基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价系统的设计与实现

杨朝辉，郑留蒋

（苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价系统的设计与实现

杨朝辉，郑留蒋

（苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

使用SSH开源框架搭建系统结构，结合GeoServer的地图服务和OpenLayers客户端开发工具，设计与开发基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价系统。系统首先对道路密度、水体密度、植被密度与建设用地密度等评价指标进行多线程解析，在此基础上确定评估指标的优化函数与权重系数并构建评价模型，最终以图表等直观形式在客户端显示各湿地的评价结果。该系统可为湿地保护与合理利用提供科学的方法和有效的决策依据。

湿地景观；健康评价；WebGIS；评价模型

湿地被定义为水陆相互作用形成的自然综合体，它在调蓄洪水、净化水质、调节气候和维持生物多样性等方面均起着巨大的作用，对地区的经济发展和人类生存环境有着重要的影响[1]。苏州市位于我国经济发达的长江三角洲地区，地处长江与太湖流域，境内水网密布，河道纵横交错，湿地资源非常丰富[2]。但是，近年来随着城市的全面扩张、人口的急剧增加与经济的高速发展，苏州湿地遭受到越来越严重的破坏，水污染情况日益加重，生物多样性逐渐丧失，生态功能严重受损[3]，严重制约了苏州市生态环境的可持续发展。为了更好地保护湿地，苏州市政府先后颁布了《苏州市湿地保护条例》与《苏州市级重要湿地名录（第一批）》，并开始启动湿地健康评价工作。湿地健康评价的目的是诊断由自然因素和人类活动相互作用造成的湿地生态的破坏或退化程度，据此为相关管理部门提供湿地保护和管理的决策依据[4]。由于湿地健康评价涉及物理、化学、生物与经济等多方面因素，考虑到苏州市湿地分布面积广、专业人员匮乏、现场高精度观测数据较少，加之人类的经济与开发活动大部分在景观层次上进行，因此，景观是研究苏州湿地健康的合适尺度[5]，景观健康评价可以反映出人类活动对苏州湿地的干扰与影响。美国环保局（USEPA）利用遥感和地理信息系统等技术手段，在景观尺度下使用较少的人力物力资源完成大面积湿地的景观健康评价[6]。Brown等研究了景观开发强度指数法[7]，通过测定不同类型的景观对应的单位面积内不可更新能源产生的能耗值与对应土地利用类型的面积比值完成评价。国内学者则大多将生物、化学、物理与社会经济数据等作为评价指标，使用“压力－状态－响应（PSR）”等数学模型，对研究区的景观健康状况做出评价[8-10]。

笔者以苏州湿地作为研究对象，选取道路密度、水体密度等景观因子作为评价指标，开发基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价系统。系统基于SSH开源框架，将GeoServer作为免费开源的地图服务工具，采用OpenLayers递交客户端请求。系统通过多个评价指标的综合加权分析，实现苏州市湿地景观健康评价，进而为湿地管理部门提供湿地规划与保护的决策依据。

1 系统总体结构设计

考虑到B/S模型具有开发与管理成本低、资源共享简单等优点，该系统基于B/S模型结构，使用集成

SSH框架、开源GIS软件GeoServer2.6.3、OpenLayers3.4与数据库软件MySQL，开发基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价系统。集成SSH框架是Spring、Struts和Hibernate的简称，它是搭建服务端应用的高效解决方案。其中Hibernate负责持久层的操作，它封装了数据库底层的实现步骤，以面向对象的形式对数据库进行访问和储存；Struts是MVC模式架构，它负责表现层与业务逻辑层的对接；Spring则是系统框架的核心，它将各部分有效的结合起来，将不同功能组装起来。GeoServer是基于JavaEE的开源GIS服务器软件[11]，主要用于地图空间数据的发布。OpenLayers作为一种轻量级的开源WebGIS开发框架，具有成本低、开发简单、支持多种地图格式等特点[12]。OpenLayers可向GeoServer请求返回地理信息数据，从而在客户端进行解析渲染操作，将湿地景观健康的评价结果以可视化的形式呈现给管理者与用户。

系统的总体结构图如图1所示。用户在客户端通过浏览器登入系统发出请求，系统将GeoServer所发布的地理信息数据返回给客户端浏览器，由OpenLayers对地理信息进行解析渲染并得到评价结果，最终将评价结果在客户端中显示出来。图中数字箭头表示系统数据处理的流程。用户成功登入系统后根据实际需求向服务器发送AJAX请求，服务器接收到AJAX请求后先在MySQL数据库中进行检索，若数据库中包含此评价指标对应的评价函数结果，则直接返回查询结果，并以JSON格式的字符串对客户端请求做应答返回。否则运用多线程实时解析评价指标对应的JSON文件，并将评价结果存储到数据库中。客户端再通过Javascript脚本语言对JSON结果字符串进行解析，并调用OpenLayers API对解析结果作进一步处理，生成Open-FlashChart数据格式的字符串，结合OpenFlashChart引擎生成可视化图表，最终将详细的可视化评价结果反馈给用户。

图1 系统总体结构

2 系统功能模块设计

该系统可分为地图发布模块、图层显示模块、湿地评价模块和结果显示四大功能模块，如图2所示。

图2 系统主要功能模块

2.1 地图发布模块

通过GeoServer发布湿地相关的地理信息数据，包括矢量数据和栅格数据。其中矢量数据层有：湿地、水体、道路、建设用地和研究区域边界等；栅格数据有：苏州遥感影像图、地表水体密度图、道路密度图、建设用地密度图和植被NDVI等。图3为GeoServer在服务器端所发布的地图数据。

图3 GeoServer发布的图层数据

2.2 图层显示模块

客户端通过Javascript调用Open-Layers的WMS请求，从GeoServer服务

器中获取image/png格式的图层数据。请求获取的数据通过设定的边界（bounds）、缩放级别和投影坐标在地图显示区域显示。另外，通过OpenLayers自带的API函数，可以方便地实现地图的放大、缩小、移动与图层叠加等操作，并实现简单的空间查询。

2.3 结果显示模块

使用AJAX异步传输技术开发更好、更快、交互性更强的Web应用程序。当Web应用获取地理信息数据时只需与服务器进行少量的信息交换，而不用对整个页面进行更新，从而实现评价结果的快速显示。

2.4 湿地评价模块

通过设计由指标优化函数E和综合评定函数P构成的湿地健康评价模型，在景观单元上将多个评价指标合理的组合在一起，并定量地得到评价结果，公式如下[13]

式中zij，t是景观单元点（i，j）上评价指标t的原始值，zt是评价指标t的有效区间，用以排除少量数值过大或过小、并远离数据聚集中心的评价指标原始值，Sij是（i，j）上的湿地景观健康综合指数。

评价指标的原始值zij，t有时很难直观地体现出对湿地景观健康的影响程度，而指标优化函数E通过优化评价指标原始值，将其合理的与湿地景观健康状况关联起来。综合评定函数P则基于各评价指标的权重将多个评价指标有机结合，综合计算出每个景观单元点的湿地景观健康综合指数。由于不同评价指标之间的优化区间各不相同，必须结合评价指标原始值分布情况、专家经验等多方面因素进行设置。

确立评价模型函数后，根据评价函数类型及所设置的参数，将每一评价指标依次对湿地区域进行逐像素求解，并取所有点的平均值作为该湿地的该评价指标单项得分，而将该湿地所有评价指标的加权得分作为该湿地的综合得分。另外，为了简化该系统，可提前设定常用的评价模型函数，并根据对应的指标优化函数E与综合评定函数P的参数将各种评价信息预先制作成图表储存在服务器，直接供用户调用而快速完成湿地景观健康的网络评价，从而避免每一次进行评价时都进行大量的运算。

以图4的石湖湿地为例，通过石湖湿地边界的Shape文件对地表水体密度、道路密度、建设用地密度和植被密度评价指标的栅格数据进行裁剪，获取每个景观单元点上对应的评价指标原始值。采用指标优化函数E对评价指标进行优化与归一化。最后经过湿地专家讨论得到各评价指标相应的权重，从而计算出湿地内部每个景观单元点对应的的综合加权得分，并将所有景观单元点加权得分的平均值作为该湿地的景观健康评价总体得分。系统使用AHP方法确定指标权重，通过苏州市湿地保护专家委员会专家为各评价指标进行1-9级的两两对比打分，建立判断矩阵，在验证一致性的条件下求得各评估指标的权重。

图4 石湖湿地综合评价得分的求解

3 主要功能实现

3.1 评价指标多线程解析

评价指标的合理选择是湿地景观健康评价的基础，所选指标应该能够准确地反映出湿地景观的健康状况，体现景观生物物理特性的变化与人类活动对湿地健康的影响。考虑到遥感影像是快速提取景观尺度的有效数据源，道路、水体、植被与建设用地等景观要素均能够直观反映湿地景观健康状况[14]，该系统选择新一代的Landsat8遥感影像作为基本数据源提取影响湿地健康的景观要素。其中，道路是影响湿地生态环境的主要因素[15]，道路越密集，区域车流与人流量也越多，对湿地造成的干扰也越大，该系统使用基于感知编组和动态规划的道路提取方法实现道路要素的检测与提取。地表植被覆盖信息能够反映湿地鱼类、鸟类与水禽等动物的食物供给量与活动空间，该系统采用改进的植被指数模型SAVI提取植被要素，并通过将湿地水域

范围置零而消除湖泊蓝藻信息对NDVI的干扰。水体主要包括湖泊与河流，是影响湿地健康的重要景观要素。开放水体面积越大越有利用于鱼类与鸟类的活动，该系统使用改进的水体归一化指数方法提取水体要素。建设用地是人类生活空间、工作场所和建设工程的主要载体，也是影响湿地的重要因素，该系统采用IBI算法[16]实现建设用地要素的自动提取。

在提取出道路、植被、水体与建设用地等相关景观要素后，采用密度制图方法，生成以空间最小景观单元（30 m空间分辨率）为基本单位的道路密度、水体密度、植被密度与建设用地密度等评价指标的栅格图。虽然上述4个指标并不能完全表达湿地景观健康的全部特征，但在现有景观尺度观测数据较少的前提下是一种有益的尝试。

由于在评价模型的运算过程中需要在湿地区域内逐像素读取上述四类评价指标的数值，考虑到各湿地的面积大小不一，尤以阳澄湖与澄湖湿地的面积为大，在解析对应的JSON评估指标文件时，将成为影响运算速度的主要因素。该系统首先将阳澄湖与澄湖湿地的Shape文件分割成若干小块（如图5所示），然后再利用分割后的Shape文件对评价指标栅格图进行切割，将其转换为JSON文件。为了提高运算速度，在对各湿地JSON文件解析时采用多线程设计，通过设计合理的线程数量，避免过多的线程进行切换，更充分的利用CPU来提高程序运算性能。实验中所使用的电脑配置为4核，实验结果发现将线程数量设置为CPU核心数的两倍时，对CPU的利用率将达到最高，运算速度也最快。

图5 分割后的湿地Shape文件

3.2 评价模型构建

选择地表水体密度、道路密度、建设用地密度和植被密度作为评价指标，获取各湿地对应评价指标的原始值。根据评价指标原始值分布情况与专家经验选择合适的指标优化函数对评价指标进行优化与归一化。如图6（a）与（b）所示，用户可以根据不同评价指标的特点分别选择线性函数、二次函数或者通过函数编辑器来自定义优化函数。另外，苏州市湿地保护专家委员会专家使用AHP方法对各评价指标进行两两对比打分，在验证一致性的条件下求得各评估指标的权重，如图6（c）所示。

以某次评价为例，道路密度原始值范围为0-4.7，选择自定义递减函数，权重为0.21；地表水体密度原始值范围为0-787.6，选择自定义递增函数，权重为0.34；植被NDVI原始值范围为0-0.713，选择自定义递增函数，权重为0.24；建设用地密度原始值范围为0-782.8，选择自定义递减函数，权重为0.21。这样通过设置评价指标对应的优化函数与权重，即可完成评价模型的构建。从而计算出湿地内部每个景观单元点对应的综合加权得分，并将所有景观单元点加权得分的平均值作为该湿地的景观健康评价总体得分。

3.3 评价结果显示

将道路密度、水体密度、植被密度与建设用地密度等4个评价指标输入上述评价模型，计算湿地区域内每个景观单元对应的湿地景观健康综合指数，得到如图7所示的评价结果表格。表格中分别统计出每个湿

地的总面积、各个得分区间内包含的景观单元个数、得分方差与湿地的平均得分。将平均得分作为最终评价结果，并按照0-40分、40-60分、60-80分与80-100分划分为差、一般、较好与良好四个等级，并将结果返回到客户端，用不同颜色进行显示，得到如图8所示的评价等级分布图。此外，为了更直观地显示评价结果，系统还提供了折线图、直方图与扇形图工具来可视化显示各个湿地的评价结果（如图9所示）。

图7 评价结果表格显示

图8 评价等级分布图

图9 评价结果可视化图形显示工具

从评价结果可以看出，以南星湖湿地与盛泽荡湿地为代表的湿地健康等级为良好或较好，这些湿地大多位于苏州市郊，湿地周围开发程度小，以农田与水塘为主，基本没有工业区与商业区，不易受到人类活动的干扰。相反，以金鸡湖湿地与尹山湖湿地为代表的湿地健康等级为一般或差，这些湿地大多数靠近开发强度较高的城区中心，开放水体面积相对较小，易受到人类活动的干扰（见图10）。整体上看，苏州大部分湿地景观健康状况一般，受人类活动干扰与经济发展的影响较大，退化情况比较严重，需要尽快地进行保护与管理。

图10 不同景观健康评价等级的湿地

4 结语

对湿地生态景观健康进行评价是为了更好的保护和合理利用湿地。笔者采用了SSH、GeoServer和Openlayers一套免费开源并且成熟、稳定的软件框架，搭建开发了基于WebGIS的苏州市湿地景观健康评价

系统。该系统使用道路密度、水体密度、植被密度与建设用地密度等评价指标完成对湿地的定量评价，并最终将评价结果以图表等直观的显示方式返回用户所在的客户端。该系统借助SSH架构搭建，各功能模块的加入以组件的形式拓展，可以很容易的对系统各模块进行功能上的修改与改进。该系统通过实验测试，具有很好的稳定性和高效性，可成为湿地管理部门进行湿地规划与保护的有效工具。

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Design and realization of WebGIS-based landscape health assessment system of Suzhou wetlands

YANG Zhaohui，ZHENG Liujiang
（School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

Using open source framework of SSH,GeoServer map services and OpenLayers client development tool，we have designed and implemented WebGIS-based landscape health assessment system of Suzhou wetlands.Firstly，the assessment factors of road density，water-body density,vegetation density and built-up land density were resolved by multi-threading process.Then assessment model was constructed by determining optimal function and weight coefficients of assessment factors.Finally，the assessment results were shown with figures and tables at client sites.This system can provide scientific methods for wetland protection，rational utilization and effective decision.

wetland landscape；health assessment；WebGIS；assessment model

P962；TP391

A

1672－0687（2016）04－0072－06

责任编辑：谢金春

2015－07－06

江苏省六大人才高峰资助项目（2014-NY-020）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20141182）；江苏省环境科学与工程重点实验室开放基金资助项目（Zd131208）；苏州市科技计划项目（SYN201510）

杨朝辉（1976-），男，江苏常州人，副教授，博士，研究方向：湿地监测与评价。