劉韜，李舒婷，楊洪福，普利民

(昆明市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650032)

0 引言

隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展、人口過快增長、資源過度開發(fā)等一系列影響，自然資源和生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1-2]，水旱災(zāi)害、資源過度開發(fā)、生態(tài)功能減退、環(huán)境質(zhì)量下降等現(xiàn)象越來越多，加強生態(tài)環(huán)境保護迫在眉睫[3]。目前，生態(tài)環(huán)境保護工作與相關(guān)科研工作逐步呈現(xiàn)跨領(lǐng)域、多學(xué)科特點，對生態(tài)環(huán)境與其他自然科學(xué)學(xué)科相互影響的研究也不斷增強，生態(tài)環(huán)境整體性與系統(tǒng)性得到有效體現(xiàn)。近年來，隨著生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)[4]、大流域尺度生態(tài)環(huán)境演變[5]、縣域生態(tài)環(huán)境評估等[6]系統(tǒng)性研究成為主流，生態(tài)環(huán)境保護工作涉及領(lǐng)域多，產(chǎn)生數(shù)據(jù)大、研究尺度深，對數(shù)據(jù)量、計算量都提出了巨大的挑戰(zhàn)。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)與地理環(huán)境本身具有較強的空間自相關(guān)關(guān)系[7]，系統(tǒng)性的研究勢在必行，因此，需要統(tǒng)一、海量、超級計算的條件以支撐研究的開展。目前，大數(shù)據(jù)實現(xiàn)與應(yīng)用的發(fā)展為地理綜合性與復(fù)雜性的研究提供了新的機遇[8]，依托云計算[9]與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將海量數(shù)據(jù)有效組織，并深入挖掘有效信息形成知識與規(guī)律正是現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境研究與管理的趨勢，基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的數(shù)據(jù)庫管理平臺的建立則是較為可行的方法[10-13]。

因此，對近10年來生態(tài)環(huán)境保護各類項目涉及到的數(shù)據(jù)與監(jiān)測、分析、評價成果等數(shù)據(jù)進行整合，并不斷對基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)進行更新完善[14]，形成具有統(tǒng)一、科學(xué)、規(guī)范的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，后續(xù)通過大數(shù)據(jù)構(gòu)建[15]，進一步進行數(shù)據(jù)挖掘與信息提取[16]，對全市生態(tài)環(huán)境科研與政府管理決策具有重大意義。

1 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)管理與存在問題

1.1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理情況

由于生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)涉及領(lǐng)域多，來源廣泛，生產(chǎn)與使用涉及面廣，種類繁多，存儲分散、分析與共享存在困難，基礎(chǔ)科研受到極大限制，且生態(tài)環(huán)境部門因工作而衍生的各類數(shù)據(jù)也存在種類較多的問題。數(shù)據(jù)產(chǎn)生方面，生態(tài)環(huán)境相關(guān)核心數(shù)據(jù)主要產(chǎn)生于多個部門、各業(yè)務(wù)科室，基本跟隨項目組人員流動，延續(xù)性差，各類型數(shù)據(jù)存儲也較為分散，可用性差。數(shù)據(jù)使用方面，數(shù)據(jù)收集整理較為困難，各部門各業(yè)務(wù)團隊對同一區(qū)域的分析過程需要增加不必要的時間成本，數(shù)據(jù)調(diào)用與共享存在困難；數(shù)據(jù)管理方面，增加了管理上的不便，管理對象與管理內(nèi)容均較分散，導(dǎo)致管理方式較為落后，管理效率低下；數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，數(shù)據(jù)的不連續(xù)與不統(tǒng)一成為數(shù)據(jù)應(yīng)用的最大瓶頸，直接導(dǎo)致前期數(shù)據(jù)處理成本加大，科研效率降低，行業(yè)應(yīng)用不便。綜上，現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理模式還存在諸多問題。

1.2 數(shù)據(jù)管理存在問題

1)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)形式多樣，類型不一。因生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)量涉及面廣，形式多樣，造成數(shù)據(jù)在獲取階段就存在以下“五個不一”情況。第一，數(shù)據(jù)來源不一，從數(shù)據(jù)來源上看，生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)多為水務(wù)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然資源等相關(guān)業(yè)務(wù)方提供，導(dǎo)致數(shù)據(jù)來源不一；第二，數(shù)據(jù)口徑不一，同樣類型的數(shù)據(jù)因比例尺與空間參照系統(tǒng)的不同而造成數(shù)據(jù)測量口徑的不同，應(yīng)用時產(chǎn)生不便；第三，數(shù)據(jù)類型不一，同一對象的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型不同，也將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理與分析過程中誤差與系統(tǒng)誤差，且生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)多為宏觀數(shù)據(jù)，類型不同，則其準確性與可對比性說就較差；第四，數(shù)據(jù)存儲不一，同源同類的數(shù)據(jù)，因存儲量的關(guān)系，不能單一存放于同一位置，后期讀取與使用過程不便共享，且因規(guī)范成本高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)收資，重復(fù)整理現(xiàn)象時有發(fā)生；第五，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不一，新獲取數(shù)據(jù)，同樣的轉(zhuǎn)換不同的軟件，存在不同的差異。而同樣的軟件，不同的參數(shù)與不同的方法，也存在較大的差異。由此，從數(shù)據(jù)獲取層面看，存在生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)雖來源廣泛，但其應(yīng)用卻不寬的局面。

2)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)量大類多，管理繁復(fù)。目前，掌握的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)包括多類、多年、多尺度的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)數(shù)量上看，量大類多，但從數(shù)據(jù)質(zhì)量上看，首先，因同類數(shù)據(jù)不同結(jié)構(gòu)和形式，數(shù)據(jù)多為冗余狀態(tài)；其次，因數(shù)據(jù)格式不一、數(shù)據(jù)說明殘缺，數(shù)據(jù)管理較為繁瑣；第三，環(huán)境管理與環(huán)境監(jiān)測部門對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、上報、統(tǒng)計、匯總和分析的要求越來越高、越來越快、越來越細化，環(huán)境監(jiān)測要素及監(jiān)測頻次的增加，使得環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長，這也為相關(guān)管理工作帶來巨大挑戰(zhàn)；最后，數(shù)據(jù)存儲方式與地點的不同，造成歸檔與規(guī)范化工作任務(wù)繁重。因此，現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)其可用性較低，管理繁復(fù)。

3)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)使用成本高，共享困難。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)多涉及專業(yè)部門的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及由專業(yè)技術(shù)衍生的二次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)本身在使用時就需要明確的定義與數(shù)據(jù)字典作支撐。但在不同部門對同區(qū)域或類似項目調(diào)取數(shù)據(jù)過程時，使用部門若沒有嚴格的語義說明文件配套，即使通過協(xié)調(diào)機制溝通了數(shù)據(jù)擁有部門，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交與轉(zhuǎn)換期間仍然存在數(shù)據(jù)認識不清、數(shù)據(jù)使用不明與數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的問題，特別是數(shù)據(jù)擁有方不愿意將處理數(shù)據(jù)或派生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交數(shù)據(jù)需求方，導(dǎo)致數(shù)據(jù)需求方仍需再行處理與分析，加大工作量。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交雙方由于理解上的偏差導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交不理想或無效，增加時間浪費。這些問題均沒有得到較好地解決，進一步放大了數(shù)據(jù)管理方式及共享機制存在的問題，進而導(dǎo)致共享困難的問題。

4)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)信息化嚴重滯后，效率低下。現(xiàn)有對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理方式較為原始，仍以紙質(zhì)文檔管理為主，其他電子化、數(shù)字化的數(shù)據(jù)也僅停留于目錄索引與查詢?nèi)∮玫牡图壒芾矸绞?，現(xiàn)有建立的專項管理系統(tǒng)則缺乏數(shù)據(jù)庫支持和專業(yè)軟件系統(tǒng)支持，對數(shù)據(jù)管理與分析、準確認識昆明市環(huán)境狀況和趨勢、科學(xué)指導(dǎo)環(huán)境保護與治理、保障我市社會經(jīng)濟的健康發(fā)展，難以發(fā)揮作用。且因數(shù)據(jù)的使用情景不同，數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式與接口標準各不相同，仍然導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余度高，共享困難，信息傳輸滯后，“孤島化”“片段化”現(xiàn)象嚴重。數(shù)據(jù)產(chǎn)生后至使用部門，因目的的不同不能有效獲取或者不能有效利用，中間還存在系統(tǒng)誤差情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理效率低下。

2 必要性與應(yīng)用目標

2.1 必要性

1)生態(tài)文明建設(shè)的需要。黨的“十八大”以來開始提出，要大力推進生態(tài)文明建設(shè)；“十九大”更是明確要求：“實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)重大工程，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。完成生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界三條控制線劃定工作。”以上生態(tài)文明建設(shè)要求與具體工作無不依賴于大量數(shù)據(jù)的支撐[17]，而需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成數(shù)據(jù)的整合分析處理，建立生態(tài)數(shù)據(jù)庫是必要的，也是迫切的。國務(wù)院2015年關(guān)于印發(fā)促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要的通知中明確提出：到2018年，圍繞實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化等重大戰(zhàn)略和主體功能區(qū)規(guī)劃，在環(huán)境保護等領(lǐng)域探索開展一批應(yīng)用試點，打通政府部門、企事業(yè)單位之間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)合作開發(fā)和綜合利用，支持宏觀調(diào)控科學(xué)化，推動政府治理精準化。

2)大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的需要。目前，信息化已滲入社會發(fā)展各個領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛且深入，信息化建設(shè)對當(dāng)今行業(yè)的影響已不僅是電子化的數(shù)據(jù)與可方便交換數(shù)據(jù)格式的便利化，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，信息化最大的特點是共享與數(shù)據(jù)挖掘[18]。生態(tài)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)既是客觀需要，也是有效提高效率的需要，更是大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的需要。生態(tài)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)無疑可為環(huán)境科研、數(shù)據(jù)共享與環(huán)境信息基礎(chǔ)設(shè)施完善與管理過程順暢提供了巨大便利，搭建生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理平臺，可極大地為規(guī)范數(shù)據(jù)使用過程與提高數(shù)據(jù)使用效率作出貢獻。

3)精細化智慧管理的需要。生態(tài)環(huán)境保護工作監(jiān)管涵蓋范圍廣，專業(yè)性、技術(shù)性強，現(xiàn)有的監(jiān)管缺乏即時的數(shù)據(jù)支持和“大數(shù)據(jù)”的模式支持，對數(shù)據(jù)信息管理與分析存在“孤島化”“片段化”[19]，難以準確識別昆明市生態(tài)環(huán)境問題和面臨的風(fēng)險，無法及時對突發(fā)環(huán)境狀況做出預(yù)測與響應(yīng)，缺乏高效環(huán)境管理決策支持平臺，難以科學(xué)地對昆明市生態(tài)環(huán)境進行即時、精準、高效的管理。通過建立生態(tài)數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)“一個庫，多應(yīng)用，深發(fā)掘”的高效管理方式，最終建立生態(tài)環(huán)保監(jiān)督管理的空間化、規(guī)范化、動態(tài)化和信息化管理。

4)監(jiān)管部門及大眾的認知需求。環(huán)境科研工作的直接服務(wù)對象是環(huán)境保護管理機構(gòu)，而最終服務(wù)對象則是人民群眾。管理機構(gòu)依據(jù)環(huán)境科研部門的成果制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)政策，政策的制定基礎(chǔ)取決于對數(shù)據(jù)的全面準確掌握和清晰直觀認識。數(shù)據(jù)庫的建立不僅可直觀向管理部門呈現(xiàn)歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)快速生成時間線并預(yù)測發(fā)展趨勢。大眾則是環(huán)保工作的監(jiān)督者，也是科研成果的主要受眾。大眾對于生態(tài)環(huán)保工作的認可基于對科研成果的直觀認識，這個認識取決于成果的表達方式?；跀?shù)據(jù)庫的分析與結(jié)果呈現(xiàn)可以由多種方式表達，且較為直觀，最易被人接受。從這個層面看，監(jiān)管部門與大眾的認知需求也推動著數(shù)據(jù)庫的建立。

5)信息交流與共享的基礎(chǔ)支撐。數(shù)據(jù)庫的建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)平臺，可提供較好的信息交流與共享條件，但平臺必須有內(nèi)容與數(shù)據(jù)才能發(fā)揮應(yīng)有的效應(yīng)，可以說數(shù)據(jù)庫的建設(shè)正是大數(shù)據(jù)發(fā)展與平臺搭建的根本。數(shù)據(jù)是信息的載體，數(shù)據(jù)庫將分散在多個部門、多個單位與不同來源的數(shù)據(jù)孤島進行充分整合，直接克服了生態(tài)環(huán)境科研工作信息不完整、利用率低、傳輸滯后的問題，為打造信息交流順暢、信息共享方便、信息使用高效的工作機制提供基礎(chǔ)支撐。當(dāng)數(shù)據(jù)庫具備一定規(guī)模后，可以通過數(shù)據(jù)挖掘，以大數(shù)據(jù)思想發(fā)現(xiàn)許多潛在信息與可用資源。所以，迫切需要整合現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源，建設(shè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，搭建相應(yīng)科研信息溝通與共享平臺。

6)數(shù)據(jù)與資料管理規(guī)范化的需要。現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理方式落后與信息化程度不高的局面極大地阻礙了科研項目資料整理、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)處理分析方面的開展與實施，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)對數(shù)據(jù)整理與管理而言是最基本的便利。同時，可以將現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)進行歸整與清查，深入發(fā)現(xiàn)有用數(shù)據(jù)，整理時間序列數(shù)據(jù)，重要分類數(shù)據(jù)和建立資料索引機制。不僅完成了數(shù)據(jù)庫建立的前期工作，還將數(shù)據(jù)管理效率進一步提高。同時，數(shù)據(jù)規(guī)范化將有效提高數(shù)據(jù)使用率，明顯提升管理形象，為數(shù)據(jù)的共享奠定基礎(chǔ)。

7)開展重大項目工作的基礎(chǔ)設(shè)施。重大項目的開展離不開基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理與分析，目前國家環(huán)境保護部《“生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和環(huán)境準入負面清單”編制技術(shù)指南》(試行)中已明確提出要建立“三線一單”的成果與數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，將研究報告成果數(shù)據(jù)和污染物排放清單、評價結(jié)果等關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)入庫，建立相應(yīng)的成果目錄。另外，多個城市已開展“多規(guī)合一”工作，該項工作的基礎(chǔ)也需要基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，實現(xiàn)“一張圖”干到底[20]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與評估領(lǐng)域的各種模型應(yīng)用，如InVEST、MIMES、ARIES等，均明確提出以空間建模和大數(shù)據(jù)等的分析手段進行[21-26]，數(shù)據(jù)庫建設(shè)的最大功能即將不同源數(shù)據(jù)與不同格式數(shù)據(jù)進行有效整合，并使用戶在應(yīng)用數(shù)據(jù)時避免數(shù)據(jù)的繁瑣轉(zhuǎn)換過程與處理時引發(fā)的歧義。通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并應(yīng)用相關(guān)軟件進行處理可最大限度地降低錯誤發(fā)生率，最大限度提高數(shù)據(jù)處理效率。而且，對較大尺度的研究，數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建更是必然行之。

8)數(shù)據(jù)庫管理方式的優(yōu)越性。數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)管理的高級階段，不僅可以存儲海量信息，使得歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)可以做到隨時可查，還具備數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)管理方面的特點。在數(shù)據(jù)挖掘方面，查詢過程可以極大地提高記錄和檢索信息的效率；其次，數(shù)據(jù)庫中可以同時存儲空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，二者的屬性可以交換處理，在位置信息極其重要、空間規(guī)劃強調(diào)落地的當(dāng)下，數(shù)據(jù)庫管理方式是趨勢所向；最重要的是，從數(shù)據(jù)挖掘基本原理看，數(shù)據(jù)挖掘需要具備的兩大條件之一，數(shù)據(jù)特征中的空間關(guān)系、物理量、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)或社會學(xué)等相關(guān)變量意義明確，數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系性與唯一性正是秉承了這個特性，使得數(shù)據(jù)挖掘成為可能。在數(shù)據(jù)管理方面，數(shù)據(jù)庫中有流程管理機制與分級管理機制，在有效地集合非同源數(shù)據(jù)資源的同時，可合理分配使用人員及數(shù)據(jù)類型，不僅可以實現(xiàn)高效管理數(shù)據(jù)，還可以對數(shù)據(jù)庫進行加密管理。另外，數(shù)據(jù)庫管理的流程相對規(guī)范，可減少對某些崗位人員的依賴，減少人員流動導(dǎo)致的崗位缺失帶來的損失。目前基于Web的應(yīng)用系統(tǒng)有較好的靈活性，而數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)其遷移與二次開發(fā)通用性較高，這也是提前布署的最佳時機，更是充分彰顯昆明市生態(tài)環(huán)境管理前瞻性的具體體現(xiàn)。

2.2 應(yīng)用目標

1)減少數(shù)據(jù)資料冗余程度，提高數(shù)據(jù)使用效率。統(tǒng)一規(guī)范管理異類異源數(shù)據(jù)，將重復(fù)數(shù)據(jù)與量大無效的中間數(shù)據(jù)剔除，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲效率，增加數(shù)據(jù)存儲空間。通過規(guī)范數(shù)據(jù)格式，減少數(shù)據(jù)冗余程度，提高數(shù)據(jù)檢索與查詢速度，使數(shù)據(jù)具有延續(xù)性、可比性、唯一性。

通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，為相同區(qū)域不同項目與同類項目提供一致、全面、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理過程與分析結(jié)果，省去項目的重復(fù)性處理過程與檢驗數(shù)據(jù)時間成本，為項目專注于特征分析節(jié)省了時間，極大地降低項目運行開支成本。同時，還可為科研人員提供統(tǒng)一比例尺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，免去項目間的數(shù)據(jù)重復(fù)收集與數(shù)據(jù)再處理；利用數(shù)據(jù)庫的唯一性原則，降低數(shù)據(jù)處理的錯誤發(fā)生率；利用數(shù)據(jù)庫的版本管理機制，實現(xiàn)多人同時處理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的利用率；利用數(shù)據(jù)庫的共享機制，將不同中心的同區(qū)域項目數(shù)據(jù)充分共享，在各盡其用的前提下，還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的衍生與數(shù)據(jù)的擴展，為數(shù)據(jù)庫不斷更新提供快速、便捷的更新機制。這些目標的實現(xiàn)都將在很大程度上改善制圖人員的數(shù)據(jù)獲取、處理、分析過程中的耗時，提高工作效率。

2)縮短科研人員分析過程，提升項目成果展示效果。利用數(shù)據(jù)庫的歷史資料可實現(xiàn)快速回放與趨勢分析，免去繁瑣的數(shù)據(jù)整理與處理過程；利用數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行整理與分析或直接利用時間序列成果則可大大降低數(shù)據(jù)分析時間，對于空間過程和數(shù)據(jù)對比方面的問題可以借助數(shù)據(jù)庫的實時呈現(xiàn)與直觀表達，快速提出解決問題的思路與方法。通過上述各個階段的輔助決策，有效利用數(shù)據(jù)庫相較于常規(guī)項目的完成周期，可以極大縮短科研人員的分析過程，提高科研人員完成任務(wù)的效率。對于臨時任務(wù)與緊急任務(wù)來說，無疑具有較大優(yōu)勢。

多源數(shù)據(jù)入庫后，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史回放、數(shù)據(jù)變化過程、數(shù)據(jù)趨勢分析、數(shù)據(jù)模式探究等的大數(shù)據(jù)應(yīng)用功能，這些功能所得出的成果具有較好的直觀性與易用性，可極大提升項目最終成果的展示效果，產(chǎn)生讓大眾也能看得懂的簡明結(jié)論，為決策提供直觀易用的科學(xué)數(shù)據(jù)。

3)加強科學(xué)評估決策水平，突顯監(jiān)督管理手段。數(shù)據(jù)庫規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，可為模型模式分析與其他數(shù)據(jù)挖掘提供良好基礎(chǔ)，科學(xué)評估生態(tài)環(huán)境過程離不開相關(guān)模型的使用，數(shù)據(jù)庫正是提供數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)條件。模型所需要的海量、多源數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫獲取是最為穩(wěn)定可靠的。

統(tǒng)一規(guī)劃、分布實施，形成多源海量數(shù)據(jù)一體化數(shù)據(jù)庫，體現(xiàn)昆明市生態(tài)環(huán)境科研信息化水平。通過兩年建設(shè)，建成昆明市生態(tài)環(huán)境信息基礎(chǔ)設(shè)施完善、監(jiān)管過程順暢、共享機制成熟生態(tài)數(shù)據(jù)庫。提高生態(tài)環(huán)境保護綜合決策、監(jiān)管治理和公共服務(wù)水平，提升環(huán)境管理能力和管理效率。

4)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境科研共享平臺。昆明市生態(tài)環(huán)境局已建成智慧環(huán)保平臺，著重于監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布與審批事項的辦理，建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，為我市生態(tài)科研建設(shè)打造數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)用平臺，為生態(tài)環(huán)境科研提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著科研項目的不斷開展，在科研中更新數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)又為科研提供支撐，形成良性循環(huán)，互相促進的良好態(tài)勢，最終，以共享推進數(shù)據(jù)更新，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境科研數(shù)據(jù)共享平臺，為相關(guān)科研與項目工作的開展提供數(shù)據(jù)支持。

3 總體構(gòu)建方案

3.1 總體目標

整合現(xiàn)狀與歷史數(shù)據(jù)資源，基于GIS與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析理論構(gòu)建連續(xù)一致、體系完整、方便易用的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。以生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)為重點，建成覆蓋全市國土資源空間、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、污染來源監(jiān)控、環(huán)保管理政策、生態(tài)環(huán)境科研等的生態(tài)環(huán)境“一個庫”，實現(xiàn)昆明市各級各類生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)共享與監(jiān)管聯(lián)動機制。通過不斷地規(guī)范生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，建設(shè)海量數(shù)據(jù)，為信息應(yīng)用與發(fā)掘，環(huán)?？蒲泄芾硪惑w化平臺建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)，并依托科技創(chuàng)新與技術(shù)進步，開展大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，全面實現(xiàn)數(shù)據(jù)精確化、展示多樣化、管理立體化、決策科學(xué)化。

3.2 構(gòu)建方案

1)設(shè)計思想。充分利用ArcGIS平臺數(shù)據(jù)支持類型多、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能強、數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍廣與數(shù)據(jù)可擴展性強等特點，以平臺為基礎(chǔ)，以空間數(shù)據(jù)庫為載體，將基于位置的數(shù)據(jù)、文本型數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行整合，構(gòu)建一個集數(shù)據(jù)管理庫、位置定位庫、空間特征庫于一體的昆明市生態(tài)數(shù)據(jù)庫。作為昆明市生態(tài)環(huán)境科研、生態(tài)環(huán)境管理的數(shù)據(jù)交換與樞紐中心，根據(jù)“生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)”的應(yīng)用層級及需求，整合生態(tài)環(huán)境歷史相關(guān)數(shù)據(jù)、現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)和部分管理資源數(shù)據(jù)，依托ArcGIS平臺的空間分析與處理強大功能，將不同源的數(shù)據(jù)進行聯(lián)結(jié)分析并可視化展示。數(shù)據(jù)對于平臺界面是有機統(tǒng)一的，而在數(shù)據(jù)庫底層則是分類存儲的，這樣，在既打破原有的數(shù)據(jù)壁壘和數(shù)據(jù)孤島的局面下，可為生態(tài)環(huán)境信息化在資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同等方面發(fā)揮重要的作用[27-33]。最終，建立適應(yīng)于昆明市生態(tài)環(huán)境科研管理與共享應(yīng)用的效益最大化、信息智慧化數(shù)據(jù)管理平臺，如圖1所示。

圖1 昆明市生態(tài)數(shù)據(jù)庫功能展示圖

2)總體框架?；诃h(huán)保專網(wǎng)，采用B/S架構(gòu)、統(tǒng)一主數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，設(shè)計并構(gòu)建真正意義的用戶訪問控制機制，將生態(tài)環(huán)境各類型數(shù)據(jù)進行集成，使用ArcGIS Server服務(wù)平臺，開發(fā)瀏覽器客戶端，對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行調(diào)用、分析與處理，構(gòu)建一體化的數(shù)據(jù)管理平臺。

昆明市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理平臺總體構(gòu)架分為三層，分別為支撐層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。支撐層主要包括生態(tài)環(huán)境科研過程中所主要獲取的各類非同源數(shù)據(jù)，包括不同部門數(shù)據(jù)、不同格式數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)層則是為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)與日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)調(diào)用與交換中心，主要包括空間地理信息、對象分析數(shù)據(jù)、人員與企業(yè)信息、經(jīng)濟社會基礎(chǔ)信息等；應(yīng)用層即平臺，也為服務(wù)，以GIS應(yīng)用系統(tǒng)為核心，各空間分析與處理模塊等功能為依托，基于瀏覽器端的應(yīng)用功能，包含信息展示、查詢分析、模型模擬、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然灸K與其他科研管理與科研業(yè)務(wù)模塊。平臺根據(jù)客戶端應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫提供各數(shù)據(jù)信息進行分析處理以實現(xiàn)對昆明市生態(tài)環(huán)境的一體化數(shù)據(jù)管理。

應(yīng)用層的主要建設(shè)方案如圖2所示。以環(huán)保專網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺為中心，管理組與應(yīng)用組基于瀏覽器端應(yīng)用通過不同的角色與功能策略區(qū)分并進行功能限制與訪問控制，平臺主要功能通過GIS調(diào)用主庫資源完成，外網(wǎng)用戶則通過隔離機制對進行物理隔離后的部分可共享數(shù)據(jù)進行訪問，也通過GIS或其他軟件進行空間數(shù)據(jù)與一般數(shù)據(jù)的交換取用，同時達到交流與共享目的。

圖2 生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫存儲與應(yīng)用建設(shè)方案

3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。根據(jù)應(yīng)用需求，平臺數(shù)據(jù)庫設(shè)計為一個主數(shù)據(jù)庫、一個應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、一個備份數(shù)據(jù)庫。主數(shù)據(jù)庫負責(zé)底層數(shù)據(jù)交換，包含若干專題數(shù)據(jù)庫，如環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、生態(tài)數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫等；應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，負責(zé)應(yīng)用端數(shù)據(jù)存儲。在應(yīng)用端層面，所有數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)庫引擎將空間數(shù)據(jù)與各類非空間數(shù)據(jù)進行對接轉(zhuǎn)換處理后通過主數(shù)據(jù)庫至應(yīng)用界面，經(jīng)過處理和分析模擬使用后的二次數(shù)據(jù)與衍生數(shù)據(jù)，存放于應(yīng)用數(shù)據(jù)庫以便下次調(diào)用。

空間數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一的GeoDatabase數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)的組織，以實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)類型、多時態(tài)的空間數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲、管理。在每一個GeoDatabase中包含F(xiàn)eature Dataset(raster dataset)和Feature class(raster)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，作為分享同一空間參考的要素結(jié)合。Feature class是獨立的要素集合，用來存放同一種空間實體。數(shù)據(jù)表設(shè)計采用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)進行全庫設(shè)計，按照庫-子庫-數(shù)據(jù)集-抽象類-要素類-要素子集-字段的層次結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一化設(shè)計。

4)數(shù)據(jù)字典設(shè)計。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)字典設(shè)計嚴格按照《環(huán)境信息元數(shù)據(jù)規(guī)范》(HJ 720—2017)《環(huán)境信息數(shù)據(jù)字典規(guī)范》(HJ 723—2014)《環(huán)境數(shù)據(jù)庫設(shè)計與運行管理規(guī)范》(HJ/T 419—2007)《政務(wù)信息資源目錄編制指南(試行)》等標準規(guī)范執(zhí)行，數(shù)據(jù)字段編碼要求結(jié)合昆明市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)特點與實際，對涉及到的水環(huán)境數(shù)據(jù)、污染源信息、生態(tài)遙感數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、環(huán)境規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、流域環(huán)境基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)等信息進行規(guī)范編碼，旨在構(gòu)建規(guī)范、完善的資源目錄體系，為平臺上層應(yīng)用與功能調(diào)用提供統(tǒng)一語義的資源目錄結(jié)構(gòu)與命名。

3.3 主要功能

1)歷史與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)查詢與展示。數(shù)據(jù)庫所存儲的信息最多的為歷史數(shù)據(jù)，其最直觀的功能即是對歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)與利用歷史數(shù)據(jù)進行分析以預(yù)測未來。因此，生態(tài)數(shù)據(jù)庫最基礎(chǔ)的功能即是歷史數(shù)據(jù)的信息查詢與展示。通過查看不同時期的遙感影像與土地利用情況可以直觀展示昆明市近幾十年以來的生態(tài)環(huán)境狀況與土地覆被變化情況；通過調(diào)用前10年的科研項目成果，體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護發(fā)展研究演變方向與挖掘研究熱點；通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的長時間序列變化，可以看到環(huán)保工作的卓越成果；通過調(diào)閱歷史文檔，查看突發(fā)事件情況，進行發(fā)生機理研究與概率研究，挖掘潛在聯(lián)系。

另外，基于昆明市“一個庫”空間信息界面，可以快速查詢生態(tài)環(huán)境狀況現(xiàn)狀信息。包括所有要素的空間位置信息、畫面信息、數(shù)據(jù)信息等；可在線進行長度測量、面積測算及體積計算；可實時體現(xiàn)相關(guān)監(jiān)測實況；可選擇不同長度的時間序列生成分析圖表，變化曲線以及趨勢分析；可根據(jù)環(huán)境、氣象、水文監(jiān)測站點的基本信息并生成監(jiān)測月報、季報及年報；可隨時調(diào)閱最新社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)查看背景情況；可進行常規(guī)業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)的歷史查詢與統(tǒng)計分析等。

2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析包括空間統(tǒng)計與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(非空間統(tǒng)計)，盡管空間統(tǒng)計和非空間統(tǒng)計在概念和目標方面可能存在某些相似性，但空間統(tǒng)計具有其固有的獨特性。數(shù)據(jù)統(tǒng)計在普通數(shù)據(jù)軟件中即可實現(xiàn)，生態(tài)數(shù)據(jù)庫基本上可以處理所有的統(tǒng)計分析。而空間統(tǒng)計分析則是生態(tài)數(shù)據(jù)庫所特有的基于空間位置的統(tǒng)計分析，包含一系列用于分析空間分布、模式、過程和關(guān)系的統(tǒng)計工具。與傳統(tǒng)的非空間統(tǒng)計分析方法不同，空間統(tǒng)計方法是將地理空間的鄰域、區(qū)域、連通性和其他空間關(guān)系直接融入到數(shù)學(xué)邏輯中。使用“空間統(tǒng)計”工具可以對空間分布的顯著特征進行匯總，如確定平均中心或總體方向趨勢、識別具有統(tǒng)計顯著性的空間聚類(熱點)或空間異常值、評估聚類或離散的總體模式、根據(jù)屬性相似性對要素進行分組、確定合適的分析尺度以及探究空間關(guān)系。

3)成果的多樣化與直觀化表達。基于數(shù)據(jù)庫而產(chǎn)生的各類成果，其因數(shù)據(jù)的連續(xù)性較高，具有空間屬性，可以2D/3D展示，可以模擬預(yù)測，因此，成果的表達方式具有較多的類型，如分布圖、直方圖、趨勢線、熱點圖、密度圖、統(tǒng)計表、透視表、對比表等，這些表達往往較為直觀，有較強的說服力，較易為政府部門與大眾所接受。

4)基于模型的模擬預(yù)測。根據(jù)應(yīng)用端提供的各類分析模型及專家知識，可調(diào)用對水文模型，進行流域的分割與模擬預(yù)測水量及徑流量；引用水質(zhì)模型可模擬湖體水質(zhì)分布情況及污染物負荷情況；利用氣象數(shù)據(jù)可模擬預(yù)測未來水文與雨洪過程；根據(jù)空間自相關(guān)原理，可以利用海量數(shù)據(jù)分析區(qū)域內(nèi)要素基于地理的空間自相關(guān)變化情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的潛在有用信息，發(fā)現(xiàn)事件間存在的關(guān)聯(lián)與分布模式，發(fā)現(xiàn)事件規(guī)律。后期還可以通過接入兼容外部模型(SWMM、InVEST等)，可以模擬區(qū)域的生態(tài)環(huán)境過程，如水文、水質(zhì)水量、污染物遷移、生態(tài)系統(tǒng)實物量與價值量等情況，結(jié)合專家知識與模型參數(shù)對可能發(fā)生的情況進行預(yù)測，并對不利情況的潛在性發(fā)生預(yù)警。

5)多源數(shù)據(jù)整合與共享。生態(tài)數(shù)據(jù)庫的又一重要功能即是多源數(shù)據(jù)的整合與共享。通過數(shù)據(jù)庫的管理優(yōu)勢將非同源非同類的數(shù)據(jù)進行有效整合，全部存儲于底層統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中，該庫通過專網(wǎng)傳輸后由應(yīng)用軟件進行調(diào)用，調(diào)用端可以是分布式的，進一步提高了數(shù)據(jù)的共享程度。在接入層數(shù)據(jù)傳輸至平臺過程前，利用傳輸模塊將不同來源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平臺規(guī)定數(shù)據(jù)類型及格式，以便平臺能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一調(diào)用，使最終在平臺端顯示的數(shù)據(jù)具有同一性和一致性。多源數(shù)據(jù)在被調(diào)用和處理后形成的二次數(shù)據(jù)存放于其他數(shù)據(jù)庫，以便形成平臺歷史數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)管理的延續(xù)性。

6)動態(tài)變化監(jiān)測。利用動態(tài)變化監(jiān)測功能，對歷史某一時期與指定現(xiàn)狀期生態(tài)環(huán)境狀況進行對比分析，以查看變化情況。第一，土地利用情況動態(tài)變化監(jiān)測。可以通過對比不同時相、不同空間分辨率、不同光譜分辨率、不同衛(wèi)星的觀測影像，以查看任何區(qū)域的土地利用動態(tài)變化情況，了解景觀格局變化與結(jié)構(gòu)變化。第二，生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測。可根據(jù)研究熱點方法體系，將歷史某期生態(tài)環(huán)境狀況與現(xiàn)狀進行變化分析，了解指定時間段內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化情況與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化情況，研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉間的關(guān)系變化。第三，自然資源年度變化監(jiān)測。通過對自然資源的年初與年末對比，掌握區(qū)域內(nèi)的自然資產(chǎn)年度變化情況，了解自然資產(chǎn)變動，為自然資產(chǎn)年度統(tǒng)計與領(lǐng)導(dǎo)離任審計提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 構(gòu)建成果

根據(jù)總體構(gòu)建方案的設(shè)計與實際功能需求，構(gòu)建了基于GIS的昆明市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理平臺。平臺利用數(shù)據(jù)庫的先進數(shù)據(jù)管理方式，依托GIS的強大數(shù)據(jù)整合能力，有效聚合了昆明市近40年來在生態(tài)環(huán)境管理、科研成果、監(jiān)測時序、管控模式、模型模擬等方面的海量數(shù)據(jù)，共建設(shè)了三個庫、八個子庫，如圖3所示。各子庫存儲著與服務(wù)功能對應(yīng)的經(jīng)標準化處理后的各類數(shù)據(jù)集，通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的組織管理、處理分析，可實時為環(huán)境管理與科研決策提供數(shù)據(jù)支撐，并及時共享科研成果。

圖3 生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

表1 生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容(部分摘錄)

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是保障昆明市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)利用可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署。現(xiàn)代經(jīng)濟正向著數(shù)據(jù)化、信息化的方向邁進，“數(shù)字環(huán)?！苯ㄔO(shè)也已經(jīng)逐漸在昆明市開展，生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫作為環(huán)境科研與環(huán)保決策的重要數(shù)據(jù)支撐與成果呈現(xiàn)方式，重義重大。隨著人們對環(huán)境保護行動的開展，以及數(shù)據(jù)挖掘、云計算存儲等各種技術(shù)的推進，各地區(qū)都把建設(shè)“智慧環(huán)?！表椖孔鳛橥七M本地區(qū)環(huán)保信息化的重大戰(zhàn)略措施。隨著生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)共享應(yīng)用、數(shù)據(jù)科研管理等各個數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺協(xié)作的要求也日益提高，通過構(gòu)建以GIS為基礎(chǔ)的昆明市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫成為必然。在實現(xiàn)“一個庫，多應(yīng)用”高效模式下，逐步通過后期管理分析模型的引入，全面實現(xiàn)對生態(tài)、環(huán)境的數(shù)據(jù)處理和動態(tài)分析，既實現(xiàn)數(shù)據(jù)利用的規(guī)范化和動態(tài)化，又實現(xiàn)了科研成果表現(xiàn)方式的多樣化與直觀化，還可以有力為政府決策提供支撐作用。建設(shè)具有實用價值的管理信息共享平臺則對昆明市生態(tài)環(huán)境研究、環(huán)境監(jiān)控預(yù)警、環(huán)境綜合治理、科研學(xué)術(shù)交流等提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支持，社會效益明顯。同時，也是展示昆明市生態(tài)環(huán)境保護公眾形象、提高科研實力、信息化程度與社會影響力的直接手段。