基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集的城市河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃技術(shù)研究

基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集的城市河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃技術(shù)研究

1生態(tài)效應(yīng)的數(shù)字化解釋自2015年12月中央城市規(guī)劃會(huì)議明確提出“雙城市”的目標(biāo)以來。梳理國內(nèi)外河流生態(tài)修復(fù)相關(guān)研究進(jìn)展，研究切入點(diǎn)與實(shí)踐側(cè)重點(diǎn)呈現(xiàn)多維視角，通常是定性或半定量的分析。為了更好地了解河流生態(tài)修復(fù)的研究前沿與聚焦，筆者團(tuán)隊(duì)在過去的兩年間，通過薈萃分析（meta-analysis），從文獻(xiàn)定量研究的角度，厘清了河流修復(fù)的生態(tài)效應(yīng)內(nèi)容，以及修復(fù)背景（如退化類型、修復(fù)措施、修復(fù)時(shí)期）對(duì)于生態(tài)效應(yīng)的影響數(shù)字化解釋作為數(shù)字化手段中重要的一環(huán)，具體指對(duì)數(shù)字化描述現(xiàn)象背后的規(guī)律或機(jī)制展開的基礎(chǔ)研究。這些現(xiàn)象本身不一定是基于新數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的，但其分析方式多采用數(shù)字化工具進(jìn)行，其核心是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象與其他因素之間的關(guān)聯(lián)性針對(duì)當(dāng)前城市河流生態(tài)修復(fù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型依然存在數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)、數(shù)據(jù)共享不充分、數(shù)據(jù)支持不全面、數(shù)據(jù)解讀不直觀等技術(shù)瓶頸問題，本研究提出以學(xué)科融合為基礎(chǔ)、以多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成為核心的數(shù)字化解釋作為城市河流生態(tài)修復(fù)規(guī)劃技術(shù)支撐的重要性與必要性。本研究利用Tableau智能化數(shù)據(jù)集成開源平臺(tái)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)運(yùn)算與圖表直觀顯示功能，選取合肥市南淝河展開實(shí)證研究，將4種途徑獲取的多源且異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，構(gòu)建藍(lán)綠空間全覆蓋的數(shù)據(jù)倉庫（datawarehouse）、四維全過程的數(shù)據(jù)湖（datalake），建立數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)更新與可視化結(jié)果展現(xiàn)系統(tǒng)，輔助規(guī)劃者、管理者、研究人員快速發(fā)現(xiàn)具體河段中出現(xiàn)的異常、超標(biāo)指標(biāo)，制定有針對(duì)性的河流生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市河流、岸帶及其腹地空間動(dòng)態(tài)變化的長期監(jiān)測和追蹤研究。2多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成方法和組成2.1可視化結(jié)果共享研究選擇TableauDeskop2019.4作為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的載體。與其他平臺(tái)相比，Tableau具有更強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互功能、專業(yè)數(shù)據(jù)分析與可視化功能，更有利于作為數(shù)據(jù)分析與表達(dá)模塊的重要輸出媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)更新與結(jié)果輸出。在數(shù)據(jù)源支持方面，它能支持多種類型，包括電子表格、數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)，并支持同步到云端數(shù)據(jù)庫。研究利用該軟件的儀表板功能，將所有數(shù)據(jù)匯總到同一視圖中，通過對(duì)數(shù)據(jù)的拖拽、篩選、突出顯示，即可查找其中的趨勢和異常值，直觀地觀測到數(shù)據(jù)表現(xiàn)不佳之處，持續(xù)探究數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的問題與原因。將分析結(jié)果共享至云端后，河流生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃者、管理者、研究人員可以通過不同設(shè)備在TableauOnline或TableauServer平臺(tái)上進(jìn)行可視化結(jié)果的瀏覽。如圖1所示，利用Tableau構(gòu)建的城市河流多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成與可視化平臺(tái)主要由4個(gè)模塊組成，包括數(shù)據(jù)采集與分類、數(shù)據(jù)甄別與處理、數(shù)據(jù)分析與表達(dá)、數(shù)據(jù)的應(yīng)用。2.2與城市河流生態(tài)恢復(fù)相關(guān)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)指標(biāo)楊冬冬等提出水體物理化學(xué)特性、水文水動(dòng)力、地形地貌及生物資源4類因子及其相互作用是水生態(tài)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在2.2.1實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析水質(zhì)修復(fù)指標(biāo)主要反映水體受污染與富營養(yǎng)化的改善程度，主要基于實(shí)地監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室分析，后者通過河流水域?qū)嵉夭蓸狱c(diǎn)進(jìn)行水體取樣，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002)2.2.2水文動(dòng)力恢復(fù)指標(biāo)水文水動(dòng)力指標(biāo)主要反映河流水文情勢的改善狀況，包括流量、流速、水位這3項(xiàng)指標(biāo)，分別通過流量計(jì)、流速儀、壓力式水位計(jì)等設(shè)備在實(shí)地測定。2.2.3河流恢復(fù)指標(biāo)河流地形地貌修復(fù)指標(biāo)主要反映河床、河道與岸線地形地貌方面的修復(fù)狀況。根據(jù)城市河流調(diào)查2.2.4水生生境恢復(fù)指標(biāo)水生境修復(fù)指標(biāo)主要反映水體生境、濱岸帶生境、腹地空間污染物輸入的改善狀況。根據(jù)城市河流調(diào)查3合肥南r河多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合和可視化3.1南河水質(zhì)修復(fù)技術(shù)南淝河位于安徽省合肥市，是巢湖污染嚴(yán)重的支流之一。作為城市主要的供水來源和收納水體，合肥市的快速城市化發(fā)展給南淝河帶來了巨大的壓力，水質(zhì)修復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)成為需要解決的重要問題。本研究以合肥市南淝河為例，南淝河全長超過70km，本研究選擇南起懷寧北路，東至合作化北路的半自然段河道作為研究對(duì)象，采樣點(diǎn)位共12處（見圖2），自2016年1月開始每月監(jiān)測數(shù)據(jù)。3.2航空影像獲取由于城市河流濱岸帶的空間復(fù)雜性，影響河流生態(tài)修復(fù)的因素具有多維度的特征，數(shù)據(jù)采集方式分為低空遙感數(shù)據(jù)、實(shí)地觀察數(shù)據(jù)與實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)。本研究使用無人機(jī)遙測來進(jìn)行城市河流場地尺度下低空遙感數(shù)據(jù)的獲取，其作為一種高精度的現(xiàn)代航空攝影測量技術(shù)，具有較強(qiáng)的自由性與機(jī)動(dòng)性，能通過低空飛行快速獲取高分辨率的平面影像。該種技術(shù)手段在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面已開展應(yīng)用，與普通精度遙感影像相比，無人機(jī)獲取的高精度影像數(shù)據(jù)在數(shù)字化解釋過程中更利于突出圖像的某些特征，從而滿足研究所需范圍中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性在南淝河的實(shí)證研究中，由于部分指標(biāo)各樣點(diǎn)差異性并不顯著，數(shù)據(jù)采集選取具有代表性的16項(xiàng)要素指標(biāo)作為南淝河生態(tài)修復(fù)的表征指標(biāo)，分別為6項(xiàng)水質(zhì)修復(fù)指標(biāo)：化學(xué)耗氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3.3遙感遙感圖像加工城市河流生態(tài)修復(fù)的數(shù)據(jù)采集及分類后，需要進(jìn)一步甄別與處理。原始數(shù)據(jù)主要通實(shí)地調(diào)查與勘測、現(xiàn)場儀器測定以及低空遙感等方式獲得；加工后數(shù)據(jù)主要是通過數(shù)字化手段對(duì)獲得的圖像資料與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工分析并解釋得到的數(shù)據(jù)。研究在數(shù)據(jù)甄別與處理過程中使用軟件包括（見圖5):(1)Photoshop，其主要依靠強(qiáng)大的圖像處理分析功能對(duì)圖像類數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別與二次加工。如無人機(jī)對(duì)河流全段的低空遙感圖像和其他設(shè)備拍攝到的河流圖像，通過軟件能將所需要的要素指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和處理，最終得到加工后的遙感數(shù)據(jù)。以濱水帶植物覆蓋率指標(biāo)（Vc）為例，為精確獲得該項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值，需要通過不同圖像顏色通道的像素點(diǎn)分離和拾取來獲得對(duì)應(yīng)的像素總值，進(jìn)行計(jì)算后可對(duì)應(yīng)喬灌草覆蓋的面積與濱水帶總體面積之間的比值，從而得到具體的濱水帶植物覆蓋率指標(biāo)。(2)Excel，利用其數(shù)據(jù)制表和計(jì)算功能承擔(dān)所有二次加工后數(shù)據(jù)信息的整理與匯總。(3)ArcGIS，作為空間地理信息處理平臺(tái)則負(fù)責(zé)將研究河段的地理空間信息錄入與導(dǎo)出。在此環(huán)節(jié)中，所有水生境修復(fù)指標(biāo)都需要依照表1的統(tǒng)一指標(biāo)測度進(jìn)行處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)集市區(qū)，再與空間信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)錄入，將多源且異構(gòu)的數(shù)據(jù)匯總，形成空間全覆蓋的數(shù)據(jù)倉庫。3.4水質(zhì)要素分析方法當(dāng)所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，通過Tableau的工作簿功能將南淝河的16項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入并生成單獨(dú)的圖表視圖，再使用儀表板功將其排布在同一界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)與交互分析。如圖6所示，示例儀表板中共呈現(xiàn)12處采樣河段，選擇3次采樣數(shù)據(jù)作為范本，分別為2016年5月24日、8月22日與11月16日。水質(zhì)要素?cái)?shù)據(jù)通過折線圖的方式呈現(xiàn)，圖表中設(shè)置有水質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)的參考線作為判斷水質(zhì)是否超標(biāo)的參考。而水生境指標(biāo)數(shù)據(jù)則通過MapBox地圖源將前期在ArcGIS中處理好的空間信息直接鏈接到所有要素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合呈現(xiàn)。將圖標(biāo)合理排布并進(jìn)一步添加采樣當(dāng)天的日期、氣溫、天氣等補(bǔ)充說明性文字后可獲取直觀的全局?jǐn)?shù)據(jù)可視化結(jié)果，從而進(jìn)行關(guān)鍵問題的分析。在其他實(shí)證研究中，可根據(jù)需要增減數(shù)據(jù)指標(biāo)，進(jìn)行單獨(dú)的數(shù)據(jù)編輯和改變圖表的呈現(xiàn)形式，從不同角度進(jìn)行數(shù)據(jù)問題的分析。通過鼠標(biāo)指針在儀表板圖表上的懸停與點(diǎn)擊，能夠?qū)崟r(shí)查看同一采樣河段處其他要素與水質(zhì)要素的關(guān)聯(lián)性，這一功能對(duì)于快速追溯可疑的問題指標(biāo)至關(guān)重要。對(duì)于問題河段的具體分析通常首先觀察水質(zhì)指標(biāo)是否超標(biāo)，如圖7所示，2016年11月16日的數(shù)據(jù)，可以看到4號(hào)采樣河段在TN、TP、NH4多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的應(yīng)用目標(biāo)城市河流多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成與可視化對(duì)于城市河流生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。首先是“可操作性”，Tableau平臺(tái)強(qiáng)大的可視化功能使研究者得以從繁雜的圖表中抽離出來，將水質(zhì)數(shù)據(jù)與空間要素?cái)?shù)據(jù)緊密聯(lián)合在一起，實(shí)現(xiàn)高效的可視化輸出與實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)分析。其次是對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐具有“指導(dǎo)性”，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成與可視化平臺(tái)作為研究與實(shí)踐之間的媒介手段，能夠直接反映城市河流生態(tài)系統(tǒng)方面存在的實(shí)際問題，對(duì)值得關(guān)注的問題進(jìn)行有針對(duì)性的改善優(yōu)化，具有重要的指導(dǎo)意義。最后是“反饋?zhàn)粉櫺浴?，建立在時(shí)間維度上的城市河道的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要利用平臺(tái)的記錄、查詢、跟蹤等功能，通過數(shù)據(jù)的不斷更新分析得出不同時(shí)段、空間區(qū)域上的問題，提出針對(duì)性的改善方案，在下一個(gè)周期繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的問題，復(fù)而落到實(shí)踐應(yīng)用中。研究提出城市濱河空間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)具有綜合性與系統(tǒng)性特征，多種類型與來源的數(shù)據(jù)的綜合集成分析還可以通過對(duì)不同研究的交叉驗(yàn)證強(qiáng)化對(duì)基礎(chǔ)理論模型的理解，并幫助挖掘出數(shù)據(jù)背后的空間規(guī)律。該平臺(tái)可以對(duì)城市河道及其濱水空間的動(dòng)態(tài)變化做長期追蹤研究，對(duì)可能出現(xiàn)的問題發(fā)出預(yù)警，從而建立健全城市河流生態(tài)修復(fù)的“全生命周期”規(guī)劃、實(shí)施、管控體系，從根本上確保其修復(fù)工作的優(yōu)化協(xié)同高效。由于受到技術(shù)條件的限制，研究構(gòu)建的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的不足之處在于：一是平臺(tái)的可視化交互功能呈現(xiàn)結(jié)果仍處于初級(jí)階段，視覺效果較為基礎(chǔ)簡單，若要實(shí)現(xiàn)更清晰、人性化的圖表呈現(xiàn)模式和更智能化的篩選功能，則需要通過Table