地理信息技术在区域空间生态环境评价“三线一单”编制中的应用

屈鹏，王君艳，翟雪宁

(1.甘肃省基础地理信息中心，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃省环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730000)

1 引 言

“三线一单”是指“生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和生态环境准入清单”(以下简称“三线一单”)，是生态环境部贯彻落实党中央、国务院决策部署，推动形成绿色发展方式和高质量发展的重要举措[1～5]。“三线一单”是控制空间利用格局、开发强度和规范开发行为，为国土空间规划、环境评价等工作提供基础支撑，对加强生态环境保护、促进高质量发展、优化国土空间开发、完善空间治理体系具有重要意义。“三线一单”在编制过程中使用了大量的地理空间数据，最终提交的成果中地理空间数据也是必不可少的成果之一。地理信息技术贯穿于整个“三线一单”的编制过程中，发挥着极其重要的作用，直接影响着“三线一单”编制的效率和质量。本文以甘肃省区域空间生态环境评价“三线一单”编制中地理信息技术的应用为例，构建了“ArcGIS+FME+Python”的地理空间数据处理的架构，快速、便捷地完成了“三线一单”中地理空间数据处理工作。ArcGIS[6]是全球应用最为广泛的地理信息软件，具备强大的地理信息处理能力。FME[7]是加拿大Safe Software公司研发的空间数据转换处理系统，能提供完整的空间ETL解决方案，拥有400多个不同功能的转换器，能够灵活应对各种数据重组和内容变换任务。Python语言具有简洁、易读和可扩展性的特点，拥有多种开源库，且已成为ArcGIS的脚本语言，提供站点包ArcPy，通过Python调用ArcGIS的地理处理工具(Arctoolbox)执行地理数据分析、数据转换、数据管理和地图制图。在FME中也可以嵌入Python代码，FME的PythonCaller和PythonCreator的使用，可以用Python语言来进一步扩展FME的功能。“ArcGIS+FME+Python”的地理空间数据处理架构，以免费、开源的Python语言为基础，以ArcGIS和FME为地理空间数据处理的“双手”，构建强大、快速地“三线一单”地理空间数据处理体系，保障“三线一单”工作的顺利完成。

2 地理空间基础数据的整理

“三线一单”收集了生态、水利、自然资源、交通、发改、农业等多部门的数据资料，存在数据格式不一致、坐标系统不统一和非空间数据等数据空间差异，这些问题均需要地理信息技术解决，如图1所示，也是地理信息技术最擅长、最基本的技术[8，9]。FME集成超过320种空间与非空间数据格式，是解决不同空间格式转换的利器，能够完成“三线一单”收集数据中CAD格式和MAPGIS格式向ArcGIS格式的无损转换[10，11]。“三线一单”地理空间数据均需要转换至平面基准为CGCS 2000国家大地坐标系，高程基准为1985国家高程基准，与“三线一单”成果数据保持统一的坐标系统。空间化处理主要是对收集的文档和图片格式的数据进行空间配准和矢量化采集的过程。地理空间基础数据的整理是“三线一单”编制工作的基础工作，工作量巨大，同时也是奠定“三线一单”编制工作的数据基础的关键步骤，直接关系到后续工作的开展和最终的成果质量。

图1 “三线一单”地理空间基础数据的处理内容

3 专题数据处理关键技术

3.1 批量属性赋值

对地理空间数据进行批量属性赋值是“三线一单”地理空间数据整理过程中最常见的操作。主要包括按文本资料数据赋值和按空间位置赋值两种方式。按照文本资料给地理空间数据赋值采用ArcGIS的合并连接(Join)方式将文本属性挂接到地理空间数据的属性表中，这种挂接实现“一对一”“多对一”的关系的属性挂接。ArcGIS具有强大的空间分析和处理能力，能够提供多种按空间位置赋值的方式，可采用合并连接(Join)中位置(Location)选项，实现属性的挂接；也可采用toolbox的识别(identity)完成，但须两者具备同样的空间几何类型，并出现原输入数据被识别数据图形更新的状况；还可通过空间连接(spatial join)的方式，通过包含条件(一个要素在另一个要素内)或邻近性条件(一个要素接近另一个要素)实现属性批量赋值。另外通过ArcGIS的空间纠正(Spatial Adjustment)中属性传递(Attribute Transfer Mapping)，可以实现半自动化的属性赋值。如：对甘肃省水环境管控分区矢量数据的坐标值赋值，在顾及河流流向的情况下，赋控制单元赋控制断面的起点和终点经纬度，可在人为判读河流流向的情况下采用属性传递快速赋值。

FME的转换器(Transformer)中要素融合(FeatureMerger)和数据库连接(DatabaseJoiner)均可基于共有字段完成属性挂接。Python亦可按照属性字段对照表，实现属性字段的批量赋值。

3.2 微小图斑处理

“三线一单”地理空间数据在制作过程中各类地理空间数据经过了相交(intersect)、合并(merge)、联合(union)和裁切(clip)等不同的空间数据处理过程，产生了大量的微小面、小裂缝和面重叠等拓扑错误。按照“三线一单”成果数据的要求[12]，在各图层中非特殊可说明的情况外不允许出现面积小于 100 m2的微小图斑，如生态保护红线图层包含EcoRedline62、EcoGen62和EcoGenSpace62三层，这三层数据打散(multipart)状态下共计有 402 403个图斑，存在的小于 100 m2的微小图斑有 138 167个，超过四分之一的图斑为微小图斑。在“三线一单”的资源利用上线(NRKeyLandResourceKey62)和综合管控单元(IntergratedControlUnit)的图层中也存在数量巨大的微小图斑。这些微小图斑应该实现在本县区内就近图斑合并。使用Python调用ArcGIS的Eliminate工具批量进行合并。关键代码如下：

arcpy.MakeFeatureLayer_management(fc，tempLayer+fc)

#创建一个临时要素层。

arcpy.SelectLayerByAttribute_management(tempLayer+fc，"SELECTION"，"Area<100")

#选择面积小于100平方米的图斑。

arcpy.Eliminate_management(tempLayer+fc，r"f：geodatabase.gdb"+"/"+fc，""，"")

#选择与相邻图斑共边的最长边或最大面积进行合并。

3.3 数据质量检查

“三线一单”数据质量的检查包括对矢量数据空间拓扑检查和矢量数据属性值的检查。FME能够提供完整的地理空间数据的空间拓扑和属性质检方案，已经得到广泛的应用[13，14]，FME的质检模块不仅能在线下运行，还能够通过FME server发布成为质检服务提供线上的数据质检。

矢量数据的空间拓扑检查包括单层内拓扑检查和层间的拓扑检查。层内拓扑检查：成果数据各图层范围内相邻要素之间的重叠、缝隙以及交叉多边形、微小多边形等拓扑错误。层间拓扑检查：各要素图层间逻辑关系一致情况，同一要素的优先管控区域、重点管控区域和一般管控区域之间的重叠和缝隙情况。利用FME制作的矢量数据空间拓扑质检模板如图2所示，包括线自相交模块、面重叠模块、微小面模块、面空洞模块、裂隙模块、线出省界模块和面出省界模块。基于FME空间拓扑质检模板使用了几何过滤(GeometryFilter)、融合(Dissolver)、打散(Deaggregator)、线面重叠(LineOnAreaOverlayer)、面面重叠(AreaOnAreaOverlayer)、属性过滤(AttributeFilter)、几何验证(GeometryValidator)、空洞提取(DonutHoleExtractor)、条件判断(Tester)等转换器(Tramsfomer)。由于甘肃省国土面积辽阔，“三线一单”数据图层基本都是覆盖全省范围，部分单层的数据量比较大，同时运行可能导致速度很慢，效率反而不高。可将部分模块设置为不运行(Disable)状态，先运行一个或者几个模块运行，提高效率。

图2 “三线一单”地理空间数据空间拓扑质检模板

矢量数据属性值检查包括数据层的齐全性，属性项齐全性，属性项定义是否符合要求以及属性项值域检查，如必填属性项的属性值是否符合值域要求，PROV值域需填写为甘肃省，GKQFL值域为1、2、3等。通过“三线一单”成果数据和数据模板对比，检查成果数据的数据层的完整性、命名的正确性和属性字段齐全性，然后利用FME读取属性质检配置表，确定值域的符合性。“三线一单”地理空间数据属性质检模板如图3所示，生成线状要素的质检问题和面状要素的质检问题。属性质检配置表是为xlsx格式，配置“三线一单”成果数据必填项，主要配置了HJYSGKFQBM、HJYSGKFQMC、GKQFL、HJYS等字段的值域范围如图4所示。

图3 “三线一单”地理空间数据属性质检模板

图4 属性质检配置表

3.4 其他应用

依托丰富的地理信息数据资源，地理信息技术能够为“三线一单”编制提供更多服务，如利用数字高程模型(DEM)[15～17]和ArcGIS的水文分析确定了甘肃省流域范围、划分水环境管控分区和河网数据。根据“三线一单”地图制图的规范[18]和地图制图的要求，制作了“三线一单”基础数据和成果数据的制图模板，如图5所示。基于ArcGIS Server发布“三线一单”动态地图服务，实现“三线一单”在线地图的共享、调用。地理信息技术贯穿于“三线一单”的整个编制过程中，已成为“三线一单”编制技术中必不可少的技术。

图5 “三线一单”制图模板示意图

4 结 论

本文通过构建“ArcGIS+FME+Python”的地理空间数据处理的架构，为甘肃省区域空间生态环境评价“三线一单”编制提供地理信息技术支撑，实现了“三线一单”地理空间数据的批量化处理，快速、有效地完成了甘肃省区域空间生态环境评价“三线一单”地理空间数据的整理、数据质检、专题数据制作、地图配图等工作内容，有力保障了“三线一单”编制的顺利完成。