PPGIS模式下的梅州市全民生态共治与实时监测平台建设

来源:用户上传      作者:吴冰莲 黄钊华 钟广锐

　　摘   要：随着梅州市城镇化速度加快，人为活动对生态环境的干扰程度增大，导致人地关系失衡，耕地占用、垃圾堆积、农药污染、水土流失等问题时有发生。出于环境问题追踪难度大、处理周期长等原因，本文提出“以人为本”的治理理念，公众成为生态数据采集、处理与传播的主体，并由公众监督，参与问题处理的全过程。本文采用PPGIS技术与MVC软件设计模式，设计开发支持全民参与、在线监督、信息可视化的环境监测平台，激发公众参与环境保护积极性，协助攻破环境管理难题。
　　关键词：全民  生态保护  GIS  PPGIS
　　中图分类号：X-1                                    文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0148-06
　　自马什（1864）反思技术、工业、人类活动对地理环境和自然的负面影响[1]，生态研究兴盛并涌现大批优秀成果。學者提出生物、化学等改良措施，相关部门组织实施而基层民众知之甚少，环境一边治理一边被持续破坏。为此，本文提出不受年龄、性别、行业、社会地位、文化水平限制的活跃在同一生态圈中的所有公众主体，以梅州市全民生态共治与监测系统为平台，参与生态环境信息收集、上传、扩散、监督、舆论的全过程，提高环保意识，增加参与度;创新信息反馈机制，打造多方联动，缩减反馈周期，提高问题解决效率。
　　本系统采用PPGIS技术实现多用户上传、信息共享、舆论监督的全民共治模式，打造“个人地图”、“环保专题”、“生态监测”、“环保公益”、“信息公开”与“论坛”五大功能模块，其特点是易操作、可视化与信息共享。
　　1  梅州市生态环境现状
　　梅州市城镇化水平不断提高，城镇化率从2005年的41.63%提升到2015年的47.79%，近几年，坚持发展与治理并行，提出“无废城市”理念，但仍存在开发不当、垃圾堆积、农业污染、水质超标、公民环保意识薄弱等现象;同时由于梅州市是典型山区城市，地质构造复杂，亚热带季风气候显著，山体滑坡、水土流失等问题持续迸发。
　　1.1 耕地面积减少
　　耕地具有调节气候、涵养水源、分解有害物质等改善自然条件的功能，是衡量环境质量的重要指标。随着梅州市经济发展与城镇化推进，城镇建设用地面积逐渐扩大，住宅、商服、工厂企业占领大量土地;不科学耕种方式，导致土壤肥力下降;大量农村人口进城务工，田间劳动力减少，耕地废弃;梅州市山体滑坡、暴雨、霜冻等气象灾害频发，耕地受灾破坏，面积逐渐减少。据统计数据显示，近17年间，梅州市耕地面积上下波动，但总体呈下降趋势。
　　1.2 地质灾害频发，水土流失严重
　　梅州市属亚热带季风性湿润气候，冷热悬殊，夏季多暴雨;地势北高南低，山地面积广，占全市总面积的24.3%，由武夷山脉、莲花山脉、凤凰山脉三列山脉和兴宁盆地、梅江盆地、蕉岭盆地、汤坑盆地四大盆地组成;地形起伏大，坡度多在10°～45°之间;地质构造复杂，由花岗岩、喷出岩、变质岩、红色岩以及灰岩六大类岩石构成，结构疏松、抗剪强度和抗风化能力低。在气候、地形、地质以及长期不合理农业垦荒等条件共同作用下，梅州市地质灾害频发，山体滑坡、水土流失严重。据调查，截止2010年12月底，全市登记在册地质灾害隐患点6041处，其中土石坍塌4095处、山体滑坡1814处、泥石流1处、地面坍塌126处、地裂缝5处，频繁的地质灾害，对环境造成极大威胁。
　　1.3 乡镇企业污染严重
　　梅州市工业企业发展迅速，截止2017年，梅州市共拥有规模以上工业企业461个，民营企业2.86万户，个体工商户18.54万户，工业总产值约9123484万元，其中，轻工业占36.15%，重工业占63.85%。轻工业以白酒、卷烟、服装、木制家具、药品生产为主，重工业以采矿、加工、机械、发电等为主。但由于生产技术落后、管理水平较低、污染物排放量大、工业废弃物处理能力与再利用率低，轻重工业所产生烟尘、颗粒物、氨氮、COD等有害废弃物被排放到附近环境中，对河流、土壤、空气造成极大破坏（规模以上单位：指统计范围为年主营业务收入达2000万元以上的工业企业）。
　　1.4 人口增长，生活污染严重
　　随着城镇化进程加快，人口加速聚集，垃圾生产量也以空前仅有的速度在增长。截止2017年，梅州市常住人口约437.43万人，每人每天平均制造垃圾1.16kg，即每年有近百万吨垃圾产生，而焚烧处理、垃圾堆肥、卫生填埋仍是主要处理方式。因堆肥面向剩菜剩饭等有机垃圾，大部分垃圾难以归入堆肥范围，因此仍以垃圾焚烧与填埋为主，处理产生的烟尘、NO2、SO2、CO、HCl等有害物质排放到大自然中，对空气、水源、土壤等造成严重二次污染。
　　1.5 农药、畜禽养殖污染严重
　　第一产业在梅州经济结构中具有重要地位，据统计，2017年梅州市第一产业产值约208.5亿元，占总产值的18.52%。梅州市以种植粮食、玉米、水果、柚类、茶叶为主，经营水产和肉猪养殖，种植经济林。生产过程中，农民大量使用化肥、农药、塑料薄膜、温室大棚等提高作物产量，农药残留、农用塑料掩埋，导致土壤肥力下降、地下水源污染、土质硬结;畜禽养殖医药、粪便等随处排放，造成水体营养过剩、水体污染等;秸秆、稻草等废弃物就地焚烧，造成空气粉尘堆积等。
　　2  PPGIS技术在梅州市生态共治的应用概述 　　2.1 PPGIS技术简介
　　PPGIS技术的研究始于20世纪60年代，由Xavier Lopez先生命名为“公众参与地理信息系统（PPGIS）”，并于1998年圣巴巴拉会议上确定该技术的基本原理与未来研究方向[5]。PPGIS技术是为解决GIS技术专业性强与普通群众参与难度大而衍生出的结合公众参与理念与地理信息技术的新方法，目前尚未统一定义，通用解释为：PPGIS属于使用GIS技术方法的应用，扩展公众在政策制定中的参与，并以使用GIS技术提高非政府组织、基层民众和基于团体组织参与为目标[6]。其重要特征是“以人为核心”、“面向公众参与的社会过程”，为公众便捷的参与城市、国家重大决策提供开放、透明的决策管理平台。PPGIS技术常用于社区管理、城市规划等。
　　2.2 PPGIS模式的技术内涵
　　2.2.1 面向公众参与的社会过程，以人为核心
　　传统环境整治系统主要通过大量图文且单向传递信息，界面刻板、拥挤，交互体验差，难以满足公众“快餐式阅读”习惯;同时，GIS技术专业性强、理解难度大，用户学习能力与操作能力参差不齐。为此，系统设计环节充分考虑用户体验性，确保界面简洁、指令明确、操作简单，降低使用难度，实现公众表达、获取、关注和交流的无障碍过程。
　　2.2.2 基于地图的数据可视化技术
　　PPGIS系统基础数据的获取采用从下而上方式，表明公众参与积极性高低与项目成功与否有重大联系。为确保数据供应链正常，系统采用“地图+用户标记”模式，支持基于位置标记点和以图片、涂鸦、文字等形式描述信息，增强用户界面易操作性，将用户从堆积如山的文字、数字中解救出来，使信息以有趣、轻松的形式传递，提高公众参与度。
　　2.2.3 协同式空间决策技术
　　传统空间决策主要面向单用户，呈现“个体群众-决策者”模式，信息交流程序繁琐，造成群众意见收集困难、群众知识利用率低、管理者协商难度大、事务处理周期长等问题。系统打造生态地图、生态监测与论坛等功能模块，实现问题图形化、意见公开化、交流透明化，基于地图集中展示各方意愿，充分调动公众智慧，多用户协同，提高决策效率。
　　2.2.4 基于GIS的情景分析技术
　　封装GIS空间分析功能，以通俗易懂的GIS工具条形式进行展示。用户以系统提供的底图与专题地图为基础进行空间分析，如污染源影响范围分析、空气质量分析等，直观准确预测环境因素变化带来的影响，促使公民意识到环保与自身利益联系，提高公众参与的积极性、趣味性。
　　3  系统设计
　　3.1 系统架构设计
　　按照软件分层架构设计思想将系统划分为表示层（Web）、业务层（Biz）、数据层（DAO）三部分，每一层都支撑着对应的功能模块。
　　（1）数据层主要负责处理应用程序中数据逻辑部分，用于在数据库中存取数据，该层使用ArcSDE空间数据库引擎连接Oracle数据库和地理空间数据库存储用户数据和地理数据，支持用户标注数据，为用户提供服务和专题应用。
　　（2）业务层控制处理用户交互部分，负责从表示层控制和读取用户输入，向数据层发送请求，指定视图展示。该层提供各种服务接口与API，支持信息共享交换，主要服务包括Oracle服务、ArcGIS服务、IIS服务，主要功能为地图展示、数据管理、应用分析、地图标记等。
　　（3）表示层也称为界面层，用于展示信息并提供用户输入接口，提供交互式操作界面。主要包括系统主页面、用户注册登录界面、地图操作界面、专题地图展示与分析界面、生态监測数据展示界面、环保文库界面、论坛界面等视觉内容。
　　3.2 系统功能模块设计
　　系统由以上三大层次构成，按照功能实现，将系统划分为以下五大模块。
　　（1）负责用户注册、登录（账号登录、快速登录）以及密码找回操作，账户信息由该接口传入和存储，交由数据库统一管理和调度。
　　（2）地图模块：映射系统中“个人地图”与“环保专题图”版块，负责公民在线反馈、查询、检测、讨论环保信息、查看专题图、进行空间数据分析。“个人地图”调用天地图为底图，公众定点为专题数据，支持用户以图文、涂鸦、标记形式反映问题、查看生态问题、在线讨论、进度追踪、查看文件等;“环保专题图”提供生态保护区、空气质量、植被现状、降水、土地利用等专题图供用户使用。地图模块开发“工具条”，支持地图操作包括放大、缩小、范围选择、测距、漫游、定位;支持用户搜索感兴趣区域、自定义地图、地图分析、涂鸦、地图风格切换、添加与删除图层等;支持地图输出即用户可保存个人地图并下载输出至本地。
　　（3）监测模块：包括监测窗口、站点地图展示和监测数据展示，支持相关部门上传问题处理进度、公开生态数据;支持用户以地图查询、信息图表浏览方式定位站点，关注处理进度和生态热点问题，并浏览下载监测数据。
　　（4）信息模块：映射系统的“环保公益”与“信息公开”专题，负责环保事迹、环保新闻、公益活动、以及官方文件传送。
　　（5）论坛模块：包含环保宣传栏、活动专栏以、论坛专题栏以及讨论区，便于用户掌握最新宣传环保动态、组织发起志愿活动、发表个人意见、共享用户经验，实现用户参与自主化、互联化。
　　4  系统开发
　　4.1 开发方式选择
　　采用MVC（Model View Controller）框架的软件设计模式，采用Web Services方法实现数据与表现的解耦。
　　4.2 系统开发关键技术说明
　　4.2.1 WebGIS技术
　　WebGIS即互联网地理信息系统，是利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。由于HTTP协议采用基于C/S的请求/应用机制，具有较强用户交互能力，可传输并在浏览器上显示多媒体数据，而GIS信息主要以图形、图像方式表现空间数据，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析。 　　WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物，是基于Internet的OpenGIS。GIS通过WWW功能实现扩展，真正成为可供大众使用的工具。WebGIS以WWW的Web页面作为GIS软件用户界面，实现Internet和GIS技术结合，支持各种交互操作，是一种大社会级的GIS。WebGIS可实现对各种传统GIS系统数据的相互操作和共享，以便充分利用现有数据资源;同时可用于Internet以建立各部门内部的网络GIS，实现局部范围内的数据共享。它不但改变了传统GIS的设计、开发和应用方法，而且完全改变了空间数据的共享模式。
　　4.2.2 面向服务架构
　　本系统采用SOA（Service-Oriented Architecture）架构即面向服务架构，可根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用。服务层是SOA的基础，可直接被应用调用，从而有效控制系统中与软件代理交互的人为依赖性。
　　SOA是一种粗粒度、松耦合服务架构，服务间通过简单、精确定义接口进行通讯，不涉及底层编程接口和通讯模型，可看作B/S模型、XML/Web Service技术之后的自然延伸;是一种组件模型，允许不同服务模块通过良好的契约和接口联系起来，实现分布式服务调用。接口是采用中立的方式进行定义，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言[13]。
　　当前SOA的实现形式是Web服务，基于公开的W3C及其他公认标准。利用SOA架构实现梅州市全民生态共治与实时监测平台，需要将相关的环保专题数据、生态监测数据和综合业务数据资源通过Web服务方式转化为可被复用的信息资产，再将Web服务按不同层面在统一SOA架构中进行部署、运行，实现业务的快速需求响应。
　　4.2.3 ArcGIS Server
　　ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩、全面的GIS平台。ArcObjects包含众多可编程组件，从细粒度对象（如单个的几何对象）到粗粒度对象（如与现有ArcMap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了健全的GIS功能。
　　ArcGIS Sever是功能强大的基于服务器的GIS产品，用于构建集中管理的支持多用户的、具备高级GIS功能的企业级GIS应用与服务。如：空间数据管理、数据编辑、空间分析、二三维地图可视化等应用和服务。ArcGIS Sever为开发者提供了REST（Representational State Transfer）风格的应用程序接口ArcGIS Sever REST API，在此基础上提供了采用Dojo框架的JavaScript语言的富客户端（RIA）开发接口，ArcGIS API for JavaScript。RIA改变了传统的所有任务都在服务端的执行模式，不仅减轻了网络传输和服务器的负担，也提高了客户端的处理和交互能力[14]。
　　4.3 数据库建设
　　系统主要使用地理空间数据库和Oracle数据库两大数据库。
　　地理空间数据库由ArcSDE进行管理，用于存储和输出梅州市底图、用户标注地理位置信息、POI以及降水、植被覆盖等基于位置的空间数据;Oracle数据库则以表单形式存储用户信息、标注信息、专题图属性等内容。由ArcSDE空间数据库引擎连接Oracle数据库，实现空间数据和属性信息的统一高效管理。
　　4.4 系统主要功能模块的实现
　　4.4.1 地图操作
　　（1）地图请求模式。
　　用户在客户端进行交互性操作，发送地图服务请求到ArcGIS Server服務端，服务器处理请求返回响应之后将相关地图服务在客户端显示。
　　（2）常用的GIS功能。
　　主要有地图显示、地图放大、地图缩小、测量距离、测量面积、清除选择等，通过调用ArcGIS for JavaScript API相关接口实现。
　　（3）地图搜索。
　　通过调用服务对图层属性、空间属性进行过滤显示，通过图表展示出来。
　　（4）图层叠加。
　　通过用户输入服务URL，调用图层服务叠加图层。
　　（5）下载服务。
　　通过调用PrintTask服务，将地图打印出来。
　　4.4.2 生态信息反馈
　　通过调用标注服务，用户通过点、线、面标绘、录入属性信息表单，将信息存储在数据库中，对信息进行展示和统计。
　　4.4.3 生态监测功能
　　WebSocket是基于TCP连接的通讯协议，它实现了客户端浏览器和服务器之间的全双工通信。WebSocket的基本原理是客户端浏览器首先向服务器发出一个包含申请通讯协议升级的HTTP请求，然后将其与客户端之间的HTTP协议升级至WebSocket协议并作出响应，通过这个过程，客户端和服务器之间完成“握手”，建立WebSocket连接。连接建立以后，客户端和服务器端可通过 TCP 连接直接交换数据。
　　用户在客户端（浏览器端）浏览时，向服务器发送数据请求，通过WebSocket技术，利用pm25.in提供的开源数据，在服务端对这些数据进行存储、逻辑处理和推送，并通过客户端以图形、表格等形式展示给用户，从而达到对数据的可视化，实现实时监测。
　　5  结语
　　本文在充分调查研究梅州市生态环境现状基础上，从PPGIS生态治理应用的技术内涵、系统架构设计、系统功能模块设计与系统开发四个方面探讨了该技术在支持全民参与生态环境治理的实现路径。系统基于地图进行信息的可视化展示，最大化考虑用户使用便捷性;支持用户以位置标记反馈和描述环保信息，以涂鸦和基于底图分析的方式绘制个人地图，支持查看和评论其他用户发布内容，实现信息的传播和传递，以此实现生态问题的统一管理和整治。由于作者知识水平限制、PPGIS技术在该领域的应用不成熟等原因，本项目理论研究和实践操作仍需进一步发展和完善，但相信随着公民参与意识的增强、技术融合程度的提高、科技水平的发展，PPGIS技术的应用将趋于成熟，当下许多问题将迎刃而解。
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