楊朝輝，鄭留蔣

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

基于WebGIS的蘇州市濕地景觀健康評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊朝輝，鄭留蔣

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

使用SSH開源框架搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合GeoServer的地圖服務(wù)和OpenLayers客戶端開發(fā)工具，設(shè)計與開發(fā)基于WebGIS的蘇州市濕地景觀健康評價系統(tǒng)。系統(tǒng)首先對道路密度、水體密度、植被密度與建設(shè)用地密度等評價指標(biāo)進(jìn)行多線程解析，在此基礎(chǔ)上確定評估指標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)與權(quán)重系數(shù)并構(gòu)建評價模型，最終以圖表等直觀形式在客戶端顯示各濕地的評價結(jié)果。該系統(tǒng)可為濕地保護(hù)與合理利用提供科學(xué)的方法和有效的決策依據(jù)。

濕地景觀；健康評價；WebGIS；評價模型

濕地被定義為水陸相互作用形成的自然綜合體，它在調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候和維持生物多樣性等方面均起著巨大的作用，對地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存環(huán)境有著重要的影響[1]。蘇州市位于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲地區(qū)，地處長江與太湖流域，境內(nèi)水網(wǎng)密布，河道縱橫交錯，濕地資源非常豐富[2]。但是，近年來隨著城市的全面擴(kuò)張、人口的急劇增加與經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，蘇州濕地遭受到越來越嚴(yán)重的破壞，水污染情況日益加重，生物多樣性逐漸喪失，生態(tài)功能嚴(yán)重受損[3]，嚴(yán)重制約了蘇州市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了更好地保護(hù)濕地，蘇州市政府先后頒布了《蘇州市濕地保護(hù)條例》與《蘇州市級重要濕地名錄（第一批）》，并開始啟動濕地健康評價工作。濕地健康評價的目的是診斷由自然因素和人類活動相互作用造成的濕地生態(tài)的破壞或退化程度，據(jù)此為相關(guān)管理部門提供濕地保護(hù)和管理的決策依據(jù)[4]。由于濕地健康評價涉及物理、化學(xué)、生物與經(jīng)濟(jì)等多方面因素，考慮到蘇州市濕地分布面積廣、專業(yè)人員匱乏、現(xiàn)場高精度觀測數(shù)據(jù)較少，加之人類的經(jīng)濟(jì)與開發(fā)活動大部分在景觀層次上進(jìn)行，因此，景觀是研究蘇州濕地健康的合適尺度[5]，景觀健康評價可以反映出人類活動對蘇州濕地的干擾與影響。美國環(huán)保局（USEPA）利用遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，在景觀尺度下使用較少的人力物力資源完成大面積濕地的景觀健康評價[6]。Brown等研究了景觀開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)法[7]，通過測定不同類型的景觀對應(yīng)的單位面積內(nèi)不可更新能源產(chǎn)生的能耗值與對應(yīng)土地利用類型的面積比值完成評價。國內(nèi)學(xué)者則大多將生物、化學(xué)、物理與社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等作為評價指標(biāo)，使用“壓力－狀態(tài)－響應(yīng)（PSR）”等數(shù)學(xué)模型，對研究區(qū)的景觀健康狀況做出評價[8-10]。

筆者以蘇州濕地作為研究對象，選取道路密度、水體密度等景觀因子作為評價指標(biāo)，開發(fā)基于WebGIS的蘇州市濕地景觀健康評價系統(tǒng)。系統(tǒng)基于SSH開源框架，將GeoServer作為免費(fèi)開源的地圖服務(wù)工具，采用OpenLayers遞交客戶端請求。系統(tǒng)通過多個評價指標(biāo)的綜合加權(quán)分析，實現(xiàn)蘇州市濕地景觀健康評價，進(jìn)而為濕地管理部門提供濕地規(guī)劃與保護(hù)的決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到B/S模型具有開發(fā)與管理成本低、資源共享簡單等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)基于B/S模型結(jié)構(gòu)，使用集成

SSH框架、開源GIS軟件GeoServer2.6.3、OpenLayers3.4與數(shù)據(jù)庫軟件MySQL，開發(fā)基于WebGIS的蘇州市濕地景觀健康評價系統(tǒng)。集成SSH框架是Spring、Struts和Hibernate的簡稱，它是搭建服務(wù)端應(yīng)用的高效解決方案。其中Hibernate負(fù)責(zé)持久層的操作，它封裝了數(shù)據(jù)庫底層的實現(xiàn)步驟，以面向?qū)ο蟮男问綄?shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問和儲存；Struts是MVC模式架構(gòu)，它負(fù)責(zé)表現(xiàn)層與業(yè)務(wù)邏輯層的對接；Spring則是系統(tǒng)框架的核心，它將各部分有效的結(jié)合起來，將不同功能組裝起來。GeoServer是基于JavaEE的開源GIS服務(wù)器軟件[11]，主要用于地圖空間數(shù)據(jù)的發(fā)布。OpenLayers作為一種輕量級的開源WebGIS開發(fā)框架，具有成本低、開發(fā)簡單、支持多種地圖格式等特點(diǎn)[12]。OpenLayers可向GeoServer請求返回地理信息數(shù)據(jù)，從而在客戶端進(jìn)行解析渲染操作，將濕地景觀健康的評價結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)給管理者與用戶。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。用戶在客戶端通過瀏覽器登入系統(tǒng)發(fā)出請求，系統(tǒng)將GeoServer所發(fā)布的地理信息數(shù)據(jù)返回給客戶端瀏覽器，由OpenLayers對地理信息進(jìn)行解析渲染并得到評價結(jié)果，最終將評價結(jié)果在客戶端中顯示出來。圖中數(shù)字箭頭表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的流程。用戶成功登入系統(tǒng)后根據(jù)實際需求向服務(wù)器發(fā)送AJAX請求，服務(wù)器接收到AJAX請求后先在MySQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，若數(shù)據(jù)庫中包含此評價指標(biāo)對應(yīng)的評價函數(shù)結(jié)果，則直接返回查詢結(jié)果，并以JSON格式的字符串對客戶端請求做應(yīng)答返回。否則運(yùn)用多線程實時解析評價指標(biāo)對應(yīng)的JSON文件，并將評價結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳嗽偻ㄟ^Javascript腳本語言對JSON結(jié)果字符串進(jìn)行解析，并調(diào)用OpenLayers API對解析結(jié)果作進(jìn)一步處理，生成Open-FlashChart數(shù)據(jù)格式的字符串，結(jié)合OpenFlashChart引擎生成可視化圖表，最終將詳細(xì)的可視化評價結(jié)果反饋給用戶。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

該系統(tǒng)可分為地圖發(fā)布模塊、圖層顯示模塊、濕地評價模塊和結(jié)果顯示四大功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 地圖發(fā)布模塊

通過GeoServer發(fā)布濕地相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)，包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。其中矢量數(shù)據(jù)層有：濕地、水體、道路、建設(shè)用地和研究區(qū)域邊界等；柵格數(shù)據(jù)有：蘇州遙感影像圖、地表水體密度圖、道路密度圖、建設(shè)用地密度圖和植被NDVI等。圖3為GeoServer在服務(wù)器端所發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)。

圖3 GeoServer發(fā)布的圖層數(shù)據(jù)

2.2 圖層顯示模塊

客戶端通過Javascript調(diào)用Open-Layers的WMS請求，從GeoServer服務(wù)

器中獲取image/png格式的圖層數(shù)據(jù)。請求獲取的數(shù)據(jù)通過設(shè)定的邊界（bounds）、縮放級別和投影坐標(biāo)在地圖顯示區(qū)域顯示。另外，通過OpenLayers自帶的API函數(shù)，可以方便地實現(xiàn)地圖的放大、縮小、移動與圖層疊加等操作，并實現(xiàn)簡單的空間查詢。

2.3 結(jié)果顯示模塊

使用AJAX異步傳輸技術(shù)開發(fā)更好、更快、交互性更強(qiáng)的Web應(yīng)用程序。當(dāng)Web應(yīng)用獲取地理信息數(shù)據(jù)時只需與服務(wù)器進(jìn)行少量的信息交換，而不用對整個頁面進(jìn)行更新，從而實現(xiàn)評價結(jié)果的快速顯示。

2.4 濕地評價模塊

通過設(shè)計由指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)E和綜合評定函數(shù)P構(gòu)成的濕地健康評價模型，在景觀單元上將多個評價指標(biāo)合理的組合在一起，并定量地得到評價結(jié)果，公式如下[13]

式中zij，t是景觀單元點(diǎn)（i，j）上評價指標(biāo)t的原始值，zt是評價指標(biāo)t的有效區(qū)間，用以排除少量數(shù)值過大或過小、并遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)聚集中心的評價指標(biāo)原始值，Sij是（i，j）上的濕地景觀健康綜合指數(shù)。

評價指標(biāo)的原始值zij，t有時很難直觀地體現(xiàn)出對濕地景觀健康的影響程度，而指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)E通過優(yōu)化評價指標(biāo)原始值，將其合理的與濕地景觀健康狀況關(guān)聯(lián)起來。綜合評定函數(shù)P則基于各評價指標(biāo)的權(quán)重將多個評價指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，綜合計算出每個景觀單元點(diǎn)的濕地景觀健康綜合指數(shù)。由于不同評價指標(biāo)之間的優(yōu)化區(qū)間各不相同，必須結(jié)合評價指標(biāo)原始值分布情況、專家經(jīng)驗等多方面因素進(jìn)行設(shè)置。

確立評價模型函數(shù)后，根據(jù)評價函數(shù)類型及所設(shè)置的參數(shù)，將每一評價指標(biāo)依次對濕地區(qū)域進(jìn)行逐像素求解，并取所有點(diǎn)的平均值作為該濕地的該評價指標(biāo)單項得分，而將該濕地所有評價指標(biāo)的加權(quán)得分作為該濕地的綜合得分。另外，為了簡化該系統(tǒng)，可提前設(shè)定常用的評價模型函數(shù)，并根據(jù)對應(yīng)的指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)E與綜合評定函數(shù)P的參數(shù)將各種評價信息預(yù)先制作成圖表儲存在服務(wù)器，直接供用戶調(diào)用而快速完成濕地景觀健康的網(wǎng)絡(luò)評價，從而避免每一次進(jìn)行評價時都進(jìn)行大量的運(yùn)算。

以圖4的石湖濕地為例，通過石湖濕地邊界的Shape文件對地表水體密度、道路密度、建設(shè)用地密度和植被密度評價指標(biāo)的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，獲取每個景觀單元點(diǎn)上對應(yīng)的評價指標(biāo)原始值。采用指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)E對評價指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化與歸一化。最后經(jīng)過濕地專家討論得到各評價指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，從而計算出濕地內(nèi)部每個景觀單元點(diǎn)對應(yīng)的的綜合加權(quán)得分，并將所有景觀單元點(diǎn)加權(quán)得分的平均值作為該濕地的景觀健康評價總體得分。系統(tǒng)使用AHP方法確定指標(biāo)權(quán)重，通過蘇州市濕地保護(hù)專家委員會專家為各評價指標(biāo)進(jìn)行1-9級的兩兩對比打分，建立判斷矩陣，在驗證一致性的條件下求得各評估指標(biāo)的權(quán)重。

圖4 石湖濕地綜合評價得分的求解

3 主要功能實現(xiàn)

3.1 評價指標(biāo)多線程解析

評價指標(biāo)的合理選擇是濕地景觀健康評價的基礎(chǔ)，所選指標(biāo)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地反映出濕地景觀的健康狀況，體現(xiàn)景觀生物物理特性的變化與人類活動對濕地健康的影響。考慮到遙感影像是快速提取景觀尺度的有效數(shù)據(jù)源，道路、水體、植被與建設(shè)用地等景觀要素均能夠直觀反映濕地景觀健康狀況[14]，該系統(tǒng)選擇新一代的Landsat8遙感影像作為基本數(shù)據(jù)源提取影響濕地健康的景觀要素。其中，道路是影響濕地生態(tài)環(huán)境的主要因素[15]，道路越密集，區(qū)域車流與人流量也越多，對濕地造成的干擾也越大，該系統(tǒng)使用基于感知編組和動態(tài)規(guī)劃的道路提取方法實現(xiàn)道路要素的檢測與提取。地表植被覆蓋信息能夠反映濕地魚類、鳥類與水禽等動物的食物供給量與活動空間，該系統(tǒng)采用改進(jìn)的植被指數(shù)模型SAVI提取植被要素，并通過將濕地水域

范圍置零而消除湖泊藍(lán)藻信息對NDVI的干擾。水體主要包括湖泊與河流，是影響濕地健康的重要景觀要素。開放水體面積越大越有利用于魚類與鳥類的活動，該系統(tǒng)使用改進(jìn)的水體歸一化指數(shù)方法提取水體要素。建設(shè)用地是人類生活空間、工作場所和建設(shè)工程的主要載體，也是影響濕地的重要因素，該系統(tǒng)采用IBI算法[16]實現(xiàn)建設(shè)用地要素的自動提取。

在提取出道路、植被、水體與建設(shè)用地等相關(guān)景觀要素后，采用密度制圖方法，生成以空間最小景觀單元（30 m空間分辨率）為基本單位的道路密度、水體密度、植被密度與建設(shè)用地密度等評價指標(biāo)的柵格圖。雖然上述4個指標(biāo)并不能完全表達(dá)濕地景觀健康的全部特征，但在現(xiàn)有景觀尺度觀測數(shù)據(jù)較少的前提下是一種有益的嘗試。

由于在評價模型的運(yùn)算過程中需要在濕地區(qū)域內(nèi)逐像素讀取上述四類評價指標(biāo)的數(shù)值，考慮到各濕地的面積大小不一，尤以陽澄湖與澄湖濕地的面積為大，在解析對應(yīng)的JSON評估指標(biāo)文件時，將成為影響運(yùn)算速度的主要因素。該系統(tǒng)首先將陽澄湖與澄湖濕地的Shape文件分割成若干小塊（如圖5所示），然后再利用分割后的Shape文件對評價指標(biāo)柵格圖進(jìn)行切割，將其轉(zhuǎn)換為JSON文件。為了提高運(yùn)算速度，在對各濕地JSON文件解析時采用多線程設(shè)計，通過設(shè)計合理的線程數(shù)量，避免過多的線程進(jìn)行切換，更充分的利用CPU來提高程序運(yùn)算性能。實驗中所使用的電腦配置為4核，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)將線程數(shù)量設(shè)置為CPU核心數(shù)的兩倍時，對CPU的利用率將達(dá)到最高，運(yùn)算速度也最快。

圖5 分割后的濕地Shape文件

3.2 評價模型構(gòu)建

選擇地表水體密度、道路密度、建設(shè)用地密度和植被密度作為評價指標(biāo)，獲取各濕地對應(yīng)評價指標(biāo)的原始值。根據(jù)評價指標(biāo)原始值分布情況與專家經(jīng)驗選擇合適的指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)對評價指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化與歸一化。如圖6（a）與（b）所示，用戶可以根據(jù)不同評價指標(biāo)的特點(diǎn)分別選擇線性函數(shù)、二次函數(shù)或者通過函數(shù)編輯器來自定義優(yōu)化函數(shù)。另外，蘇州市濕地保護(hù)專家委員會專家使用AHP方法對各評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比打分，在驗證一致性的條件下求得各評估指標(biāo)的權(quán)重，如圖6（c）所示。

以某次評價為例，道路密度原始值范圍為0-4.7，選擇自定義遞減函數(shù)，權(quán)重為0.21；地表水體密度原始值范圍為0-787.6，選擇自定義遞增函數(shù)，權(quán)重為0.34；植被NDVI原始值范圍為0-0.713，選擇自定義遞增函數(shù)，權(quán)重為0.24；建設(shè)用地密度原始值范圍為0-782.8，選擇自定義遞減函數(shù)，權(quán)重為0.21。這樣通過設(shè)置評價指標(biāo)對應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)與權(quán)重，即可完成評價模型的構(gòu)建。從而計算出濕地內(nèi)部每個景觀單元點(diǎn)對應(yīng)的綜合加權(quán)得分，并將所有景觀單元點(diǎn)加權(quán)得分的平均值作為該濕地的景觀健康評價總體得分。

3.3 評價結(jié)果顯示

將道路密度、水體密度、植被密度與建設(shè)用地密度等4個評價指標(biāo)輸入上述評價模型，計算濕地區(qū)域內(nèi)每個景觀單元對應(yīng)的濕地景觀健康綜合指數(shù)，得到如圖7所示的評價結(jié)果表格。表格中分別統(tǒng)計出每個濕

地的總面積、各個得分區(qū)間內(nèi)包含的景觀單元個數(shù)、得分方差與濕地的平均得分。將平均得分作為最終評價結(jié)果，并按照0-40分、40-60分、60-80分與80-100分劃分為差、一般、較好與良好四個等級，并將結(jié)果返回到客戶端，用不同顏色進(jìn)行顯示，得到如圖8所示的評價等級分布圖。此外，為了更直觀地顯示評價結(jié)果，系統(tǒng)還提供了折線圖、直方圖與扇形圖工具來可視化顯示各個濕地的評價結(jié)果（如圖9所示）。

圖7 評價結(jié)果表格顯示

圖8 評價等級分布圖

圖9 評價結(jié)果可視化圖形顯示工具

從評價結(jié)果可以看出，以南星湖濕地與盛澤蕩濕地為代表的濕地健康等級為良好或較好，這些濕地大多位于蘇州市郊，濕地周圍開發(fā)程度小，以農(nóng)田與水塘為主，基本沒有工業(yè)區(qū)與商業(yè)區(qū)，不易受到人類活動的干擾。相反，以金雞湖濕地與尹山湖濕地為代表的濕地健康等級為一般或差，這些濕地大多數(shù)靠近開發(fā)強(qiáng)度較高的城區(qū)中心，開放水體面積相對較小，易受到人類活動的干擾（見圖10）。整體上看，蘇州大部分濕地景觀健康狀況一般，受人類活動干擾與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響較大，退化情況比較嚴(yán)重，需要盡快地進(jìn)行保護(hù)與管理。

圖10 不同景觀健康評價等級的濕地

4 結(jié)語

對濕地生態(tài)景觀健康進(jìn)行評價是為了更好的保護(hù)和合理利用濕地。筆者采用了SSH、GeoServer和Openlayers一套免費(fèi)開源并且成熟、穩(wěn)定的軟件框架，搭建開發(fā)了基于WebGIS的蘇州市濕地景觀健康評價

系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用道路密度、水體密度、植被密度與建設(shè)用地密度等評價指標(biāo)完成對濕地的定量評價，并最終將評價結(jié)果以圖表等直觀的顯示方式返回用戶所在的客戶端。該系統(tǒng)借助SSH架構(gòu)搭建，各功能模塊的加入以組件的形式拓展，可以很容易的對系統(tǒng)各模塊進(jìn)行功能上的修改與改進(jìn)。該系統(tǒng)通過實驗測試，具有很好的穩(wěn)定性和高效性，可成為濕地管理部門進(jìn)行濕地規(guī)劃與保護(hù)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

責(zé)任編輯：謝金春

2015－07－06

江蘇省六大人才高峰資助項目（2014-NY-020）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK20141182）；江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實驗室開放基金資助項目（Zd131208）；蘇州市科技計劃項目（SYN201510）

楊朝輝（1976-），男，江蘇常州人，副教授，博士，研究方向：濕地監(jiān)測與評價。