海岸帶陸海統籌“雙評價”輔助決策信息系統設計與實現

李 磊，黃 壘，王小丹，鄭錦娜，彭麗娜，劉 培

(1.中國地質大學(武漢)國家地理信息系統工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；3.武漢華信聯創技術工程有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引 言

“雙評價”，即資源環境承載能力評價和國土空間開發適宜性評價，是國土空間規劃的基礎性工作。海岸帶和近海的開發大力促進了沿海經濟的發展，也引發出一系列的資源和生態環境問題。

開展海岸帶“雙評價”，落實《中共中央國務院關于建立國土空間規劃體系并監督與實施若干意見》，圍繞《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南》，補充海洋災害、海水水質、深度、岸線底質等區域特殊因素，統籌農業生產與漁業生產適宜性、城鎮建設與港口建設適宜性，實現針對海岸帶地區的土地資源、水資源、生態資源、氣候資源、環境資源等多要素承載能力以及國土空間開發適宜性雙評價，為農業、城鎮等功能空間規定空間管控邊界，為生態文明提供基礎數據支撐以及規劃意見，有效地服務于我國沿海地區的國土空間規劃編制[1]。

傳統的“雙評價”方法使用ArcGIS工具建立海岸帶“雙評價”模型，通過疊加分析、鄰域分析等操作，獲得評價結果，流程過于復雜、操作步驟過多、專業性要求較高。因此，亟待開發一套專業的“雙評價”系統，簡化評價流程，降低專業性要求，滿足政府、專業人員和社會公眾的需求。

GDAL是一套跨平臺開源庫，主要用于空間要素矢量數據的解析和空間柵格數據的讀寫，具有很好的擴展性和可移植性[2]，能夠遷移到.net等語言環境當中，有功能全面的API，使其在其他程序中容易嵌套，所提供的空間數據操作完全可以滿足格式轉換的需要。空間分析計算是基于地理空間對象和形態的數據分析技術，從一個或多個空間數據圖層中獲取數據信息，根據指標或者算法獲取有關地理現象的空間位置、形態等[3]。分析方式可有多種，如緩沖區分析、空間疊加分析、空間統計分析等。借助于GDAL和空間分析等技術，開發海岸帶“雙評價”系統，實現各類基礎數據一體化管理，完成單指標評價、多指標綜合評價及數據資源服務共享。

1 系統設計

1.1 實現思路

收集海岸帶土地、水、氣候、災害等相關數據，構建海岸帶“雙評價”數據庫，依據《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南》，結合海岸帶區域實際情況，構建資源承載能力和國土空間開發適宜性評價指標體系和評價方法，并對評價模型進行管理，最終通過在線單指標評價和多指標綜合評價，實現評價結果的可視化表達(圖1)。

圖1 技術流程Fig.1 Technical process

1.1.1 數據準備

1) 坐標基準和投影方式。統一采用2000國家大地坐標系(CGCS2000)，高斯-克呂格投影；陸域部分采用1985國家高程基準，海域部分采用理論深度基準面高程基準。

2) 評價單元與計算精度。全國層面，陸域計算精度采用100 m×100 m柵格或50 m×50 m柵格，海域采用200 m×200 m柵格；省級(區域)層面，陸域采用50 m×50 m柵格計算精度，山地丘陵或幅員較小的區域可提高到25 m×25 m柵格或30 m×30 m柵格，海域采用200 m×200 m柵格；市縣層面，陸域優先使用矢量數據，使用柵格采用25 m×25 m或30 m×30 m計算精度，海域可根據實際提高精度(表1)。

表1 評價單元與計算精度Table 1 Evaluation unit and calculation accuracy

1.1.2 資源環境承載能力評價

1) 資源環境要素單項評價。單項評價的對象包含土地資源、水資源、環境、生態、氣候和災害等六類自然要素，針對不同功能指向和評價尺度，構建差異化的評價指標體系。

2) 資源環境承載能力集成評價。基于資源環境要素單向評價的分級結果，根據生態保護、農業生產、城鎮建設等三方面的差異化集成評價方法，綜合劃分生態指向的生態保護等級，以及農業、城鎮指向的承載能力等級，以表征國土空間的自然本底條件對人類生活生產活動綜合支撐能力。承載能力等級按取值由低至高可劃分為Ⅰ級～Ⅴ級。

3) 國土空間開發適宜性評價。基于生態保護、農業生產、城鎮建設功能指向的資源環境承載能力評價結果，開展國土空間開發適宜性評價。針對評價結果，重點對生態保護極重要區、農業生產適宜區和不適宜區、城鎮建設適宜區和不適宜區進行校驗，綜合判斷評價結果與實際狀況的相符性，修正結果邊界。針對明顯不符合實際情況的評價結果，開展必要的現場核查校驗與調整，明確生態保護極重要區作為生態保護紅線評估和確定的基礎，并識別未來適宜農業生產和城鎮建設的潛力空間。

4) 綜合分析。在系統開展資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價的基礎上，進行資源環境稟賦分析、問題和風險識別、潛力分析和情景分析，確定城鎮、農業、生態空間，劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界，支撐國土空間規劃多方案決策，科學合理編制空間規劃。

1.2 技術框架

從系統架構層面，海岸帶“雙評價”系統的技術框架從下至上分為數據層、應用支撐層、應用層。數據層基于PostgreSql、MySQL實現業務數據的持久化高效存儲。應用支持層是業務應用系統開發的重要工具，為業務應用系統開發和運行提供安全保障、服務管理、公共開發組件庫、應用組件庫、數據管理工具、數據交換共享工具以及大數據分析工具，為業務應用系統開發和運行提供基礎支撐。應用層基于MVC框架實現Web應用的開發，用于用戶交互及數據顯示。技術框架圖如圖2所示。

圖2 海岸帶“雙評價”系統技術框架Fig.2 Technical framework of the “double evaluation” system in coastal zone

1.3 數據流程

系統數據流主要分為讀入數據庫內的數據、調用數據庫數據對數據進行評價分析和評價分析后對數據的輸出采用直觀圖的形式表現出來。

讀入數據庫內的數據分為空間數據和業務數據。空間數據直接由空間數據管理系統轉換入庫；業務數據可分別錄入Excel表格，在系統的數據管理中分別導入。可利用數據管理新增功能錄入系統的數據庫進行對應導入，也可通過ETL進行數據的同步。調用數據庫內的數據信息，通過單項評價、集成評價、數據裁剪等處理，輸出評價分析成果圖，并將結果發布返回客戶端展示到地圖(圖3)。

圖3 數據流程Fig.3 Data flow

1.4 關鍵技術實現

1.4.1 多源數據采集及存儲

對于系統使用的各類數據分析其數據源與數據格式，設計對應不同來源數據的數據采集工具或采集方案，確保平臺可實時獲得最新以及正確的數據。對于數據存儲按數據格式建立基礎屬性數據和文件存儲服務，建立數據元數據，以及與系統業務庫組成平臺統一的綜合數據庫，實現“多源采集、 統一存儲”[4]。

1.4.2 基于GDAL和空間分析計算的評價算法概化及功能實現

基于GDAL和空間分析計算技術， 對于不同類型評價計算流程、計算方法高度概化，設計統一的操作流程，簡化系統操作復雜度，同時確保系統功能完備，使用靈活，滿足用戶對單因子評價、多因子綜合評價等業務需求；設計相應的軟件框架以及架構對功能實現[5]。

1.4.3 評價成果可視化及服務共享

使用WebGIS技術，對評價成果可視化展示，設計專業數據可視化展示系統，滿足大屏、桌面、平板操作瀏覽，結合標準OGC服務，以接口的方式對成果發布共享。

2 系統應用

2.1 指標體系構建

根據資源環境承載力評價和國土空間開發適宜性評價的特點，參考《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南》，從生態保護、農業生產、城鎮建設等三方面梳理生態、土地資源、水資源、氣候、環境、災害、海洋、區位等各方面的影響因子，構建海岸帶“雙評價”指標體系框架，根據指標體系框架、不同區域功能定位和各種資源環境問題狀況，構建差別化的指標體系庫，具體的指標體系見表2。

表2 資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指標體系Table 2 Evaluation index system of resource and environmental carrying capacity and land space development suitability

2.2 系統功能設計

海岸帶“雙評價”系統實現“雙評價”基礎數據資源的統一管理和共享。通過構建統一的GS評價模型和算法，輔助業務人員完成在線評價分析、發布、下載工作；系統還具備技術指南和評價模型共享功能，將工作方法、成果設計等提供用戶參考使用。主要由專題首頁、數據資源、在線評價工具、標準指南等四大功能模塊組成。

2.2.1 專題首頁

專題首頁包括基礎數據、土地資源類、水資源類、承載力綜合評價、適宜性評價等數據資源類別數據統計和在線評價工具及標準指南數據統計。

2.2.2 數據資源

數據資源主要管理已入庫的數據以及評價分析后發布的結果數據，對基礎數據、土地資源類、水資源類、生態環境類、環境質量類、自然災害類、承載力綜合評價、適宜性評價等多源數據進行統一管理，提供數據資源目錄，并提供數據元數據信息，支持數據在線瀏覽、下載和標準OGC服務。

2.2.3 在線評價工具

在線評價工具主要提供在線評價分析功能，通過多源數據的融合，綜合評價模型進行在線評價計算。在模型計算時，后臺進行數據處理計算、多源數據融合等，以保障國土空間規劃基礎分析評價成果的持續輸出，最終進行評價成果的可視化表達。

1) 基本工具。基本工具包括裁剪和柵格統計。裁剪用于指定的范圍作為模具來剪切掉要素類的一部分；柵格統計用于在指定范圍內統計柵格數據要素類的屬性信息。

2) 基本模型。基本模型將GIS中常用的坡度分析、緩沖區分析、焦點統計、重分類和地形起伏度分析算法進行打包，提供雙評價系統進行使用。坡度分析用于判斷柵格數據表面各像元中的坡度；緩沖區分析根據分析對象的點、線、面實體，自動建立其周圍一定距離的帶狀區，用以識別這些實體或者主體對鄰近對象的輻射范圍或者影響程度；焦點統計用于計算輸出柵格數據的鄰域運算，各輸出像元的值是其指定鄰域范圍內所有輸入像元值的函數，運算該函數可得到統計數據，例如最大值、平均值或者鄰域范圍內所有值的總和；重分類對原有柵格像元值重新分類從而得到一組新值并輸出；地形起伏度分析基于柵格精度為30 m×30 m的格網，通過柵格與鄰域柵格的高程差計算地形起伏度。

3) 評價分析。評價分析根據技術指南，將單要素評價、集成評價和適宜性評價算法進行打包，提供系統進行評價調用。單要素評價開展生態評價、土地資源評價、水資源評價、氣候評價、環境評價和災害評價。集成評價基于單項評價結果，開展集成評價，優先識別生態系統服務功能極重要和生態極敏感空間，基于一定的經濟技術水平和生產生活方式，確定農業生產適宜性和承載規模、城鎮建設適宜性和承載規模。適宜性評價通過集成評價，將生態保護重要性劃分為高、較高、中等、較低、低等五級，將農業生產、城鎮建設適宜性劃分為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜、不適宜等五級。

2.2.4 標準指南

向用戶共享“雙評價”的技術指南和評價模型，對“雙評價”的技術指南和評價模型進行詳細介紹。技術指南主要展示資源環境承載能力與國土空間開發適宜性評價技術指南文件，包括使用范圍、規范性引用文件、屬于和定義等，供使用者參考和借鑒。評價模型對在系統中使用的資源環境承載能力與國土空間開發適宜性評價模型進行詳細分析介紹，包括模型流程計算、矩陣計算等，可以讓使用者清晰認識評價模型的構成和原理。

2.3 系統運行環境配置

系統部署使用應用服務器、應用支撐服務器、數據存儲服務器等三臺服務器。應用服務器用于部署海岸帶“雙評價”系統、RabbitMQ等程序，以及存儲地圖影像數據；應用支撐服務器用于部署GDAL、評價模型等應用支撐軟件，也用來存儲評價結果數據；數據存儲服務器用于部署MySQL和Postgres SQL數據庫，記錄用戶操作、影像數據信息等。

為滿足系統運行，服務器的基本配置包括以下部分。 硬件配置：CPU 8 G內存、CPU 16 G內存、1 T存儲空間；系統軟件：window server2016標準版(64位)；數據庫：MySQL、PostgresSQL。

3 系統實現

依據總體架構與功能體系，按照前述的技術路線與選型，完成海岸帶“雙評價”系統的開發與部署。

3.1 在線評價分析

在線評價分析工具根據不同的評價指標，選擇評價模型、評價數據，設置成果圖分級顏色，自動計算結果，并將評價結果存儲到空間數據庫中，發布并共享至用戶。本文以天津市、河北省、遼寧省海岸帶市級地區為例進行土地資源評價、氣候評價、生態評價和生態保護重要性價。

3.1.1 土地資源評價分析

將高程、坡度和起伏度作為影響土地資源等級的主要因素，地勢越低平，土地資源等級就越高，表示對城鎮建設越有利。 圖4為利用DEM模型，按照≤3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°、>25°生成的坡度分級圖。將高程≥5 000 m的區域，城鎮土地資源等級直接取最低等級；高程在3 500～5 000 m之間的區域，將坡度分級降一級作為城鎮土地資源等級。利用DEM數據計算地形起伏度，對于地形起伏度>200 m的區域，將評價結果降兩級作為城鎮土地資源等級；地形起伏度在100～200 m之間的區域，將評價結果降一級作為城鎮土地資源等級。評價結果表明，滄州市、天津市、唐山市、盤錦市、營口市城鎮建設土地資源較高。

圖4 海岸帶城鎮建設土地資源評價Fig.4 Evaluation of land resources for urban construction in coastal zone

圖5 海岸帶農業生產氣候評價Fig.5 Evaluation of climate assessment of agricultural production in coastal zone

3.1.2 海岸帶農業生產氣候評價

將活動積溫、多年平均日照時數作為影響農業生產氣候評價的主要因素，光熱條件越充足，氣候評價等級就越高，表示對農業生產越有利。圖5為海岸帶農業生產氣候評價結果，評價方法為[農業生產氣候條件]=f([光熱條件])，[光熱條件]主要通過日平均氣溫≥0 ℃活動積溫反映光照、熱量等自然氣候條件對農業生產的支撐水平，市縣層面可進一步結合多年平均日照時數等自然氣候條件衡量氣候條件對農業生產的支撐水平。結果表明，營口市、盤錦市、錦州市、葫蘆島市農業生產氣候較好。

3.1.3 海岸帶生態系統服務功能重要性

將水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性作為影響生態系統服務功能重要性的主要因素，水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性調節功能越強，生態系統服務功能重要性等級就越高，表示其對區域生態安全的重要性程度越高。圖6為海岸帶生態服務功能重要性評價成果，將水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性都分成五個等級，取這四項數據中最高等級數作為生態系統服務功能重要性評價的等級數，劃分為高、較高、中等、較低、低等五個等級，即[生態系統服務功能重要性]=Max([生物多樣性維護重要性]，[水源涵養重要性]，[水土保持重要性]，[防風固沙重要性])。結果表明，滄州市、天津市、唐山市、盤錦市大部分地區生態服務功能較低。

3.1.4 海岸帶生態適宜性

將生態系統服務功能重要性和生態敏感性作為影響生態適宜性的主要因素，生態系統服務功能重要性和生態敏感性越高，生態適宜性等級就越高，表示生態保護重要性越高。圖7為海岸帶生態適宜性評價，取生態系統服務功能重要性，生態敏感性等級的較大值作為生態保護功能指向的承載等級評價，即[生態保護功能指向的承載等級]=Max([生態系統服務功能重要性]，[生態敏感性])。結果表明，滄州市、天津市、唐山市、盤錦市大部分地區的生態適宜性較低。

圖6 海岸帶生態服務功能重要性評價Fig.6 Evaluation of importance of ecological service functions in coastal zone

圖7 海岸帶生態適宜性Fig.7 Evaluation of ecological suitability in coastal zone

3.2 計算效率

以天津市城鎮建設土地資源評價、農業生產氣候資源評價、生態服務功能重要性評價、生態適宜性評價為例，通過人工評價和使用海岸帶“雙評價”系統進行評價的計算效率進行對比，對比結果見表3。由表3可知，使用海岸帶“雙評價”系統進行評價在3 min內可以完成，是人工評價效率的3～5倍，使用海岸帶“雙評價”系統大大提高了專業人員工作效率，同時也簡化了工作流程，降低了專業性要求。

表3 評價分析效率Table 3 Evaluation analysis efficiency

4 結 語

基于GDAL設計實現的海岸帶“雙評價”系統，建立了服務于資源環境承載力與國土空間開發適宜性評價專題的多門類、多空間尺度的綜合數據庫，可提供滿足多層次用戶需求的數據資源，直觀形象地展示了各種資源環境類型“區”的分布、大小、程度等信息，并實現了空間查詢、統計、疊加等功能。參考《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南》，選取對應的評價指標體系，實現了利用評價模型對單要素、多要素的資源環境數據進行疊加、運算、評價、成圖等空間分析功能，實現不同尺度，單要素、多要素的評價成果展示，為不同尺度的規劃提供支撐。下一步將更多地考慮海岸帶指標因素，完善評價算法，實現通過自定義模型(即指標的選取和閾值確定可以根據各地實際情況做調整)完成資源環境承載力與國土空間開發適宜性評價。