PPGIS模式下的梅州市全民生态共治与实时监测平台建设

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

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。

参考文献

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