基于空間分析的河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)GP服務(wù)研究

潘志軍，談 震，杜 政，王勝凱

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，杭州 310020；2.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211106)

河長(zhǎng)制是以各級(jí)黨政主要領(lǐng)導(dǎo)擔(dān)任轄區(qū)某條河流河長(zhǎng)，履行治理與保護(hù)責(zé)任的一種行政管理形式[1]。2016年10月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》，標(biāo)志著河長(zhǎng)制已從當(dāng)年應(yīng)對(duì)水危機(jī)的應(yīng)急之策，上升為國(guó)家意志，并將成為河湖管護(hù)的長(zhǎng)效機(jī)制[2,3]。但由于河道管護(hù)工作對(duì)象復(fù)雜、范圍廣泛、任務(wù)繁重，僅靠河長(zhǎng)和工作人員“靠腿跑、用眼盯”的執(zhí)法手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)常態(tài)化、制度化的巡查和監(jiān)管，必須運(yùn)用信息化手段升級(jí)河長(zhǎng)制，打造河道保護(hù)監(jiān)管利器，提高河道保護(hù)水平[4]。

河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)有著龐大的用戶(hù)群體，包括各級(jí)河長(zhǎng)、河長(zhǎng)辦工作人員及社會(huì)公眾。用戶(hù)在系統(tǒng)使用中無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生位置數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)位置數(shù)據(jù)與河流的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，是我們面臨的一個(gè)難題。這需要服務(wù)器后臺(tái)提供強(qiáng)大的GIS空間分析服務(wù)支持，地理處理(Geoprocessing，簡(jiǎn)稱(chēng)GP)作為一種全新的地理數(shù)據(jù)處理概念，是一種對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行操作產(chǎn)生新信息的途徑[5]，基于Web的GP服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的空間分析功能，為用戶(hù)提供所需要的空間分析功能，而不會(huì)受到GIS平臺(tái)、地點(diǎn)等限制[6]，本文在河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)中開(kāi)展了GP服務(wù)的探索研究。

1 河長(zhǎng)制GP服務(wù)的總體思路

本文的研究核心是基于河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)開(kāi)展GP服務(wù)的數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、服務(wù)發(fā)布與服務(wù)調(diào)用，為河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)用戶(hù)提供可靠準(zhǔn)確的GP服務(wù)。通過(guò)GP服務(wù)，河長(zhǎng)巡河時(shí)可隨時(shí)隨地根據(jù)其位置查詢(xún)到附近的河流、河段及排污口等監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，對(duì)工作人員進(jìn)行位置打卡考核，工作人員必須到達(dá)所負(fù)責(zé)水域空間范圍內(nèi)才可執(zhí)行巡河計(jì)劃，社會(huì)公眾上報(bào)投訴事件時(shí)，實(shí)現(xiàn)事件位置與河流的空間關(guān)聯(lián)，見(jiàn)圖1。

河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)GP服務(wù)主要分?jǐn)?shù)據(jù)、模型、服務(wù)、應(yīng)用4個(gè)層次。數(shù)據(jù)層為河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)所需要查詢(xún)的各類(lèi)空間數(shù)據(jù)，河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)包括河流、湖泊等基礎(chǔ)信息，排污口、取水口、水質(zhì)站、等周邊信息，河長(zhǎng)巡河、公眾投訴等業(yè)務(wù)信息；模型層選用了緩沖區(qū)分析模型和空間疊加分析模型，緩沖區(qū)分析為河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的空間范圍，空間疊加分析是將用戶(hù)地理位置與河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，獲取用戶(hù)周邊的空間信息；服務(wù)層以數(shù)據(jù)為輸入，以模型為工具，以獲取用戶(hù)周邊空間信息為結(jié)果，形成地理處理工作流，發(fā)布為GP服務(wù)；應(yīng)用層調(diào)用GP服務(wù)，提供空間信息查詢(xún)、分析等功能，為巡河管理、公眾監(jiān)督等河長(zhǎng)制系統(tǒng)應(yīng)用提供支撐。

圖1 原理框架圖Fig.1 The schematic frame diagram

2 河長(zhǎng)制GP服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空間分析

空間分析是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字地圖進(jìn)行分析，從而獲取和傳輸空間信息[7]?？臻g分析是GIS的核心和關(guān)鍵功能之一，目前已經(jīng)在水污染監(jiān)測(cè)、洪水災(zāi)害分析、城市規(guī)劃與管理、地震災(zāi)害和損失估計(jì)、地形地貌分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。例如在水污染治理現(xiàn)狀評(píng)價(jià)工作中，可將地理信息與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用GIS軟件空間分析模塊，對(duì)整個(gè)流域的水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行客觀和全面的評(píng)價(jià)，以反映出流域水污染程度和空間分布情況。

空間分析從數(shù)據(jù)模型可劃分為拓?fù)浞治?、屬性分析和拓?fù)渑c屬性的聯(lián)合分析。拓?fù)浞治霭ㄐD(zhuǎn)變換、比例尺變換、二維及三維顯示、幾何元素計(jì)算等；屬性分析包括數(shù)據(jù)檢索、邏輯與數(shù)學(xué)運(yùn)算、重分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)分析等；拓?fù)渑c屬性的聯(lián)合分析包括疊加分析、區(qū)域分析、鄰域分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間內(nèi)插等[11]。考慮河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文選用了緩沖區(qū)分析和疊加分析作為河長(zhǎng)制GP服務(wù)主要空間分析模塊。

2.2 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是指為了識(shí)別某地理實(shí)體或空間物體對(duì)其周?chē)泥徑曰蛴绊懚榷谄渲車(chē)⒌囊欢ǚ秶膮^(qū)域。從數(shù)學(xué)的角度看，緩沖區(qū)分析的基本思想是給定一個(gè)空間對(duì)象或集合，確定它們的鄰域，鄰域的大小由鄰域半徑R決定[12]。緩沖區(qū)分析的常見(jiàn)形式包括點(diǎn)狀要素緩沖區(qū)分析、線狀要素的緩沖區(qū)分析以及面狀要素的緩沖區(qū)分析(見(jiàn)圖2)。對(duì)于多要素對(duì)象，常見(jiàn)的緩沖方法包括等半徑緩沖、屬性權(quán)值緩沖和分級(jí)緩沖等，分級(jí)緩沖區(qū)分析法一般用來(lái)分析空間要素不同緩沖半徑內(nèi)的空間特征[13]。

圖2 緩沖區(qū)常見(jiàn)形式Fig.2 The common forms of buffers

緩沖區(qū)分析可以很好的應(yīng)用到河長(zhǎng)制業(yè)務(wù)應(yīng)用中，通過(guò)緩沖區(qū)分析，可顯示水質(zhì)污染源的影響范圍；在河流、湖泊、水庫(kù)和小微水體周?chē)⒕彌_區(qū)，可對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、水利環(huán)保監(jiān)測(cè)信息、防洪救災(zāi)信息等要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，估算緩沖區(qū)面積，為河長(zhǎng)制的指揮調(diào)度提供決策支持。

2.3 疊加分析

疊加分析是將同一地區(qū)、同一比例尺的兩組或更多的專(zhuān)題圖層進(jìn)行疊加，建立具有多重地理屬性的空間分布區(qū)域，進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)層的操作，其結(jié)果綜合了原來(lái)兩層或多層地圖要素所具有的屬性，從而滿(mǎn)足用戶(hù)需求和協(xié)同決策的一種方法。GIS中的疊加分析包括基于矢量數(shù)據(jù)的疊加分析和基于柵格數(shù)據(jù)的疊加分析兩大類(lèi)。根據(jù)疊加對(duì)象圖形特征的不同，分為點(diǎn)與多邊形的疊加、線與多邊形的疊加和多邊形與多邊形的疊加3種類(lèi)型[14]。

本文采用的是點(diǎn)與多邊形的疊加，將河長(zhǎng)制系統(tǒng)用戶(hù)的GPS位置與構(gòu)建好的河流多級(jí)緩沖區(qū)進(jìn)行疊加分析，若疊加分析產(chǎn)生新的要素圖層，就判定用戶(hù)處于河流多級(jí)緩沖區(qū)內(nèi)，通過(guò)新要素圖層中的河流屬性信息獲取用戶(hù)所在的河流河段，原理圖如圖3所示。

圖3 疊加分析原理圖Fig.3 The schematic diagram of superposition analysis

2.4 GP服務(wù)

地理處理是一種能夠創(chuàng)建并執(zhí)行GIS任務(wù)的方法。通過(guò)地理處理可將一系列工具以流的方式組織為集成度更高的GIS工具，避免大量重復(fù)性工作從而提高效率。地理處理工具用于實(shí)現(xiàn)特定GIS任務(wù)，可分為系統(tǒng)工具和自定義工具兩種，系統(tǒng)工具就是ArcGIS提供的內(nèi)置工具，自定義工具則包括Model Builder建立的模型工具、Python腳本語(yǔ)言創(chuàng)建的腳本工具和開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建的定制工具3種類(lèi)型[15]。

GP服務(wù)是在Web端組織地理處理工具并以GIS服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)GIS任務(wù)的一種方式。它包含一個(gè)或多個(gè)地理處理任務(wù)，任務(wù)使用在Web應(yīng)用層中捕獲的數(shù)據(jù)并通過(guò)地理處理工具對(duì)其進(jìn)行一系列的計(jì)算、分析與處理，返回有意義的輸出數(shù)據(jù)，使用GP服務(wù)以很少的代碼完成一個(gè)復(fù)雜的操作[16]。

3 河長(zhǎng)制GP服務(wù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)處理

依據(jù)上述河長(zhǎng)制GP服務(wù)的總體思路，首先對(duì)河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，原始河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)包括水質(zhì)站、排污口等各類(lèi)監(jiān)測(cè)站和河流、湖泊等水體，分為點(diǎn)、線、面多種數(shù)據(jù)組織形式。而用戶(hù)的地理位置為點(diǎn)數(shù)據(jù)，本文采用的是點(diǎn)與多邊形的疊加分析，現(xiàn)有數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)疊加分析，因此我們對(duì)原始河長(zhǎng)制空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了緩沖區(qū)分析，緩沖區(qū)半徑由監(jiān)測(cè)站、水體的管理等級(jí)和GPS定位偏差決定，圖4為各級(jí)河流經(jīng)過(guò)緩沖區(qū)分析后生成的多級(jí)緩沖區(qū)，鄰域半徑分別為市管河流1 000 m、縣管河流800 m、鄉(xiāng)管河流500 m。

圖4 河流多級(jí)緩沖區(qū)分布圖Fig.4 The distribution map of multi-level buffer zone of river

3.2 河長(zhǎng)制GP模型構(gòu)建與發(fā)布

河長(zhǎng)制GP模型構(gòu)建是根據(jù)用戶(hù)空間查詢(xún)、分析的需求，利用可視化的GP 模型處理工具-ModelBuilder，將簡(jiǎn)單的GP 工具和數(shù)據(jù)串聯(lián)，完成河長(zhǎng)制GP模型的構(gòu)建，根據(jù)圖5所示，首先獲取用戶(hù)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，并將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)，與河長(zhǎng)制多級(jí)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，結(jié)果綜合了用戶(hù)位置數(shù)據(jù)和河長(zhǎng)制多級(jí)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所具有的屬性。通過(guò)疊加的結(jié)果可以獲取用戶(hù)所在位置的監(jiān)測(cè)站、水體信息。

構(gòu)建好的河長(zhǎng)制GP 模型只能在本地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用分析，要實(shí)現(xiàn)河長(zhǎng)制GP模型功能的WEB 調(diào)用，則需要將GP 模型發(fā)布成GP服務(wù)。在ArcCatalog中，打開(kāi)建好的模型工具箱并運(yùn)行獲得運(yùn)行結(jié)果，然后以共享的方式進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，接著在服務(wù)編輯器中設(shè)定服務(wù)的各類(lèi)參數(shù)，GP 服務(wù)的執(zhí)行有兩種方式，同步和異步，同步的調(diào)用方法為execute，異步的調(diào)用方法為SubmitJob，考慮到河長(zhǎng)制GP服務(wù)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而異步調(diào)用主要用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的服務(wù)，因此將服務(wù)調(diào)用參數(shù)設(shè)定為異步調(diào)用，最終分析無(wú)誤后完成服務(wù)的發(fā)布。

圖5 河長(zhǎng)制GP模型 Fig.5 GP model of river chief

3.3 河長(zhǎng)制GP服務(wù)調(diào)用

本文采用ArcGIS API for JavaScript實(shí)現(xiàn)GP服務(wù)的調(diào)用，用戶(hù)將獲取所在位置河流河段信息的請(qǐng)求發(fā)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將用戶(hù)的位置信息轉(zhuǎn)換為json格式，并通過(guò)ArcGIS API for JavaScript調(diào)用ArcGIS Server 上的河長(zhǎng)制GP服務(wù)，在ArcGIS Server 上完成數(shù)據(jù)的空間分析與處理，最后Web 服務(wù)器將分析與處理的結(jié)果發(fā)送到用戶(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了河長(zhǎng)制GP服務(wù)的調(diào)用。

圖6為河長(zhǎng)制GP服務(wù)在微信公眾號(hào)上公眾投訴模塊的具體應(yīng)用，用戶(hù)點(diǎn)擊公眾投訴，系統(tǒng)自動(dòng)定位用戶(hù)所在位置并獲取周邊的河流河段及相關(guān)信息，用戶(hù)只需填報(bào)投訴內(nèi)容，系統(tǒng)根據(jù)所在水域的河湖等級(jí)將投訴事件自動(dòng)分發(fā)給對(duì)應(yīng)河長(zhǎng)辦和河長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)投訴事件的自動(dòng)流轉(zhuǎn)，提高了投訴事件的處理效率，同時(shí)用戶(hù)可實(shí)時(shí)查看事件的處理進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)化辦公(見(jiàn)圖6)。

圖6 GP服務(wù)在公眾投訴中的應(yīng)用Fig.6 The application of GP service in public complaints

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)GP 服務(wù)在河長(zhǎng)制信息化系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了探索，在河長(zhǎng)制GP服務(wù)共享過(guò)程中，建立合適的GP 模型并將模型發(fā)布為GP 服務(wù)是一種非常有效的方法，有利于地理處理分析的共享應(yīng)用。通過(guò)河長(zhǎng)制GP服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了海量位置數(shù)據(jù)與河流河段的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，讓河湖管護(hù)過(guò)程中的問(wèn)題、事件，定位更精準(zhǔn)、檢索更直觀、流轉(zhuǎn)更智能、執(zhí)行更高效。