区域空间数据基础设施及其入海河口治导线规划应用

张晓祥 ，晏王波 ，张长宽 ，丁贤荣

（1. 河海大学地理信息科学与工程研究所，江苏 南京 210098；2. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

1 入海河口治导线规划概述

规划一般是指对未来进行整体性、长期性、基础性问题的思考[1]。规划过程本身并不是决策，而是一种支持决策的过程[2]，涉及的问题通常具有综合性和复杂性等特点。规划过程往往涉及到各方利益的平衡与协调，人与自然的协调越来越成为规划设计的核心理念。早在 1969 年，著名规划设计专家 Ian McHarg 就提出“设计结合自然（design with nature）”的思想，即规划本身需要综合考虑与自然和社会系统的协调[3]。这种尊重自然的规划设计理念逐步得到重视，如在景观规划中，需要综合考虑地形、土壤、水文、气候、植被和栖息地等因素；在土地利用规划中，需要综合考虑地形、地貌、气候、土壤、植被、河道水系、土地利用、城镇交通、乡土文化等因素[4]；在区域规划中，需要考虑基础地理信息、土地利用、社会经济等数据进行综合分析[5]；在水利规划中，同样需要综合涉水相关数据用于水利规划与设计[6]。规划对空间数据的需求正在大大增加，要求也不断提高。空间数据基础设施（Spatial Data Infrastruture, SDI）能保证地理空间数据的一致性、兼容性或可转换性，实现一次生产、多次使用。空间数据基础设施分广义和狭义 2 种概念，广义的 SDI 是指地理空间数据获取、处理、存储、分发、利用等过程所必需的各种技术，政策，标准和人力资源的总称，狭义的 SDI 则是指满足一定质量要求的空间和专题数据的数据库和信息库[7]。

入海河口治导线规划作为水利规划的一种，担负着明确河口开发与保护范围，确保入海河口地区可持续发展的责任[8]。作为一类特殊的规划，治导线规划实际上是一种约束性规划，某种意义上可以认为是一种典型的“反规划”[4]，即这类规划重点不在于规划要做什么，而在于规划不能做什么。同时，入海河口治导线规划的制订是一个涉及多个部门及众多自然本底和地区社会经济发展要素的过程。总的来说，江苏入海河口治导线规划作为一项空间覆盖范围大、涉及基础数据多、数据处理任务重的工作，规划过程中涉及的数据获取、处理、分析、设计等技术流程存在工作程序繁琐、工作效率不高等弊病，因而迫切需要能够融合各项技术流程的技术方法。地理设计（Geodesign）正是这样一种方法，能够有机融合基础数据与规划设计过程，便于进行多种方案的比较和优选。地理设计思想源于1969 年McHarg 提出的“设计结合自然”的规划理念[3]，后来 Steinitz 在 McHarg 的这种理念基础上，结合新兴的地理信息系统（GIS）技术，系统地提出一整套GIS 支持下的地理设计方法，为各类地理设计问题的解决奠定了方法论基础[9]。

地理设计过程涉及分析和支撑模型运行的大量数据，很多时候规划设计需要建立在庞大的数据获取和实时/准实时的数据处理基础上，因而地理设计过程本身也迫切需要空间数据基础设施的支撑。在海岸带数据管理方面，海岸带集成管理（Integrated Cosatal Zone Management，ICZM）早在 1992 年已提出，主要作用是实现海陆交汇地带时空信息一体化管理[8]，这可以看作是形成了海岸带 SDI 的雏形，然而 ICZM 对数据的管理还只是初步的，当时的技术条件也难以管理海量多源异质空间数据[10-12]。SDI作为一项基础设施，已经成为国家信息化建设的重要组成部分，近年来从全球、洲际、国家和省市到区域层面都建立了多层次的 SDI[11]，海岸带 SDI 也获得了飞速的发展，并成功地应用于海洋生物栖息地评价、海岸带侵蚀、突发性水污染等具体研究和实践中[13-15]。对于大的研究区来说，随着计算的复杂程度不断加大，不论是地图数据还是遥感数据的整合共享需求不断增强，传统 GIS 建设需要昂贵的数据、平台、硬件等投入的模式将逐渐瓦解，类似SDI 快速聚合数据服务、直接客户化定制应用将很快实现[16]。

选择江苏海岸带为研究区，在区域空间数据基础设施的支持下，利用地理设计方法，把规划设计过程与空间数据基础设施相结合，依次剖析入海河口治导线规划的表达、过程、评价、变化、影响、决策等 6 个模型以辅助进行规划设计，综合利用空间数据、地理信息和领域知识，科学合理划定江苏入海河口治导线。

2 研究区概况

以江苏沿海地区为研究区。江苏沿海地区位于我国东部沿海中心区，介于东经 119°21′～121°55′，北纬 31°33′～35°07′ 之间，东邻黄海，西与徐州、淮阴、扬州、泰州 4 市相邻，南起长江北堤，北至苏鲁边界，包括连云港、盐城和南通 3 市所辖全部行政区域。研究区东西宽约 60～150 km，南北长约 450 km，陆域总面积 3.25 万 km2，大陆海岸线长达 954 km。江苏沿海地区多为沿海冲击平原，海岸带沿线的 90% 以上是淤泥质平原海岸，滩涂资源丰富，海岸带地貌独特。图1 为研究区的区位图。本次江苏入海河口治导线规划的规划对象为江苏沿海30 个主要河口，其中包括 13 个重点河口和 17 个主要河口，具体如表1 江苏入海河口列表所示，顺序是按江苏沿海地理位置自北向南依次排列。?

图1 研究区区位图

3 空间数据基础设施

江苏入海河口治导线规划是一项涉及多个部门的工作，需要水利部门与海洋、港口、围垦、自然保护区等部门进行协同。同时，研究所涉及的数据种类众多、来源各异、标准不一，非常容易引起海岸带数据管理的混乱，因而建立比较统一的 SDI 显得极为必要。SDI 的基本数据包括基础地理信息和专题数据。基础地理信息数据主要包含研究区数字线划图（DLG）、数字正射影像（DOM）、数字栅格图（DRG）、数字高程模型（DEM）等；专题数据则包括与入海河口治导线相关的地貌、堤防、土地利用、湿地、自然保护区等信息，由于很多数据不全，需要通过遥感影像判读进行专题信息的提取，本研究主要利用研究区 1970 年以来的 7 期 Landsat MSS/TM 遥感影像来获得专题和变化信息。

在参考已有海岸带 SDI 研究的基础上，初步设计构建符合江苏入海河口治导线规划的海岸带空间数据基础设施[17]，具体如图2 所示。区域 SDI 实际上主要分为标准规范、架构实现、技术支持等 3 个层次，其中以架构实现最为核心，覆盖数据采集、数据处理、数据建模等整个流程，实现空间数据共享，并能够根据行业需求和专业知识进行相应的空间分析和知识挖掘以获得衍生的数据、信息和知识，最后应用于具体的应用研究中。另外，标准规范和技术支持也是区域 SDI 的重要组成部分。

表1 江苏入海河口列表

图2 区域空间数据基础设施设计与实现

4 SDI 支持的河口治导线规划

4.1 地理设计

地理设计可以将分析建模过程引入设计流程，并利用 GIS 和区域 SDI 的强大数据管理功能进行数据的合成与必选。地理设计这种新型的方法论可以融合园林景观、环境设计、地理学、土地规划学等诸多领域的研究成果，在规划设计过程中，全面考虑影响因素。Steinitz 建立的地理设计流程图[9]，结合新兴的 GIS 技术，依次考虑规划设计过程中 6 个方面的问题：描述空间对象、对象动力机制、运行状态、对象变化机理、变化影响、合理评估，并相应地建立地理设计的表达、过程、评价、变化、影响和决策等 6 个模型，最终在综合考虑空间数据、地理信息和领域知识的基础上完成地理设计。

具体来说，6 个模型是地理设计的关键，各个模型的具体含义如下：

1）表达模型。如何描述空间对象的各种状态。

2）过程模型。描述对象的功能和动力机制，对象各要素之间的功能关系和结构关系如何。

3）评价模型。目前空间对象的运行状态如何，需根据各个相关因素建立评价模型。

4）变化模型。空间对象如何变化，对于变化的发展如何进行预测，并同时有目的的进行干预未来发展。

5）影响模型。空间对象变化会带来何种影响，与变化的过程模型密切相关。

6）决策模型。空间对象的改变有多种方向，如何评估不同情境的差异和影响，做出合理的决策，解决规划最根本的问题。决策模型与评价模型密切相关，都涉及各类因素的综合评估。

4.2 空间数据支撑

在地理设计方法论的指导下，对江苏沿海 30 个入海河口进行河口治导线划定。为说明研究思想，选取重点河口：埒子口进行研究。埒子口位于连云港市，位于江苏北部沿海，河口地区基本冲淤平衡。埒子口作为沂北地区防洪排涝的主要入海河口，具体如图3 所示，埒子口上游集中了烧香支河、古泊善后河、五图河、车轴河和牛墩界圩河等 5 条河道，该河口具有一定的典型性及复杂性。

图3 埒子口河口示意图

空间数据支撑是地理设计的重要前提，在地理设计工作正式开始之前，需要明确入海河口治导线规划的起始点、控制范围、限制条件，同时还需要根据基础数据获得研究所必备的衍生数据。在研究中，空间数据支撑主要体现在以下 4 个方面：

1）明确治导线的上游起始点。根据规划要求，挡潮闸是治导线的起始点，埒子口河口挡潮闸包括车轴河上的车轴河闸和图河上的五图河闸、图西闸，故埒子口治导线划定的起点有 2 个。

2）明确入海河道的两侧的初始治导线控制范围。按照有关水利规程要求，一般河道两侧 1 km 缓冲区设置初始治导线控制范围。同时，还需要考虑对接上位规划以及与同级规划相协调，并考虑当地实际情况，特别是要尊重河口既有围垦事实。

3）考虑河口治导线的限制条件。如江苏沿海分布有大面积的法定的自然保护区，治导线划定应注意避让自然保护区。

4）获取河口流域有关特征点线等衍生数据。由超位数据、数字高程模型（DEM）及历史遥感图像确定各类河口流域特征线，包含纳潮汇水区历史外边线、平均高潮线等。

4.3 基于地理设计的河口治导线划定

河口治导线的划定，除满足水利部门维持闸下港道稳定、保持港道排水能力、加强水利管理的需求以外，还需综合考虑各种影响因素，对接上位规划，并与相关部门规划进行协调。河口治导线规划地理设计框架图在地理设计框架下，分别用 6 个模型来描述整个治导线划定过程，具体如图4 所示，左侧是通用地理设计的流程图，右侧是针对江苏入海河口治导线规划进行的具体地理设计的流程图。

图4 入海河口治导线规划地理设计框架图

对于江苏入海河口治导线研究来说，表达、过程、评价、变化、影响和决策等 6 个模型包含更为详细和更有针对性的工作：

1）表达模型。通过对江苏沿海进行调查等基础工作，建立数据库描述对象，包含基础地理信息和海岸带数据。

2）过程模型。对已有数据进行空间分析，分别需要考虑居民地的分布、入海河道等因素影响。

3）评价模型。对河闸淤积、行洪泄洪等过程进行功能分析，评价过程对入海河道的影响。

4）变化模型。海岸线的变化及河道的摆动、变化的滩涂围垦，新修的水利工程等都作为剥离出的信息进行决策的支撑，对不同因素的影响产生的不同的治导线规划方案叠加到底图上。

5）影响模型。不同的划定方案会产生不同的影响，如河口周边的自然保护区及沿河道的围堤（道路），同时对其他方面领域规划也有不同程度的影响，因此需要上下规划进行合适对接。

6）决策模型。由于各个河口的物理条件不同，所以需要因地制宜，对每个方案进行比较，滚动调整选出最优方案。

其中前 3 个模型是对现实世界的分析和表达，后 3 个模型逐渐由人为介入并改变设计，这种加入设计和建模规则的方法能使得地理设计变成一个动态的过程，正如对于治导线划定，需要综合考虑各部门之间的协调，通常上述 6 个层次的框架流程都必须至少反复迭代 3 次：1）自上而下（顺序）明确项目的背景和范围，即明确问题所在；2）自下而上（逆序）明确提出项目的方法论，即如何解决问题；3）自上而下（顺序）进行整个项目直至给出结论为止，即回答问题[14]，这样一个不断迭代优化的过程才能综合考虑规划相关问题，才能较为合理的划定河口治导线。

图5 为江苏北部入海河口埒子口的河口治导线主要的数据图层及最终的规划成果图。

图5 治导线成果图

5 结语

以江苏海岸带为研究区，结合区域空间数据基础设施和地理设计方法论开展江苏入海河口治导线规划研究，研究主要得到以下结论：

1）地理设计作为一种有效的空间辅助设计与规划方法，能够综合考虑各类影响因素，依次建立江苏入海河口治导线规划过程的表达、过程、评价、变化、影响和决策模型，把较为抽象的规划设计的流程转化为易于计算机分析与建模的过程。

2）区域空间基础设施有助于快速整合多尺度、多源空间数据资源，建立融空间数据、地理信息与领域知识的一体化数据管理，为地理设计过程提供坚实的数据基础，实现一次生产、多次应用。

[1]朱强，黄丽玲，俞孔坚. 设计如何遵从自然：《景观规划的环境学途径》评介[J]. 城市环境设计，2007, 1 (4):95-98.

[2]俞孔坚. 景观设计：专业、学科与教育[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003: 315.

[3]Ian McHarg. 设计结合自然[M]. 芮经纬，译. 北京：中国建筑工业出版社，1992: 283.

[4]俞孔坚. 科学发展观下的土地利用规划方法—北京市东三乡之“反规划”案例[J]. 中国土地科学，2009 (3): 24-31.

[5]王黎明，文辉，王英. 重庆市区域规划电子沙盘系统的设计与实现[J]. 地理研究，2005, 24 (2): 304-310.

[6]David Maidment. Bring Water Data Together[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2008,134 (2):95-96.

[7]阎守邕. 国家空间信息基础设施的现状与发展[M]. 北京：海洋出版社，2001: 164.

[8]毛桂囡，龚政，赵立梅，等. 江苏入海河道河口治导线研究[J]. 河海大学学报（自然科学版），2010, 38 (4): 462-466.

[9]Carl Steinitz. Geodesign: Case Studies in Regional and Urban Planning[M]. Redland, Esri Press, 2012: 160.

[10]Francoise, G., Jade, G., Matthieu, L.T. Towards a Coastal Spatial Data Infrastructure (CSDI) responsive to the needs of Integrated Coastal Zone Management: The GeoBretagne Experience(France)[C].Rajabifard A, Global Geospatial Conference: Spatially Enabling Government, Industry and Citizens ,Proceedings of Global Geospatial Conference Quebec City, Cananda, 2012: 14–30.

[11]Strain, L., Rajabifard, A., ＆ Williamson, I. Marine administration and spatial data infrastructure[J]. Marine Policy,2006, 30: 431–441.

[12]Vaez, S.S., Rajabifard, A., ＆ Williamson, I. Seamless SDI Model–Bridging the Gap between Land and Marine Environments[J]. SDI Convergence, 2009: 239–252.

[13]Crompvoets, J., Bregt, A., Rajabifard et al. Assessing the worldwide developments of national spatial data clearinghouses[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2004, 18 (7): 665–689.

[14]Williamson, I.P., Rajabifard, A., ＆ Feeney, M. E. F. Developing spatial data infrastructures: from concept to reality[M]. Boca Raton: CRC Press, 2003: 313.

[15]Canessa, R., Butler, M., Leblanc, C.,et al. Spatial Information Infrastructure for Integrated Coastal and Ocean Management in Canada[J]. Coastal Management, 2007, 35(1): 105–142.

[16]宫鹏，赵永超，余靓，等. 全球尺度下遥感与地理信息系统一体化软件平台研建进展[J]. 地理信息世界，2011, (2):34–37.

[17]Bartlett, D., Smith, J.( Eds.), GIS for Coastal Zone Management[M]. Boca Raton: CRC Press, 2005: 344.