基于多源異構數(shù)據(jù)集的城市河流生態(tài)修復規(guī)劃技術研究

基于多源異構數(shù)據(jù)集的城市河流生態(tài)修復規(guī)劃技術研究

1生態(tài)效應的數(shù)字化解釋自2015年12月中央城市規(guī)劃會議明確提出“雙城市”的目標以來。梳理國內(nèi)外河流生態(tài)修復相關研究進展，研究切入點與實踐側重點呈現(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)修復的研究前沿與聚焦，筆者團隊在過去的兩年間，通過薈萃分析（meta-analysis），從文獻定量研究的角度，厘清了河流修復的生態(tài)效應內(nèi)容，以及修復背景（如退化類型、修復措施、修復時期）對于生態(tài)效應的影響數(shù)字化解釋作為數(shù)字化手段中重要的一環(huán)，具體指對數(shù)字化描述現(xiàn)象背后的規(guī)律或機制展開的基礎研究。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)字化工具進行，其核心是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象與其他因素之間的關聯(lián)性針對當前城市河流生態(tài)修復的數(shù)字化轉型依然存在數(shù)據(jù)反饋不及時、數(shù)據(jù)共享不充分、數(shù)據(jù)支持不全面、數(shù)據(jù)解讀不直觀等技術瓶頸問題，本研究提出以學科融合為基礎、以多源異構數(shù)據(jù)集成為核心的數(shù)字化解釋作為城市河流生態(tài)修復規(guī)劃技術支撐的重要性與必要性。本研究利用Tableau智能化數(shù)據(jù)集成開源平臺的強大數(shù)據(jù)運算與圖表直觀顯示功能，選取合肥市南淝河展開實證研究，將4種途徑獲取的多源且異構的數(shù)據(jù)進行有效采集，構建藍綠空間全覆蓋的數(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、實時更新與可視化結果展現(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、超標指標，制定有針對性的河流生態(tài)修復的規(guī)劃設計策略，實現(xiàn)對城市河流、岸帶及其腹地空間動態(tài)變化的長期監(jiān)測和追蹤研究。2多源異構數(shù)據(jù)的集成方法和組成2.1可視化結果共享研究選擇TableauDeskop2019.4作為多源異構數(shù)據(jù)集成平臺的載體。與其他平臺相比，Tableau具有更強大的實時交互功能、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)分析與表達模塊的重要輸出媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實時更新與結果輸出。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。將分析結果共享至云端后，河流生態(tài)修復的規(guī)劃者、管理者、研究人員可以通過不同設備在TableauOnline或TableauServer平臺上進行可視化結果的瀏覽。如圖1所示，利用Tableau構建的城市河流多源異構數(shù)據(jù)集成與可視化平臺主要由4個模塊組成，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、數(shù)據(jù)的應用。2.2與城市河流生態(tài)恢復相關的多源異構數(shù)據(jù)指標楊冬冬等提出水體物理化學特性、水文水動力、地形地貌及生物資源4類因子及其相互作用是水生態(tài)設計中的關鍵所在2.2.1實驗室監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析水質(zhì)修復指標主要反映水體受污染與富營養(yǎng)化的改善程度，主要基于實地監(jiān)測和實驗室分析，后者通過河流水域實地采樣點進行水體取樣，再進入實驗室進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002)2.2.2水文動力恢復指標水文水動力指標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項指標，分別通過流量計、流速儀、壓力式水位計等設備在實地測定。2.2.3河流恢復指標河流地形地貌修復指標主要反映河床、河道與岸線地形地貌方面的修復狀況。根據(jù)城市河流調(diào)查2.2.4水生生境恢復指標水生境修復指標主要反映水體生境、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河多源異構數(shù)據(jù)的整合和可視化3.1南河水質(zhì)修復技術南淝河位于安徽省合肥市，是巢湖污染嚴重的支流之一。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)修復與生態(tài)系統(tǒng)修復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象，采樣點位共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雜性，影響河流生態(tài)修復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)、實地觀察數(shù)據(jù)與實地監(jiān)測數(shù)據(jù)。本研究使用無人機遙測來進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，具有較強的自由性與機動性，能通過低空飛行快速獲取高分辨率的平面影像。該種技術手段在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面已開展應用，與普通精度遙感影像相比，無人機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)準確性在南淝河的實證研究中，由于部分指標各樣點差異性并不顯著，數(shù)據(jù)采集選取具有代表性的16項要素指標作為南淝河生態(tài)修復的表征指標，分別為6項水質(zhì)修復指標：化學耗氧量（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)修復的數(shù)據(jù)采集及分類后，需要進一步甄別與處理。原始數(shù)據(jù)主要通實地調(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)字化手段對獲得的圖像資料與統(tǒng)計數(shù)據(jù)進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，其主要依靠強大的圖像處理分析功能對圖像類數(shù)據(jù)進行甄別與二次加工。如無人機對河流全段的低空遙感圖像和其他設備拍攝到的河流圖像，通過軟件能將所需要的要素指標進行識別和處理，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（Vc）為例，為精確獲得該項指標的數(shù)值，需要通過不同圖像顏色通道的像素點分離和拾取來獲得對應的像素總值，進行計算后可對應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。(2)Excel，利用其數(shù)據(jù)制表和計算功能承擔所有二次加工后數(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則負責將研究河段的地理空間信息錄入與導出。在此環(huán)節(jié)中，所有水生境修復指標都需要依照表1的統(tǒng)一指標測度進行處理后進入數(shù)據(jù)集市區(qū)，再與空間信息進行對應錄入，將多源且異構的數(shù)據(jù)匯總，形成空間全覆蓋的數(shù)據(jù)倉庫。3.4水質(zhì)要素分析方法當所有數(shù)據(jù)準備完畢后，通過Tableau的工作簿功能將南淝河的16項指標數(shù)據(jù)導入并生成單獨的圖表視圖，再使用儀表板功將其排布在同一界面，進行數(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)要素數(shù)據(jù)通過折線圖的方式呈現(xiàn)，圖表中設置有水質(zhì)類型標準的參考線作為判斷水質(zhì)是否超標的參考。而水生境指標數(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數(shù)據(jù)，結合呈現(xiàn)。將圖標合理排布并進一步添加采樣當天的日期、氣溫、天氣等補充說明性文字后可獲取直觀的全局數(shù)據(jù)可視化結果，從而進行關鍵問題的分析。在其他實證研究中，可根據(jù)需要增減數(shù)據(jù)指標，進行單獨的數(shù)據(jù)編輯和改變圖表的呈現(xiàn)形式，從不同角度進行數(shù)據(jù)問題的分析。通過鼠標指針在儀表板圖表上的懸停與點擊，能夠實時查看同一采樣河段處其他要素與水質(zhì)要素的關聯(lián)性，這一功能對于快速追溯可疑的問題指標至關重要。對于問題河段的具體分析通常首先觀察水質(zhì)指標是否超標，如圖7所示，2016年11月16日的數(shù)據(jù)，可以看到4號采樣河段在TN、TP、NH4多源異構數(shù)據(jù)集成平臺的應用目標城市河流多源異構數(shù)據(jù)集成與可視化對于城市河流生態(tài)修復的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3個方面。首先是“可操作性”，Tableau平臺強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)與空間要素數(shù)據(jù)緊密聯(lián)合在一起，實現(xiàn)高效的可視化輸出與實時交互數(shù)據(jù)分析。其次是對規(guī)劃設計實踐具有“指導性”，多源異構數(shù)據(jù)集成與可視化平臺作為研究與實踐之間的媒介手段，能夠直接反映城市河流生態(tài)系統(tǒng)方面存在的實際問題，對值得關注的問題進行有針對性的改善優(yōu)化，具有重要的指導意義。最后是“反饋追蹤性”，建立在時間維度上的城市河道的設計優(yōu)化需要利用平臺的記錄、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段、空間區(qū)域上的問題，提出針對性的改善方案，在下一個周期繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的問題，復而落到實踐應用中。研究提出城市濱河空間多源異構數(shù)據(jù)集成平臺具有綜合性與系統(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不同研究的交叉驗證強化對基礎理論模型的理解，并幫助挖掘出數(shù)據(jù)背后的空間規(guī)律。該平臺可以對城市河道及其濱水空間的動態(tài)變化做長期追蹤研究，對可能出現(xiàn)的問題發(fā)出預警，從而建立健全城市河流生態(tài)修復的“全生命周期”規(guī)劃、實施、管控體系，從根本上確保其修復工作的優(yōu)化協(xié)同高效。由于受到技術條件的限制，研究構建的多源異構數(shù)據(jù)集成平臺的不足之處在于：一是平臺的可視化交互功能呈現(xiàn)結果仍處于初級階段，視覺效果較為基礎簡單，若要實現(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