文/孙中平 王桥 申文明 游代安
摘要：结合生态环境调查与评估工作特点，借鉴“一张图”的基本构架和设计理念，立足于对生态环境调查与评估工作的全过程支撑，设计并构建了覆盖全国的生态环境调查与评估“一张图”核心数据库和系统，克服了以往生态环境调查评估系统“重调查、轻评估”的局限，有效促进了生态环境调查评估工作的科学化、规范化。今后，应加强“一张图”系统的调查评估支撑能力建设；强化调查评估成果应用，为生态管理与决策提供数据保障和应用支撑。
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关键词 ：生态环境：遥感；调查与评估；“一张图”系统；环境信息化；环境监管
为摸清我国十年来生态环境状况和变化趋势，为我国生态文明建设与生态保护工作提供系统、可靠、及时的科学依据，经国务院批准，2011年到2013年历时两年三个月，环境保护部和中国科学院联合开展了全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目。项目对生态环境遥感调查工作既是重大挑战，也是战略机遇。随着当今社会信息化水平的提高，迫切需要改变传统资源调查工作方式，构建新型“天地一体化”生态环境遥感调查评估技术方法，提高信息化水平，促进生态环境调查评估工作的科学化、规范化，加快工作效率、节约经济成本。
当前，“一张图”技术的应用和推广为生态环境调查与评估技术的发展提供了新的研究方向。2009年，开展第二次全国土地调查时，国土部门提出了国土资源“一张图”的概念，即以第二次土地大调查所形成的全国遥感影像一张图为基础，逐步完善健全国土资源基础地理信息库，建设新型的国土资源管理体系技术平台。“一张图”系统的建设为土地调查与管理提供了科技信息支撑平台。随着遥感技术不断成熟和发展，“一张图”应用领域不断地提升和扩展，在森林资源清查、水利普查等重大专项调查工作中得到了应用，并取得了很好的效果；但现有系统主要面向资源调查及成果应用，而对评估工作缺乏支撑，同时，生态环境调查也具有自身的局限性。因此，本研究借鉴“一张图”的基本构架和设计理念，立足于对生态环境调查与评估工作的调查阶段、评估阶段、数据汇总阶段、综合集成阶段和成果服务阶段的全过程支撑，探讨全国生态环境调查与评估核心功能，构建生态环境调查与评估“一张图”核心数据库，进而设计并提出了全国生态环境调查与评估“一张图”系统解决方案。
“一张图”系统总体目标
面向生态十年项目调查与评估数据成果的集成、共享、发布与信息服务需求，利用计算机、GIS、数据库和现代通信等技术，实现对全国生态环境调查与评估成果的综合集成与共享，建成具有数据采集、数据管理、应用分析、查询检索、统计制图、共享发布等功能完备的全国生态环境调查与评估系统平台，促进全国生态环境调查与评估工作的顺利开展，为环境管理与科研提供数据和平台支撑。“一张图”系统总体设计框架
全国生态环境调查与评估“一张图”系统由“一张图”核心数据库及数据管理系统、调查评估平台和共享服务平台组成（见图1）。数据管理系统围绕生态环境调查与评估核心数据库的建设与管理，实现数据质检、转换、入库、更新、维护等功能，为调查评估平台和共享服务平台提供数据支撑；调查评估平台是全国生态环境调查与评估工作支撑平台，包括野外数据采集、评估分析、综合集成3个系统，为野外调查、生态评估、总体集成、决策会商提供技术支撑；共享服务平台是全国生态环境调查与评估工作的工作交流、成果服务平台，通过门户网站实现政务信息网上公开和成果共享服务。
鉴于生态环境调查与评估内容的丰富性、技术系统的复杂性以及为能够适应工作调整而必需的技术灵活性，系统采用SOA (Service-oriented Architecture，面向服务的体系结构）技术进行架构设计。系统总体架构由5层组成，每一层相对独立，并以技术服务的方式提供对上、下两层的接口，通过信息化制度与标准保障它们可以协调工作。
第一，支撑层：提供对全国生态环境调查与评估“一张图”系统的软硬件支撑，是系统正常、稳定、安全、可靠运行的重要保障，包括硬件平台、网络环境和基础软件平台。
第二，数据层：负责对生态环境调查评估数据库所有的数据资源进行统一的管理，包括结构化文件和非结构化文件，通过数据存取接口、数据管理接口和空间数据接口为应用层各个系统的应用提供数据接口服务。在“一张图”框架下主要建设5类核心数据库，包括生态遥感数据库、环境背景数据库、地面调查数据库、评估成果数据库以及基础支撑数据库。为了便于管理和更新，将核心数据库逻辑上划分为基础层、专业层和管理层。基础层为基础地理和生态遥感数据，专业层是生态环境遥感调查和规划产生的数据，管理层是生态环境管理过程产生的数据。
第三，模块层：以松藕合方式搭建，为系统提供数据管理、数据采集、系统应用、统计分析、空间运算、位置定位等功能和模块调用库。
第四，应用层：对多个模块组合封装，形成对数据管理、数据采集、分析评估、综合集成、信息发布、数据服务等业务管理应用的逻辑实现。
第五，用户层：基于门户、平台和地图等形式，综合展示数据管理、调查评估、共享服务等应用，为项目承担单位、地方环保部门、生态管理部门以及社会公众提供多层次服务。“一张图”系统关键技术
基于移动GIS的数据采集技术
移动GIS集成了gps、GIS、无线网络技术，随着计算机和通信技术的发展而迅速发展，特别是无线网络(3G、Wi-Fi)以及移动智能终端的广泛应用，提高了空间信息采集、管理和分析能力，被广泛应用于野外数据采集与信息录入。针对快速、实时、有效采集并录人生态环境野外调查大样本量、多源数据的需求，本研究采用APP应用运行机制、在线与离线混合数据访问模式、嵌入式移动数据库技术等，解决了野外调查实时交互性差、缺乏审核校验、数据处理量大等难题，提出了基于ArcGIS for Mobile的国家级移动数据采集方案，实现了野外调查数据的数字采集、智能校验、实时上传与有效管理。
基于SOA和ETL的信息整合技术
生态环境调查与评估数据具有多源、异构、多尺度、更新频度不一等特征，不论是核心数据库的初始构建还是其后续更新，都涉及数据的处理、加工、整合和集成等方面，而它们离不开强大而灵活的数据处理技术和工具的支持。本研究采用SOA技术与ETL (Extraction Transformation and Loading，抽取、转换和加载)技术相结合的方式实现整合。
采用SOA技术，使系统可以按照模块化方式来添加新服务或更新现有服务，从而解决新业务需要，这样既方便了系统的扩展，同时又保护了原有系统。采用ETL技术进行数据整合集成，既可加强数据管理的一致性，又可避免数据的重复录入。对于各类数据及成果，通过采用ETL方式，按照“一张图”核心数据库要素编码和分类标准，结合业务系统应用需求，进行整合改造，实现逻辑对象和物理对象的分离和数据分类的动态编目。通过逻辑数据组织模型的设计和应用，即使数据组织发生变化，系统代码也无需做任何修改，使得整个系统具备开放、易扩展、易维护、工具化等优点。
基于模型库的自动化生产技术
为揭示我国生态系统分布格局、质量、生态功能与生态环境问题，生态环境调查与评估工作建立了“生态系统格局一质量一服务功能一生态问题一生态胁迫”的全国生态系统评估框架和25个指标组成的评估指标体系，涵盖国家、典型区域和省域3个空间尺度。评估指标种类众多、类型各异、结果多样、数据处理量大，如何实现各项指标的迅速、自动生产，并能够按照技术要求快速、有效地形成专题图和评估报告，也是需要研究的关键技术之一。分析评估系统通过构建模型库，将业务模型与实现技术相分离，以达到提高软件的可重用性和可移植性的目的。针对生态系统分类数据，采用ArcGIS文件地理数据库格式进行计算，解决海量矢量空间数据运算难题，同时，应用自动化生产技术，充分结合业务工作流技术、自动分割、并行计算、多任务调度和多线程并行技术，实现评估指标“数据一模型一统计一制图”的一键式自动生成。
基于空间关系的三维可视化与分析技术
应用空间三维可视化手段，构建评估成果的综合展示和应用集成三维场景，可以很好地为生态管理决策提供技术支持，但是生态环境调查评估数据目录庞大，达到2000多个，同时数据尺度不一、应用多样化，需要解决三维场景下的数据快速定位、自动加载、空间关联、多维统计等难题。系统综合考虑评估主题和空间尺度，构建了两层五级数据目录体系，大大提高了图层定位速度。针对图例信息显示信息不够丰富灵活的问题，研究提出了一种三维场景下地图图例的配置方法，在不同三维视野高程下自动配置并显示不同的图例，随着高程的变化实现多个图例之间的切换，以确保空间数据显示内容与图例信息的一致性。基于空间关系，通过省一典型区的关联以及典型区一典型区的关联，实现灵活的区域关联和多维度的统计分析。
“一张图”系统研究开发与应用要点分析
本研究采取Oracle (10G)+ArcGIS(10.1)模式建立了全国生态环境调查评估核心数据库，集成了遥感数据集、生态背景数据集、调查评估专题数据集3大类21个子类数据，数据量达10TB，具备了支撑和服务国家生态保护与综合管理的数据能力。在此基础上，采用C#和Java语言进行应用系统开发，研制完成了由数据管理系统、共享服务平台和调查评估平台组成的全国生态环境调查与评估“一张图”系统，形成了多专题、多尺度和多时相的综合展示、统计分析和应用集成能力。
全国生态环境调查与评估“一张图”系统是由多个复杂子系统构成的开放的复合系统，主要包括数据管理、野外数据采集、评估分析、综合集成以及共享服务等系统功能。
数据管理
依托数据库和地理信息系统(GIS)技术，建设完成了“一张图”数据库管理系统，在数据整理、建库、管理规范技术标准的基础上，进行数据标准化检查和批量入库、数据处理、数据维护及权限和日志管理等，实现核心数据库的高效管理，为环境调查、系统应用和服务提供有效支撑。“一张图”中所有数据由数据管理系统统一管理维护，调查、评估和管理产生的各种来源数据通过统一的入口进入“一张图”，通过统一开放的数据接口为调查评估平台和共享服务平台提供数据支撑。
野外数据采集
充分应用移动GIS技术、移动智能终端、3G等现代信息技术优势，采用APP应用运行机制、在线与离线混合数据访问模式、嵌入式移动数据库技术等，设计并研发了野外调查移动数据采集系统，实现了野外调查数据的数字采集、智能校验、实时上传与有效管理。数据采集系统在土地覆盖类型地面核查、生态系统参数野外观测等工作中得到了应用，规范了填报内容，提高了工作效率，为生态环境调查数据采集提供了信息化支持。
分析评估
基于生态系统评估模型和自动化生产技术，研制完成了分析评估系统，实现了生态系统分布、格局、质量的自动计算，为生态服务功能、胁迫和环境问题的评估分析提供了统计制图能力支撑。该系统在25个省级和国家专题中得到了应用，计算效率和成果规范性大幅提高，为开展全国、各省和典型区域生态环境遥感调查与评估提供了工作平台支撑。
综合集成
基于三维地球技术，设计研发了综合集成系统（见图2），实现了动态展示、统计查询、分析评估、专题制图等不同功能的集成，满足了数据成果综合管理、分析和应用的需要。综合集成系统为生态环境综合评估提供了技术平台支撑，并在项目成果汇报会中通过现场演示，对评估成果进行了立体、动态、直观的展示，提升了汇报效果。此外，利用该系统可开展行政区域与典型区域生态环境变化关联分析，促进生态环境调查评估成果的综合利用，为生态管理决策提供技术支持。
共享服务
基于权限管理，采用地理信息网络化服务体系，构建了生态环境遥感调查成果服务共享门户，实现了集信’息交流、成果发布、数据服务等于一体的一站式服务，为生态管理部门、地方环保部门、研究院校以及社会公众提供高效权威的生态环境信息服务，促进了生态环境调查评估成果的充分和长效应用。同时，通过网站建设，实现新闻、进展情况及各类技术文件的综合发布，为生态环境调查评估工作提供交流和宣传平台，有效支持了生态环境调查信息公开工作，保障了公众的环境知情权。
总结与展望
“一张图”系统工程建设为全国生态环境调查与评估工作提供了全过程支撑，促进了调查评估工作的科学化、规范化，大大加快了工作效率，实际应用效果显著。“一张图”核心数据库集成了覆盖全国的遥感、监测和统计数据，既是今后生态环境保护工作的基本依据，也是各项涉及生态环境科研工作的重要支撑。“一张图”系统实现了对生态环境状况的动态监测、集成分析与综合评估，初步形成了对生态环境监管与决策的技术支撑能力。今后，一方面，应结合国家生态系统调查评估体系的完善与固化，进一步加强“一张图”系统的调查评估支撑能力建设，为定期开展生态环境调查评估工作提供有力技术保障；另一方面，应强化调查评估成果应用能力，紧密结合生态环境管理需求，逐步完善和建成全国“生态一张图”，构建生态环境综合监管平台，实现与电子政务平台的互联互通，全面支撑生态保护红线监管、生态资产核算、生态绩效考核等新时期生态保护工作。
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（孙中平、申文明、游代安系环境保护部卫星环境应用中心高级工程师；王桥系环境保护部卫星环境应用中心研究员）