潘志軍，談 震，杜 政，王勝凱

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，杭州 310020；2.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，南京 211106)

河長制是以各級黨政主要領(lǐng)導擔任轄區(qū)某條河流河長，履行治理與保護責任的一種行政管理形式[1]。2016年10月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推行河長制的意見》，標志著河長制已從當年應對水危機的應急之策，上升為國家意志，并將成為河湖管護的長效機制[2,3]。但由于河道管護工作對象復雜、范圍廣泛、任務繁重，僅靠河長和工作人員“靠腿跑、用眼盯”的執(zhí)法手段，無法實現(xiàn)常態(tài)化、制度化的巡查和監(jiān)管，必須運用信息化手段升級河長制，打造河道保護監(jiān)管利器，提高河道保護水平[4]。

河長制信息化系統(tǒng)有著龐大的用戶群體，包括各級河長、河長辦工作人員及社會公眾。用戶在系統(tǒng)使用中無時無刻不在產(chǎn)生位置數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)位置數(shù)據(jù)與河流的自動關(guān)聯(lián)，是我們面臨的一個難題。這需要服務器后臺提供強大的GIS空間分析服務支持，地理處理(Geoprocessing，簡稱GP)作為一種全新的地理數(shù)據(jù)處理概念，是一種對已有數(shù)據(jù)進行操作產(chǎn)生新信息的途徑[5]，基于Web的GP服務能夠?qū)崿F(xiàn)強大的空間分析功能，為用戶提供所需要的空間分析功能，而不會受到GIS平臺、地點等限制[6]，本文在河長制信息化系統(tǒng)中開展了GP服務的探索研究。

1 河長制GP服務的總體思路

本文的研究核心是基于河長制空間數(shù)據(jù)開展GP服務的數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、服務發(fā)布與服務調(diào)用，為河長制信息化系統(tǒng)用戶提供可靠準確的GP服務。通過GP服務，河長巡河時可隨時隨地根據(jù)其位置查詢到附近的河流、河段及排污口等監(jiān)測站點，對工作人員進行位置打卡考核，工作人員必須到達所負責水域空間范圍內(nèi)才可執(zhí)行巡河計劃，社會公眾上報投訴事件時，實現(xiàn)事件位置與河流的空間關(guān)聯(lián)，見圖1。

河長制信息化系統(tǒng)GP服務主要分數(shù)據(jù)、模型、服務、應用4個層次。數(shù)據(jù)層為河長制信息系統(tǒng)所需要查詢的各類空間數(shù)據(jù)，河長制空間數(shù)據(jù)包括河流、湖泊等基礎(chǔ)信息，排污口、取水口、水質(zhì)站、等周邊信息，河長巡河、公眾投訴等業(yè)務信息；模型層選用了緩沖區(qū)分析模型和空間疊加分析模型，緩沖區(qū)分析為河長制空間數(shù)據(jù)構(gòu)建對應的空間范圍，空間疊加分析是將用戶地理位置與河長制空間數(shù)據(jù)進行疊加，獲取用戶周邊的空間信息；服務層以數(shù)據(jù)為輸入，以模型為工具，以獲取用戶周邊空間信息為結(jié)果，形成地理處理工作流，發(fā)布為GP服務；應用層調(diào)用GP服務，提供空間信息查詢、分析等功能，為巡河管理、公眾監(jiān)督等河長制系統(tǒng)應用提供支撐。

圖1 原理框架圖Fig.1 The schematic frame diagram

2 河長制GP服務的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空間分析

空間分析是利用計算機對數(shù)字地圖進行分析，從而獲取和傳輸空間信息[7]?？臻g分析是GIS的核心和關(guān)鍵功能之一，目前已經(jīng)在水污染監(jiān)測、洪水災害分析、城市規(guī)劃與管理、地震災害和損失估計、地形地貌分析等領(lǐng)域得到了廣泛應用[8-10]。例如在水污染治理現(xiàn)狀評價工作中，可將地理信息與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用GIS軟件空間分析模塊，對整個流域的水環(huán)境現(xiàn)狀進行客觀和全面的評價，以反映出流域水污染程度和空間分布情況。

空間分析從數(shù)據(jù)模型可劃分為拓撲分析、屬性分析和拓撲與屬性的聯(lián)合分析。拓撲分析包括旋轉(zhuǎn)變換、比例尺變換、二維及三維顯示、幾何元素計算等；屬性分析包括數(shù)據(jù)檢索、邏輯與數(shù)學運算、重分類、統(tǒng)計分析等；拓撲與屬性的聯(lián)合分析包括疊加分析、區(qū)域分析、鄰域分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間內(nèi)插等[11]。考慮河長制信息化系統(tǒng)的實際需求，本文選用了緩沖區(qū)分析和疊加分析作為河長制GP服務主要空間分析模塊。

2.2 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是指為了識別某地理實體或空間物體對其周圍的鄰近性或影響度而在其周圍建立的一定范圍的區(qū)域。從數(shù)學的角度看，緩沖區(qū)分析的基本思想是給定一個空間對象或集合，確定它們的鄰域，鄰域的大小由鄰域半徑R決定[12]。緩沖區(qū)分析的常見形式包括點狀要素緩沖區(qū)分析、線狀要素的緩沖區(qū)分析以及面狀要素的緩沖區(qū)分析(見圖2)。對于多要素對象，常見的緩沖方法包括等半徑緩沖、屬性權(quán)值緩沖和分級緩沖等，分級緩沖區(qū)分析法一般用來分析空間要素不同緩沖半徑內(nèi)的空間特征[13]。

圖2 緩沖區(qū)常見形式Fig.2 The common forms of buffers

緩沖區(qū)分析可以很好的應用到河長制業(yè)務應用中，通過緩沖區(qū)分析，可顯示水質(zhì)污染源的影響范圍；在河流、湖泊、水庫和小微水體周圍建立緩沖區(qū)，可對緩沖區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟信息、水利環(huán)保監(jiān)測信息、防洪救災信息等要素進行統(tǒng)計，估算緩沖區(qū)面積，為河長制的指揮調(diào)度提供決策支持。

2.3 疊加分析

疊加分析是將同一地區(qū)、同一比例尺的兩組或更多的專題圖層進行疊加，建立具有多重地理屬性的空間分布區(qū)域，進行疊加產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層的操作，其結(jié)果綜合了原來兩層或多層地圖要素所具有的屬性，從而滿足用戶需求和協(xié)同決策的一種方法。GIS中的疊加分析包括基于矢量數(shù)據(jù)的疊加分析和基于柵格數(shù)據(jù)的疊加分析兩大類。根據(jù)疊加對象圖形特征的不同，分為點與多邊形的疊加、線與多邊形的疊加和多邊形與多邊形的疊加3種類型[14]。

本文采用的是點與多邊形的疊加，將河長制系統(tǒng)用戶的GPS位置與構(gòu)建好的河流多級緩沖區(qū)進行疊加分析，若疊加分析產(chǎn)生新的要素圖層，就判定用戶處于河流多級緩沖區(qū)內(nèi)，通過新要素圖層中的河流屬性信息獲取用戶所在的河流河段，原理圖如圖3所示。

圖3 疊加分析原理圖Fig.3 The schematic diagram of superposition analysis

2.4 GP服務

地理處理是一種能夠創(chuàng)建并執(zhí)行GIS任務的方法。通過地理處理可將一系列工具以流的方式組織為集成度更高的GIS工具，避免大量重復性工作從而提高效率。地理處理工具用于實現(xiàn)特定GIS任務，可分為系統(tǒng)工具和自定義工具兩種，系統(tǒng)工具就是ArcGIS提供的內(nèi)置工具，自定義工具則包括Model Builder建立的模型工具、Python腳本語言創(chuàng)建的腳本工具和開發(fā)人員創(chuàng)建的定制工具3種類型[15]。

GP服務是在Web端組織地理處理工具并以GIS服務的形式實現(xiàn)GIS任務的一種方式。它包含一個或多個地理處理任務，任務使用在Web應用層中捕獲的數(shù)據(jù)并通過地理處理工具對其進行一系列的計算、分析與處理，返回有意義的輸出數(shù)據(jù)，使用GP服務以很少的代碼完成一個復雜的操作[16]。

3 河長制GP服務的實踐應用

3.1 河長制空間數(shù)據(jù)處理

依據(jù)上述河長制GP服務的總體思路，首先對河長制空間數(shù)據(jù)進行預處理，原始河長制空間數(shù)據(jù)包括水質(zhì)站、排污口等各類監(jiān)測站和河流、湖泊等水體，分為點、線、面多種數(shù)據(jù)組織形式。而用戶的地理位置為點數(shù)據(jù)，本文采用的是點與多邊形的疊加分析，現(xiàn)有數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)疊加分析，因此我們對原始河長制空間數(shù)據(jù)進行了緩沖區(qū)分析，緩沖區(qū)半徑由監(jiān)測站、水體的管理等級和GPS定位偏差決定，圖4為各級河流經(jīng)過緩沖區(qū)分析后生成的多級緩沖區(qū)，鄰域半徑分別為市管河流1 000 m、縣管河流800 m、鄉(xiāng)管河流500 m。

圖4 河流多級緩沖區(qū)分布圖Fig.4 The distribution map of multi-level buffer zone of river

3.2 河長制GP模型構(gòu)建與發(fā)布

河長制GP模型構(gòu)建是根據(jù)用戶空間查詢、分析的需求，利用可視化的GP 模型處理工具-ModelBuilder，將簡單的GP 工具和數(shù)據(jù)串聯(lián)，完成河長制GP模型的構(gòu)建，根據(jù)圖5所示，首先獲取用戶的實時位置數(shù)據(jù)，并將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)，與河長制多級緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行疊加分析，結(jié)果綜合了用戶位置數(shù)據(jù)和河長制多級緩沖區(qū)數(shù)據(jù)所具有的屬性。通過疊加的結(jié)果可以獲取用戶所在位置的監(jiān)測站、水體信息。

構(gòu)建好的河長制GP 模型只能在本地實現(xiàn)應用分析，要實現(xiàn)河長制GP模型功能的WEB 調(diào)用，則需要將GP 模型發(fā)布成GP服務。在ArcCatalog中，打開建好的模型工具箱并運行獲得運行結(jié)果，然后以共享的方式進行服務發(fā)布，接著在服務編輯器中設(shè)定服務的各類參數(shù)，GP 服務的執(zhí)行有兩種方式，同步和異步，同步的調(diào)用方法為execute，異步的調(diào)用方法為SubmitJob，考慮到河長制GP服務需要長時間運行，而異步調(diào)用主要用于長時間運行的服務，因此將服務調(diào)用參數(shù)設(shè)定為異步調(diào)用，最終分析無誤后完成服務的發(fā)布。

圖5 河長制GP模型 Fig.5 GP model of river chief

3.3 河長制GP服務調(diào)用

本文采用ArcGIS API for JavaScript實現(xiàn)GP服務的調(diào)用，用戶將獲取所在位置河流河段信息的請求發(fā)送到Web服務器，Web服務器將用戶的位置信息轉(zhuǎn)換為json格式，并通過ArcGIS API for JavaScript調(diào)用ArcGIS Server 上的河長制GP服務，在ArcGIS Server 上完成數(shù)據(jù)的空間分析與處理，最后Web 服務器將分析與處理的結(jié)果發(fā)送到用戶，從而實現(xiàn)了河長制GP服務的調(diào)用。

圖6為河長制GP服務在微信公眾號上公眾投訴模塊的具體應用，用戶點擊公眾投訴，系統(tǒng)自動定位用戶所在位置并獲取周邊的河流河段及相關(guān)信息，用戶只需填報投訴內(nèi)容，系統(tǒng)根據(jù)所在水域的河湖等級將投訴事件自動分發(fā)給對應河長辦和河長，實現(xiàn)投訴事件的自動流轉(zhuǎn)，提高了投訴事件的處理效率，同時用戶可實時查看事件的處理進度，實現(xiàn)了移動化辦公(見圖6)。

圖6 GP服務在公眾投訴中的應用Fig.6 The application of GP service in public complaints

4 結(jié) 語

本文對GP 服務在河長制信息化系統(tǒng)的應用進行了探索，在河長制GP服務共享過程中，建立合適的GP 模型并將模型發(fā)布為GP 服務是一種非常有效的方法，有利于地理處理分析的共享應用。通過河長制GP服務，實現(xiàn)了海量位置數(shù)據(jù)與河流河段的自動關(guān)聯(lián)，讓河湖管護過程中的問題、事件，定位更精準、檢索更直觀、流轉(zhuǎn)更智能、執(zhí)行更高效。