环境影响评价数据处理系统设计与实现

尹 志 恒，甄 艳，罗 浩，周 启，任 东 宇

(1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500； 2.自然资源部第三地理信息制图院，四川 成都 610100)

0 引 言

环境影响评价是中国促进生态环境与经济社会和谐、可持续发展的重要手段。2018年生态环境部印发《“三线一单”成果数据规范(试行)》，规定了“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”)成果数据的内容、形式和结构[1-2]。“三线一单”是加强生态环境科学信息化管理、完善环境影响评价制度体系的重要工作。目前中国学者针对“三线一单”的编制、应用实践、环境评价、技术逻辑等内容进行了大量的研究工作，其目的在于系统化、专业化、规范化进行“三线一单”的建设实施以及发挥其重要的价值。王亚男[3]对“三线一单”在重新构建环境准入体系中的意义，以及与规划环评和项目环评制度衔接的关键环节进行了探究。王文燕等[4]厘清了“三线一单”在成果表达和地方实践基础上的作用和功能定位，以支撑国家生态环境治理体系现代化建设。王晓等[5]针对生态环境准入清单编制现状及存在的问题，对“三线一单”中生态环境准入清单的编制路径进行了探讨。王孟等[6]通过对新时期环境保护要求的研究，提出了适用于流域综合规划的“三线一单”的制定原则、内容、指标、应用等。杨芳等[7]在四川省河流岸线开发利用与保护区中对“三线一单”的岸线陆域延展宽度进行了研究，同时对沱江流域的岸线进行了划分。姜昀等[8]为实现青海省生态功能改善的目标，解析了生态功能改善实现的关键点，提出了适用于青海省的“三线一单”的生态功能改善实现路径。于慧等[9]从生态环境质量改善、自然资源资产增值等角度对四川省资源利用上线的划定技术方法进行了探究。孙翔等[10]为解决流域养殖污染严重的问题，提出了基于“三线一单”的养殖污染环境管理框架，对流域养殖的管理具有重要意义。刘伟等[11]针对流域规划环评中替代方案不足的问题，提出基于“三线一单”的环境评价指标体系，并对流域开发规划的代替方案进行了研究。但目前尚缺乏对“三线一单”海量数据的质量检查以及其成果生成等相关方面的研究。

四川省作为长江经济带中率先进行“三线一单”编制工作的省份之一，目前在制作“三线一单”成果数据过程中存在诸多难题。例如：制作“三线一单”省级汇总数据时，由于数据量庞大、数据结构复杂，难以对汇总数据进行整体性系统性的质量检查、成果更新以及统计分析等操作，并且使用ArcMap或基于32位ArcEngine开发的软件会出现卡顿、崩溃等问题，导致数据处理无法完成。对“三线一单”成果数据生成缺乏系统化、自动化的工艺流程，因此，实现“三线一单”汇总数据严格高效的质量检查以及成果自动化生成具有重要意义。针对“三线一单”数据质量检查和成果生成环节存在的难题，本文采用基于ArcEngine的插件式开发技术和64位自定义GeoProcessing相关技术，设计并开发了“三线一单”数据处理系统，形成了一套系统化、自动化的“三线一单”成果数据生成工艺流程。

1 系统总体设计

1.1 开发及运行环境

系统的开发环境为Microsoft Visual Studio 2010，系统运行平台为ArcEngine Runtime 10.1、ArcGIS SDE 10.1、.NET Framework 4.0，系统运行的数据库管理系统为PostgreSQL 9.0，系统运行的硬件环境为：不低于2 GHz单核CPU或1.5 GHz多核CPU、不低于2 GB可用内存空间、不低于100 GB可用磁盘空间，具备集成或独立网卡，且接入可连接运管和工作空间的局域网，不低于512 MB显存的独立显卡。

1.2 系统架构设计

为满足“三线一单”海量数据整体化、系统化的质量检查，以及成果数据流程化、自动化生成等需求，本文系统采取基于.NET Framework运行环境和ArcEngine组件包等软件开发技术，遵循“三线一单”标准成果数据规范等要求，设计并开发了“三线一单”数据处理系统。其主要包括用户层、显示层、应用层、数据层共4个组成部分，系统架构如图1所示。

(1) 数据层。主要是用于支撑整个系统正常高效运行的基础数据资料和专题数据资料等内容，具体包括遥感影像数据、调查数据、污染数据、“三线一单”成果数据、地理国情普查数据等。

(2) 应用层。基于ArcEngine开发包与.NET Framework运行环境，设计、开发并实现了各个具体功能，以满足系统的需要。该层的主要工作为接收显示层的操作指令，利用数据层的数据资源，实现特定的业务逻辑、系统功能等。

(3) 显示层。为用户提供良好的人机交互视图窗口，主要包含地图视图、图层管理视图、参数状态视图等，用户可通过上述视图窗口实现数据作业行为。

(4) 用户层。主要是系统的各种用户角色，包括对“三线一单”数据编辑处理工作的作业人员，以及基于“三线一单”数据进行空间分析、统计分析的作业人员。

1.3 系统框架设计

系统框架主要由基础的类库或框架开发而成[12]。该系统的框架为ArcEngine的插件式开发框架，分为3层：位于底层的是系统软件层，包括Windows10操作系统和Microsoft Visual Studio 2010开发平台等系统软件，系统软件层的主要作用是提供对硬件设备的访问以及为其他层访问提供API；位于中间层的是基础框架层，包括.NET Framework、ArcEngine组件库和关系型数据库PostgreSQL，基础框架层主要作用是以编程模型的形式提供基于系统软件层的常用基础功能与组件；位于顶层的是自定义框架层，包括GIS应用组件、GIS通用模块以及GIS自定义插件，自定义框架层的主要作用是作为基础提出通用逻辑模型，并对应用层的需求进行分析、设计、开发与实现[13-15]。框架总体设计如图2所示。

2 数据库设计

“三线一单”数据处理系统中，数据库是系统实现的关键环节之一，数据库质量直接影响成果数据的规范性和完整性。根据《“三线一单”成果数据规范(试行)》的相关内容，对本文系统数据库的逻辑和物理结构进行设计说明。

2.1 数据库逻辑结构设计

根据成果数据规范性的相关要求，对“三线一单”数据处理系统的数据可以分为3项，分别为：数据基本信息、数据详细信息、管理数据信息。

(1) 数据基本信息，包括环境要素管控分区编码、环境要素管控分区名称、环境管控单元编码、环境管控单元名称、省级行政单元、市级行政单元和县级行政单元。

(2) 数据详细信息，包括管控单元分类、环境要素、要素细类、流域名称、河段名称、控制断面起点经度、控制断面起点纬度、控制断面终点经度和控制断面终点纬度。

(3) 管理数据信息，包括数据生产时间、数据版本、数据管理单位、数据管理单位联系人和数据管理联系人电话。

2.2 数据库物理结构设计

根据成果数据规范性的相关要求以及数据库逻辑结构，对“三线一单”数据处理系统数据库的物理结构进行了设计，下面以“生态、大气、土壤、自然资源管控分区”表结构为例说明，详见表1。

3 系统功能设计

该系统共设计了五大功能模块，包括数据管理模块、数据库标准化处理模块、数据更新模块、数据质量检查模块以及数据共享与分析模块，系统功能结构如图3所示。

系统功能模块具体涵盖了成果矢量数据标准化、支撑矢量数据标准化、常规更新、专项更新、集合编辑、属性编辑、快捷编辑、一般检查、拓扑检查、专业检查、质检报告、管控单元划分合理性分析、成果共享等子功能模块。

(1) 数据管理模块。在数据管理方面，对成果矢量数据进行数据管理操作，主要包括数据几何编辑、属性编辑和快捷工具等功能，主要针对数据的属性、几何的增加、删除、修改等操作。

(2) 数据库标准化处理模块。在数据库标准化处理方面，主要包括市州成果矢量检查、整理、导出，以及投影变换、数据拼接、字段空格处理、小数位数处理、修复几何等功能。主要针对市州提交的成果矢量数据，按照标准成果数据规范对数据进行数据库与表结构、空间投影坐标系、空间关系、几何与属性等进行处理编辑，最终按照市州模板进行入库处理。

(3) 数据更新模块。在数据更新方面，主要包括常规更新、重点管控单元更新、环境管控单元更新三部分，主要针对市州提交的成果矢量数据，将其标准化后的数据进行关联、更新，服务于省级成果的生成。具体包括两类矢量空间成果数据的更新：① 环境管控单元，即综合生态、大气、水、土壤、自然资源的环境要素管控分区成果，衔接乡镇街道或区县行政边界划定的空间单元；② 环境要素管控分区，即依据生态、大气、水、土壤、自然资源各要素评价结果，按各环境要素划定的空间单元。

(4) 数据质量检查模块。在数据质量检查方面，主要包括微小面、自相交、字段空格、属性空值等通用检查；面重叠、面缝隙等专题检查；成果规范性检查等专项检查功能，主要针对成果矢量数据，进行成果数据质量检查，包含属性检查、几何检查以及规范性检查等，运用常规检查、专题检查、含管控表的成果检查等功能对市州成果和省级成果进行过程检查或上交前检查。

(5) 数据共享与分析模块。在数据共享分析方面，主要包括划定情况转移分析、要素划定情况分析、要素纳入情况分析、划定情况对比分析、划定情况转移图层、成果共享等功能。主要针对“三线一单”成果划分的优先保护、重点管控和一般管控三类环境管控单元中每种专题的占比情况，每种专题的转移占比情况，市州成果在省级成果占比情况，以及“三线一单”成果数据的共享。

4 关键技术

4.1 “三线一单”海量数据处理

“三线一单”成果数据是各类源海量数据以及各市州成果数据的大集合，具有数据量大、数据逻辑关系复杂等特点。在“三线一单”成果数据汇总、标准化检查、质量检查、更新、统计分析过程中存在各种问题，例如：海量数据无法处理、数据间逻辑关系梳理困难、成果数据生成步骤分散等。以四川省环境管控单元矢量数据为例，如图4所示，其属性信息为：Shape_Area约486 140 351 458 m2，Shape_Length约869 740 237 m，数据节点74 331 392个，图斑数量951个。若采用ArcMap软件或基于32位ArcEngine开发的数据处理软件对其进行融合处理，会出现软件崩溃、电脑死机等情况，导致数据处理无法完成。

针对“三线一单”海量数据难以处理的问题，该系统采用基于ArcEngine的64位GeoProcessing相关技术来设计并实现系统的功能，同时使用ArcGIS Desktop-Background GeoProcessing (64-bit)替代ArcGIS Desktop标配的常规32位后台处理，基于此 64 位处理可以在 RAM 容量较大的系统进行分析，实现在32位环境中无法完成的海量数据处理的功能。采用基于ArcEngine相关技术开发的64位GeoProcessing Tool，具有运行效率高、处理海量数据能力、能够最大程度利用计算机的性能、较高的灵活性以及保密性等优点。运用64位GeoProcessing Tool对四川省环境管控单元数据进行数据融合处理，数据处理时电脑性能具体情况如图5所示。

4.2 “三线一单”成果生成工艺流程化

目前“三线一单”成果生成过程中存在过程繁琐、效率低下、缺乏系统化等问题，为解决上述问题，根据《“三线一单”成果数据规范(试行)》的相关要求，设计并建立“三线一单”成果生成工艺模型。该模型以系统五大功能模块为基础，将成果生成时原本独立的步骤有效地集成在一起，同时系统具备处理海量数据的能力，最终实现“三线一单”成果生成过程系统化、流程化、自动化。

“三线一单”成果生成流程：根据《“三线一单”成果数据规范(试行)》相关要求，首先对地市州报送的“三线一单”数据、基础资料数据库和专题资料数据库进行标准化质量检查，验证报送数据是否符合入库标准，不符合标准的数据应返回修改。对通过检查的数据进行数据库标准处理，并由软件数据更新模块将市州标准成果数据更新至现有“三线一单”成果中，在数据更新与数据质量检查过程中，对需要人工交互处理的几何或者属性，系统提供丰富的编辑功能进行增删改等操作。确认无误后可以通过数据质量检查模块对更新后的成果进行数据质量检查，检查出的错误以列表进行提示，允许用户进行人工交互式改正错误。成果数据质检无误后可以通过空间分析提供的功能动态更新部分“三线一单”专题图层和综合管控图层，最后由数据共享与分析评价模块进行服务发布和数据共享，“三线一单”成果生成工艺流程如图6所示。

5 系统展示

根据《“三线一单”成果数据规范(试行)》的相关要求，按照“系统化、流程化、自动化”的建设思路，采用基于ArcEngine的插件式开发以及64位GeoProcessing相关技术进行系统功能的设计开发，实现了数据规范化处理、数据更新、数据质量检查、数据共享与分析等功能，具体展示描述如下。

5.1 数据质量检查

数据质量检查模块主要对成果矢量数据进行质量检查，主要包含属性检查、几何检查以及规范性检查等。运用常规检查、专题检查、含管控表的成果检查等功能对基础成果数据以及标准成果数据进行过程检查或上交前检查。以成都市成果规范性检查为例，对数据质量检查模块进行展示，详情如图7所示。

5.2 数据更新

数据更新模块主要针对基础成果矢量数据，将其标准化后的数据进行关联、更新，主要为依据生态、水、大气、土壤以及自然资源等各要素环境评价结果，按照各环境要素划定的空间单元，对环境要素管控单元矢量空间成果数据进行更新操作。以生成乐山市、成都市、广元市综合环境管控单元数据为例，对数据更新模块进行具体展示，详见表2。

表2 综合环境管控单元数据详情Tab.2 Date of comprehensive environmental control unit

6 结 论

本文采用基于ArcEngine的插件式开发技术并结合64位GeoProcessing相关技术，设计了对环境影响评价数据进行数据处理的软件系统。以“三线一单”为例，通过市州成果数据、基础资料数据、专业资料数据以及原始“三线一单”成果数据，实现“三线一单”成果数据的自动化、流程化生成，进一步推动了“三线一单”数据资源持续积累、集成信息化管理、共享分析利用。系统主要特点如下：① 解决了海量数据质检、更新等问题，其中64位GeoProcessing Tool有效解决了“三线一单”海量数据无法处理的问题。② “三线一单”成果自动化生成。通过建立成果生成工艺模型，实现“三线一单”成果数据自动化、流程化生成，避免“三线一单”成果数据生成步骤复杂、数据质量难以把控的问题。