEngine相關技術開發的64位GeoProcessing Tool，具有運行效率高、處理海量數據能力、能夠最大程度利用計算機的性能、較高的靈活性以及保密性等優點。運用64位GeoProcessing Tool對四川省環境管控單元數據進行數據融合處理，數據處理時電腦性能具體情況如圖5所示。

4.2 “三線一單”成果生成工藝流程化

目前“三線一單”成果生成過程中存在過程繁瑣、效率低下、缺乏系統化等問題，為解決上述問題，根據《“三線一單”成果數據規范(試行)》的相關要求，設計并建立“三線一單”成果生成工藝模型。該模型以系統五大功能模塊為基礎，將成果生成時原本獨立的步驟有效地集成在一起，同時系統具備處理海量數據的能力，最終實現“三線一單”成果生成過程系統化、流程化、自動化。

“三線一單”成果生成流程：根據《“三線一單”成果數據規范(試行)》相關要求，首先對地市州報送的“三線一單”數據、基礎資料數據庫和專題資料數據庫進行標準化質量檢查，驗證報送數據是否符合入庫標準，不符合標準的數據應返回修改。對通過檢查的數據進行數據庫標準處理，并由軟件數據更新模塊將市州標準成果數據更新至現有“三線一單”成果中，在數據更新與數據質量檢查過程中，對需要人工交互處理的幾何或者屬性，系統提供豐富的編輯功能進行增刪改等操作。確認無誤后可以通過數據質量檢查模塊對更新后的成果進行數據質量檢查，檢查出的錯誤以列表進行提示，允許用戶進行人工交互式改正錯誤。成果數據質檢無誤后可以通過空間分析提供的功能動態更新部分“三線一單”專題圖層和綜合管控圖層，最后由數據共享與分析評價模塊進行服務發布和數據共享，“三線一單”成果生成工藝流程如圖6所示。

5 系統展示

根據《“三線一單”成果數據規范(試行)》的相關要求，按照“系統化、流程化、自動化”的建設思路，采用基于ArcEngine的插件式開發以及64位GeoProcessing相關技術進行系統功能的設計開發，實現了數據規范化處理、數據更新、數據質量檢查、數據共享與分析等功能，具體展示描述如下。

5.1 數據質量檢查

數據質量檢查模塊主要對成果矢量數據進行質量檢查，主要包含屬性檢查、幾何檢查以及規范性檢查等。運用常規檢查、專題檢查、含管控表的成果檢查等功能對基礎成果數據以及標準成果數據進行過程檢查或上交前檢查。以成都市成果規范性檢查為例，對數據質量檢查模塊進行展示，詳情如圖7所示。

5.2 數據更新

數據更新模塊主要針對基礎成果矢量數據，將其標準化后的數據進行關聯、更新，主要為依據生態、水、大氣、土壤以及自然資源等各要素環境評價結果，按照各環境要素劃定的空間單元，對環境要素管控單元矢量空間成果數據進行更新操作。以生成樂山市、成都市、廣元市綜合環境管控單元數據為例，對數據更新模塊進行具體展示，詳見表2。

表2 綜合環境管控單元數據詳情Tab.2 Date of comprehensive environmental control unit

6 結 論

本文采用基于ArcEngine的插件式開發技術并結合64位GeoProcessing相關技術，設計了對環境影響評價數據進行數據處理的軟件系統。以“三線一單”為例，通過市州成果數據、基礎資料數據、專業資料數據以及原始“三線一單”成果數據，實現“三線一單”成果數據的自動化、流程化生成，進一步推動了“三線一單”數據資源持續積累、集成信息化管理、共享分析利用。系統主要特點如下：① 解決了海量數據質檢、更新等問題，其中64位GeoProcessing Tool有效解決了“三線一單”海量數據無法處理的問題。② “三線一單”成果自動化生成。通過建立成果生成工藝模型，實現“三線一單”成果數據自動化、流程化生成，避免“三線一單”成果數據生成步驟復雜、數據質量難以把控的問題。