長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警可視化平臺構(gòu)建及應(yīng)用

王瑞兵, 曹 鑫,賀光秀,姚 堯,李 媫,周李磊

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074；2.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,重慶 400074)

1 引言

人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境是一個不斷變化和繼承的系統(tǒng)，而變化或進(jìn)化，既有積極的(進(jìn)化)，也有消極的(退化)[1]；變化或進(jìn)化的原因既有自然過程的影響，也有人類活動的影響和干擾[2]。通過構(gòu)建指標(biāo)，帶入模型進(jìn)行生態(tài)健康評價從而為生態(tài)健康維護(hù)提供輔助決策。

預(yù)警可視化平臺指通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運用一定模型對未來發(fā)展趨勢及演化做出評估，并最終以可視化形式在WebGIS平臺呈現(xiàn)。預(yù)警平臺國內(nèi)多以生態(tài)安全預(yù)警為主，其他風(fēng)險預(yù)警為輔進(jìn)行預(yù)警，如王妍婕等對監(jiān)測平臺進(jìn)行研發(fā)，平臺由基礎(chǔ)設(shè)施支撐系統(tǒng)、實時監(jiān)控監(jiān)測站點、綜合數(shù)據(jù)庫、預(yù)警分析管理平臺多個部分組成。實現(xiàn)鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)時空信息的集成、共享和高效利用[3]。在數(shù)據(jù)可視化中，國內(nèi)外大多以單一的JavaScript開發(fā)包作為數(shù)據(jù)的顯示，如王占越從不同尺度上評估和展示全國林業(yè)生態(tài)安全狀況，基于Cesium三維球體開源軟件研發(fā)了林業(yè)生態(tài)安全指數(shù)可視化展示系統(tǒng)[4]。

當(dāng)前國內(nèi)研究中，生態(tài)安全可視化平臺的研發(fā)已經(jīng)成熟，但是針對生態(tài)健康預(yù)警評估以及可視化的研究比較少，本次可視化平臺構(gòu)建遵循信息化開發(fā)規(guī)范、規(guī)程，進(jìn)行系統(tǒng)平臺服務(wù)接口、功能模塊及系統(tǒng)安全策略集成框架設(shè)計，以生態(tài)風(fēng)險精準(zhǔn)感知數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，研發(fā)以自然干擾、人為干擾監(jiān)測模型、生態(tài)系統(tǒng)狀況評估模型、生態(tài)風(fēng)險預(yù)警模型等為技術(shù)手段，以生態(tài)風(fēng)險信息識別和生態(tài)風(fēng)險智能預(yù)警為核心內(nèi)容，建設(shè)長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康智能預(yù)警平臺，并進(jìn)行業(yè)務(wù)化運行應(yīng)用示范。

2 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警平臺構(gòu)建

2.1 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警集成框架設(shè)計

重慶市復(fù)雜環(huán)境生態(tài)風(fēng)險預(yù)警平臺依托精準(zhǔn)感知數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理并轉(zhuǎn)換和存儲歷史數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)；預(yù)警平臺使用正態(tài)云模型將背景數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成生態(tài)安全預(yù)警和成果發(fā)布。

開發(fā)模式采用C/S和B/S混合開發(fā)，Web端主要進(jìn)行前端的展示與數(shù)據(jù)的整合，B/S開發(fā)主要用來對地圖服務(wù)的發(fā)布和維護(hù)、瓦片地圖的整合進(jìn)行開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)架

構(gòu)建長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康可視化平臺，并通過阿里云短信服務(wù)實現(xiàn)預(yù)警。通過服務(wù)器環(huán)境配置，搭載平臺運行所需要的開發(fā)包，結(jié)合模型所做的結(jié)果，將健康情況以專題圖的形式發(fā)布成WebGIS服務(wù)，通過OpenLayers進(jìn)行地圖服務(wù)解析以達(dá)到地圖數(shù)據(jù)的展示；通過ECharts開發(fā)包，使用AJAX技術(shù)將統(tǒng)計數(shù)據(jù)在前端以交互的方式進(jìn)行展示；前端使用Flex布局，將功能集成在Tomcat發(fā)布的Web服務(wù)中，實現(xiàn)多端適配以及大屏展示；預(yù)警方面，通過申請阿里云API，調(diào)用短信接口，設(shè)定提醒參數(shù)，實現(xiàn)短信云預(yù)警(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

3 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警平臺研發(fā)

3.1 展示系統(tǒng)搭建

(1)服務(wù)器。云平臺監(jiān)控初始服務(wù)器可以先裝配在私人電腦端，到后期視情況會投放到阿里云、騰訊云、碼云等云平臺實現(xiàn)云監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)更新。通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，與相關(guān)網(wǎng)站合作，獲取網(wǎng)站實時獲取構(gòu)建的指標(biāo)體系中的數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r更新。

(3)交互型數(shù)據(jù)顯示。地理數(shù)據(jù)顯示：通過百度地圖、谷歌地圖或高德地圖提供的API接口，從優(yōu)選擇，對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和交互。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：通過ECharts、Highcharts或Python的Pyecharts包進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互型展示(圖2)。

3.2 預(yù)警系統(tǒng)搭建

(1)即開即用。當(dāng)系統(tǒng)搭載到云平臺，只需一個URL即可訪問云平臺，從而實現(xiàn)多設(shè)備、無縫訪問。

(2)靈活預(yù)警。通過搭載云平臺所提供的接口，可以實現(xiàn)短信、郵件的方式推送，也可以推送到指定的WebHook、消息隊列、函數(shù)計算、日志服務(wù)中，方便將報警信息集成到運維系統(tǒng)中(阿里云平臺)[5]。

4 長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警平臺應(yīng)用

首先設(shè)計長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)健康智能預(yù)警集成框架，對應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和支撐層進(jìn)行設(shè)計，然后進(jìn)行整個平臺的研發(fā)[6]，具體步驟如下。

步驟一：設(shè)計支撐層和數(shù)據(jù)層。根據(jù)平臺開發(fā)需求，選擇好支撐層的軟件和硬件，設(shè)計好開發(fā)流程，對底層環(huán)境和結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)并依據(jù)平臺需求進(jìn)行支撐層和數(shù)據(jù)層的設(shè)計，對整個指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)設(shè)置合適的字段和數(shù)據(jù)格式，設(shè)計地理數(shù)據(jù)發(fā)布規(guī)范。

步驟二：設(shè)計服務(wù)層和應(yīng)用層。根據(jù)平臺的功能需求和可擴(kuò)展性，充分考慮到預(yù)警和可視化之間的協(xié)調(diào)，設(shè)計好服務(wù)層和應(yīng)用層。

步驟三：平臺開發(fā)。多調(diào)試WebGIS相關(guān)項目源代碼，不斷學(xué)習(xí)各種可視化技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖2 前端平臺搭建

4.1 后臺搭建

系統(tǒng)具備大屏展示、響應(yīng)式布局、海量空間數(shù)據(jù)高效管理等特性，為生態(tài)健康監(jiān)測提供狀態(tài)展示、歷史統(tǒng)計、趨勢預(yù)測、等級占比、指標(biāo)權(quán)重等一系列數(shù)據(jù)展示來輔助決策；同時提供正態(tài)云模型的隸屬度計算，為生態(tài)健康評估提供模型支撐。

數(shù)據(jù)層：為展示平臺搭建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，主要提供地圖服務(wù)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)主要包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，用于共享的數(shù)據(jù)采用GeoServer進(jìn)行發(fā)布，其他地圖服務(wù)通過ArcGISServer進(jìn)行封裝[7]；統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要分為三個層面：自然數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)，通過MySQL建立個人數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲[8-9]，專題數(shù)據(jù)以文件方式存儲。

平臺層：主要提供生態(tài)健康評價結(jié)果、各種指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果，并將結(jié)果以AJAX技術(shù)異步傳輸?shù)角岸?；同時，該平臺提供指標(biāo)數(shù)據(jù)趨勢預(yù)測與更新機(jī)制，通過Python提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包對網(wǎng)頁部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行替換，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實時更新，提高數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

服務(wù)層：是整個系統(tǒng)的連接層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，作為持久層，為前端提供數(shù)據(jù)交互，同時整合后端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)通和轉(zhuǎn)化。

應(yīng)用層：對網(wǎng)頁提供功能進(jìn)行模塊化整合，實現(xiàn)操作簡易化和流程化，為生態(tài)安全決策輔助依據(jù)(表1)。

表1 后臺搭建所需軟件工具

4.2 前端搭建

4.2.1 服務(wù)器配置

4.2.1.1 Tomcat

Tomcat是Apache 軟件基金會中的一個核心項目，運行環(huán)境需要一定的配置，由于其穩(wěn)定性和開放性，經(jīng)常配合一些開源網(wǎng)頁開發(fā)包進(jìn)行使用，在本次可視化平臺開發(fā)過程中，主要通過其進(jìn)行網(wǎng)頁服務(wù)的發(fā)布。

在配置過Java 1.8環(huán)境之后，對Tomcat進(jìn)行安裝，并設(shè)置8080端口號，在webapps文件夾中裝載主要網(wǎng)頁服務(wù)文件之后，啟動Tomcat，并設(shè)置防火墻，即可通過外網(wǎng)訪問開設(shè)端口，并進(jìn)行網(wǎng)頁服務(wù)。

4.2.1.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server 是ESRI 發(fā)布的提供面向Web 空間數(shù)據(jù)服務(wù)的一個企業(yè)級GIS軟件平臺，提供創(chuàng)建和配置GIS應(yīng)用程序和服務(wù)的框架，這樣可以滿足不同客戶的各種需求[10，11]，在本次可視化平臺開發(fā)過程中，主要通過其進(jìn)行地圖服務(wù)的發(fā)布。首先安裝ArcGIS License，然后安裝ArcGIS Server 10.4，通過設(shè)置初始用戶和密碼，在開設(shè)端口6080中進(jìn)入系統(tǒng)界面。在系統(tǒng)界面可以進(jìn)行地圖服務(wù)的相關(guān)操作，其中包括服務(wù)的啟動、載入、刪除、停止等。

發(fā)布之后的服務(wù)均通過arcgis/rest域名進(jìn)行訪問，在該域名下存儲所有發(fā)布的地圖服務(wù)，通過相關(guān)鏈接解析，即可得到地圖數(shù)據(jù)，并以瓦片形式展示。

4.2.1.3 ECharts開發(fā)包

ECharts是一款由百度進(jìn)行開發(fā)，并最終捐贈給Apache進(jìn)行開源的數(shù)據(jù)可視化開發(fā)包，它同時具備美觀性和交互性，在本次可視化平臺開發(fā)過程中，主要進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的展示與交互。

由于網(wǎng)絡(luò)包引用CDN效率低且有一定的安全風(fēng)險，所以在本次可視化平臺開發(fā)過程中，將ECharts開發(fā)包部署在服務(wù)器，通過服務(wù)器的訪問，可以有效降低風(fēng)險，提升網(wǎng)頁運行效率，ECharts的開發(fā)包可以通過Tomcat進(jìn)行發(fā)布，也可以通過Windows Server2016系統(tǒng)中的IIS進(jìn)行發(fā)布。

4.2.1.4 OpenLayers

OpenLayers是一個用于開發(fā)WebGIS客戶端的JavaScript包[12]。開發(fā)者可以通過使用該開發(fā)包對地圖服務(wù)進(jìn)行解析，實現(xiàn)基礎(chǔ)空間地理操作。在本次可視化平臺開發(fā)過程中，主要進(jìn)行地圖服務(wù)的解析與圖層控制等，其主要解析的地圖服務(wù)是ArcGIS Server 10.4所發(fā)布的地圖服務(wù)[13]。

4.2.2 地圖服務(wù)發(fā)布及統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示

通過在catalog中連接ArcGIS Server服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并在ArcMap中進(jìn)行地圖服務(wù)發(fā)布，通過Analysts進(jìn)行地圖信息矯正和格式規(guī)范統(tǒng)一，最后Publish發(fā)布到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

本次可視化平臺開發(fā)過程中，前端展示采用六個統(tǒng)計圖表進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示，其中包括：生態(tài)系統(tǒng)健康統(tǒng)計柱狀圖、生態(tài)系統(tǒng)健康趨勢折線圖、等級劃分占比環(huán)狀圖、指標(biāo)權(quán)重柱狀圖、生態(tài)系統(tǒng)健康地區(qū)折線圖、云計算權(quán)重扇形圖。這六個統(tǒng)計圖均采用ECharts所提供的開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)了AJAX數(shù)據(jù)異步傳輸和jQuery的數(shù)據(jù)交互展示。

4.2.3 數(shù)據(jù)更新與預(yù)警

(1)Python字符串更新。對于字段統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用Python提供的網(wǎng)頁服務(wù)包進(jìn)行字符串更新操作，在代碼中設(shè)置數(shù)據(jù)源與更新周期進(jìn)行數(shù)據(jù)替換，地理數(shù)據(jù)通過ArcMap操作并發(fā)布新版本來替換原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)更新。

(2)阿里云短信預(yù)警。在預(yù)警方面，首先專題圖的更新提供數(shù)據(jù)調(diào)用接口，通過阿里云中的短信通知功能，監(jiān)測調(diào)用的生態(tài)風(fēng)險結(jié)果，當(dāng)達(dá)到預(yù)警值即可進(jìn)行短信通知(圖3)。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建復(fù)雜環(huán)境生態(tài)風(fēng)險預(yù)警可視化平臺，通過ArcMap將地圖發(fā)布出來，便于監(jiān)測平臺調(diào)用該地圖，以實現(xiàn)在線地圖服務(wù)，同時借助jQuery、Flex、AJAX等底層技術(shù)進(jìn)行平臺前端框架的實現(xiàn)。通過生態(tài)風(fēng)險統(tǒng)計柱狀圖、生態(tài)風(fēng)險趨勢折線圖、等級劃分占比環(huán)狀圖、指標(biāo)權(quán)重柱狀圖、生態(tài)風(fēng)險地區(qū)折線圖、云計算權(quán)重扇形圖共計六類統(tǒng)計圖表對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。通過Python軟件，實現(xiàn)了監(jiān)測平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)的自動更新功能；同時借助ArcMap軟件，實現(xiàn)人工的地圖服務(wù)更新功能。該平臺還具有較為完備的預(yù)警功能，通過阿里云中的短信通知功能，監(jiān)測調(diào)用的生態(tài)風(fēng)險結(jié)果，一旦達(dá)到預(yù)警值，平臺便可發(fā)出短信通知，實現(xiàn)短信預(yù)警功能。

圖3 平臺界面