MapX: 开放的地理空间平台，管理、分析和可视化自然资源和环境

SoftwareX 9（2019）77MapX：一个开放的地理空间平台，用于管理、分析和可视化自然资源和环境Pierre Lacroixa，b，a，Frédéric Mosera，Antonio Benvenutia，Thomas Pillera，David Jensenc，Inga Petersenc，Marion Planquec，Nicolas Raya，ba日内瓦大学环境科学研究所，全球资源信息数据库日内瓦中心，Bd Carl-Vogt 66，CH-1211 Geneva，Switzerlandb日内瓦大学环境科学研究所环境空间实验室，Bd Carl-Vogt 66，CH-1211 Geneva，Switzerlandc联合国环境规划署，环境合作促进建设和平，国际环境之家，11 chemin des Anémones，CH-1219 Châtelaine，瑞士ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收16二月2018收到修订版2018年11月12日接受2019年保留字：空间数据基础设施数据完整性a b st ra ctMapX是一种空间数据基础设施，旨在通过增加获取最佳地理空间信息和相关监测技术的机会，支持自然资源和环境的可持续利用MapX得到一个在线平台的支持，该平台提供地方、国家和全球各级的权威性空间数据、一个使用记分卡的认证数据完整性框架以及一套可视化、分析和访问地理空间数据的在线工具。MapX最初是为采掘行业的利益相关者创建的，最近已扩展到其他领域，在这些领域，空间数据可以帮助利益相关者对话，优先考虑投资和影响监测，例如减少灾害风险，化学品管理，生物多样性规划，可再生能源和环境安全。本文介绍了该平台的开源软件栈、其关键功能以及计划的功能，并总结了一些关键的经验教训。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.5.6此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_9法律代码许可证GPL-3使用GIT的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务语言：R、HTML、JavaScript构建工具：Docker、Webpack、BashR包：shiny，RPostgreSQL，memoise，jsonlite，magrittr，parallel，curl，xml2，pool JS包：https://github.com/fxi/map-x-mgl/network/dependencies数据服务：Mapbox提供的OpenStreetMap数据作为矢量图块集编译要求，操作环境依赖Docker，Webpack如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/fxi/map-x-mgl问题支持电子邮件https://github.com/fxi/map-x-mgl/issues软件元数据当前软件版本1.5.6此版本可执行文件的永久链接app.mapx.org法律软件许可证GPL-3基于Web的计算平台/操作系统安装要求依赖关系基于Web用户培训材料https://www.mapx.org/knowledge_base问题支持电子邮件https://github.com/fxi/map-x-mgl/issues*通讯作者。电子邮件地址： pierre. unige.ch（P. Lacroix）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.01.0022352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx78P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）771. 动机和意义采掘资源可以对一个国家的发展轨迹产生变革性影响[1]。它们可以创造就业机会，为基本的政府服务提供资金，刺激经济增长。然而，利用这些机会带来了许多挑战，因为采掘业经常受到不透明合同、不公平利益分享、风险缓解不力以及未经公众咨询就做出决定的困扰这些挑战往往会破坏采掘业对发展的积极影响，并往往导致不信任、未实现的期望和社会冲突[2，3]。应对这一挑战从根本上取决于改善利益攸关方获取和使用关于采掘部门项目的经济、社会和环境绩效的信息，以便以更公平、可持续和透明的方式分享利益和风险[4]。虽然许多全球和国家倡议正在促进采掘业经济、社会和环境绩效的透明度[3，5在许多情况下，这些数据过时、支离破碎、无法获取、不一致或有争议。其中一些举措得到了地理空间数据在线平台的支持，但大多数举措（例如，见[9]）仅限于一个国家或该部门的一个方面（例如仅限于财务透明度）。采掘领域的大多数地理空间平台不提供关于信息层的分析工具或元数据，也没有数据完整性框架。其他平台仅限于显示几层信息，例如刚果民主共和国（DRC）的采矿地籍门户网站[10]，显示工业采矿特许权，保护区和地质。为了解决这些不足，联合国环境署和全球资源信息数据库日内瓦中心于2014年建立了一个名为MapX的联合倡议。更具体地说，MapX是一个在线信息和参与平台，旨在：在不同地理范围（地点、国家、区域、全球）汇总数据;验证数据完整性使用 一 使用服务和客户端应用程序可视化和分析这些数据使用动态故事图和数据仪表板作为确定优先级和采取行动的基础来传达此数据可从以下网址获得：https://app.mapx.orgMapX合作伙伴关系最初是基于G7 + 20受冲突影响国家集团的请求，以帮助他们绘制和监测其采掘业可持续发展的进展。然而，其他应对自然资源和环境挑战的利益相关者很快意识到MapX的广泛适用性，并要求定制前端应用程序，以满足他们的需求。因此，2017年9月，MapX的范围扩大到所有可以映射和监测的自然资源和相关环境问题2. 软件描述2.1. 要求自2015年平台开发开始以来，不断收集用户需求。各种类型的已与公共和私营部门、非政府组织和学术界的应用程序最终用户和潜在客户进行了磋商。举办了利益攸关方协商在刚果民主共和国和阿富汗），就平台的潜力和使用举行了网络研讨会数据类型和质量的高度异质性、各种预期的功能、可预见的平台规模扩大以适应未来几年几个新国家和组织的需求，以及需要根据用户的具体需求定制一些模块和功能，这些都指导MapX软件架构采用现有开源库和内部开发模块的该堆栈已部署在托管在云平台上的Docker基础设施上。用户的一个强烈要求是能够动态组合不同类型的地理空间层，例如，确定采矿特许权与保护区重叠的地方。方便用户是用户的另一个强烈要求，因为他们中许多人在地理信息系统方面没有高级专门知识。许多人评论说，必须有一个视觉上有吸引力的申请。用户认为，讲故事的能力以及多语言支持是该平台的一项关键功能。在数据公布之前对其完整性进行评估的必要性被多次提出，特别是来自政府机构的数据客户（例如，在刚果民主共和国和阿富汗）。从技术角度来看，所遇到的主要挑战之一是目标国家的互联网连接率低。另一个技术要求是MapX必须能够托管数据（如果最终用户没有这种能力）或通过Web服务或应用程序编程接口（API）流式传输现有数据需要有快速的客户端数据处理算法，以及对各种类型的屏幕分辨率的响应能力-特别是对于可视化故事地图-也是指导一些技术选择的一个强有力的2.2. 软件构架根据上述要求，MapX是一个在线开放源码应用程序，目前有四种语言版本（法语、英语、达里语和普什图语）。它有一个图形用户界面，访问地理空间数据，进行数据分析和构建故事地图不需要编程能力。该代码完全是内部开发的，并根据GPL- 3许可证提供。MapX网站位于www.mapx.org上，可以从该网站启动应用程序MapX针对低互联网带宽和连接性进行了优化，具有小于1.5MB的轻型接口，并在应用程序加载时传输到客户端浏览器。MapX是根据互操作性标准开发的，特别是通过现有的标准化Web 服 务 （ 如 开 放 地 理 空 间 联 盟 （ OGC ） Web 地 图 服 务（WMS）[11]以及可用的API）来获取数据为了实现信息的平滑和快速显示，矢量图块用于地图渲染。MapX软件架构由现有的开源库和内部开发的函数组成，如图所示。一曰：Docker[12]是一个开放平台，开发人员和系统管理员可以通过它构建、发布和运行分布式应用程序。····P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）7779Fig. 1. 平台的简化架构概述操作系统级虚拟化（容器化）。Docker实现了一种swarm模式，用于本机管理称为Swarm的Docker引擎集群。• Traefik[13]是一个反向代理和负载均衡器。它集成MapX Docker基础设施• Portainer[14]是Docker的管理解决方案• PostgreSQL[15]用于存储矢量数据。• PostGIS[16]增加了对地理对象的支持，在SQL中运行的位置查询PostGIS在服务器端用于矢量分析，如面积计算，单变量统计和重叠分析。• Turf.js[17]用于客户端，矢量图块分析，如计算特征区域、质心和范围。• MapX APP是一个自定义的R-Shiny和JavaScript应用程序提供后端和前端之间的双向交互。它由一个使用Mapbox GL JS的JavaScript编写的客户端程序和一个用R编写的服务器端程序组成，该程序维护每个用户的会话并处理所有服务器端交互。R[18]是用于数据分析、数据库连接和服务器端逻辑的语言。Rshiny[19]是一个使用R构建交互式报告和可视化的Web框架。Mapbox GL JS是一个JavaScript库，它使用WebGL从矢量图块和Mapbox样式渲染交互式地图[20]。• Redis[21]在服务器端用于缓存矢量图块。GeoServer实例使潜在的GIS专家能够通过OGC服务发现和直接访问数据。JavaScript、HTML、CSS、JSON编辑器和Highcharts用于应用程序的前端和矢量渲染。MapX API是一个自定义的ExpressNode.js应用程序，提供后端服务，如上传，下载，矢量图块创建，加密的SQL查询到PostgreSQL/PostGIS，用户身份验证，IP验证和电子邮件。在用户管理系统方面，MapX具有对故事地图、数据集和工具的多种灵活的用户访问级别。每个用户都被分配了一个角色，即角色定义了对应用程序不同组件的访问。此角色还授予读取、发布和编辑内容的权限。在内部，用户根据其角色进行分组这将允许每个角色具有不同的权限来修改用户配置文件设置和管理用户组。 默认情况下，MapX用户是公开的，对地图、数据和工具具有有限的权限要升级，公共用户必须自行注册。这只涉及发送他们的电子邮件地址，但没有额外的信息。MapX自动生成一次性密码令牌并发送给用户。密码令牌未保存在数据库中。相反，它只存在于应用程序的内存中，在临时会话中，20分钟后自动这种密码管理方法被认为比用户管理的密码更安全，后者更容易被黑客攻击，具体取决于所使用密码的复杂性为了记住用户，浏览器中会保存一个加密的cookie（AES-128位），有效期为30天。···80P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）772.3. 输入数据MapX平台在刚果民主共和国采掘部门的测试证实，它可以建立在现有的国家流程基础上，支持利益相关者整合、分析和可视化各种关键数据集，例如：1. 采掘特许权界限，包括所有者、资源类型和活动状况;2. 公司一级与特许权有关的财务信息通过EITI披露[23];3. 其他背景资料，如：涉及采矿和贸易[24]、发展指标[25、26]、流域[27]和土地覆盖图[28];4. 特许权或具体地点的监测数据，包括利益分享、产量、申诉和环境质量[29，30]（图） 2）、5. 通过可持续性报告或通过遵守环境和社会绩效标准（例如，全球报告倡议组织、赤道原则、国际金融公司绩效标准）;6. 与自然资源管理相关的全球数据集，包括世界保护区数据库[31]、全球风险数据平台[32]、全球森林损失[33]、武装冲突地点和事件数据项目（ACLED）的冲突数据[34]以及类人猿分布范围和碳储量走廊[35]。在可行的情况下，通过WMS等标准或使用作者开发的脚本（例如，R脚本从ACLED在线数据库中提取冲突数据）。2.4. 软件功能和用户界面MapX的主要功能如下所示。重要的是要注意，显示的数据可能不反映最新的在线信息：比例符号和色带MapX能够显示比例符号地图和色带，以帮助用户可视化热点和重要的环境质量阈值，例如低于目标水平（图中的绿点）。2），高于目标水平（图中的蓝点）。 2），高于干预水平（图中的红点）。2）的情况。本地存储层的聚合、合并、可视化和叠加，WMS层与背景中的高分辨率卫星图像[36]。作为一个在线地理空间平台，MapX可以轻松地聚合和整合大量数据集，并使搜索和叠加多个图层变得容易查看过滤的图例，元数据和询问（通过点击指向）任何层的任何对象的能力是标准功能。空间重叠分析任何两个矢量层都可以通过快速客户端算法进行空间重叠分析。有趣的重叠例子是采矿特许权和保护区[37，38]（图3）、土著领地、农业区、牧场或图二. 特定地点的监测数据：在刚果民主共和国Kolwezi选定地点进行的环境取样研究，描绘了河岸上铜的有毒浓度。资料来源：https://app.mapx.org?项目=MX-MMN-3EH-CLM-KI 7-EG 9&视图=MX-RUPXK-487 AQ-LMTLC。P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）7781图三. 刚果民主共和国采矿特许权和保护区之间的重叠分析，两个图层的重叠（左）和重叠分析的结果（右为红色区域）。资料来源：https://app.mapx.org?项目=MX-MMN-3EH-CLM-KI7-EG9&视图= MX-OD 60 Y-0XHH 1-NUQLJ、MX-1LCIL-QRNLH-0CF2 L、MX-NAXHL-ZRS 68-RNVJA。自然灾害风险。此函数还计算当前可见重叠区域的表面。时间滑块对于任何具有标准化时间戳组件的数据属性，MapX可以自动将其链接到时间滑块，允许用户可视化随时间的变化，例如。采矿特许权授予日期。数据上传、样式化和发布通过正确的访问级别，用户可以上传他们的矢量数据集，从MapX中设置图例样式，并在平台上发布故事地图编辑器故事地图是叙事文本、照片、多媒体、图表和实时信息的组合[39]。通过在浏览器中向下滚动或单击幻灯片编号，可以线性访问故事地图，同时将旁白连接到自动更新的地理位置（图10）。 4）.故事地图的一个关键功能是允许读者解锁地图，以便动态导航地理空间信息，并在阅读叙述时询问它。MapX拥有一个完全开发的内部故事地图引擎和一个屏幕上的故事地图编辑器，允许用户从MapX界面中轻松构建故事地图。当活见图4。MapX故事地图示例，包括叙述、图片和动态地图，旨在提高对采矿活动导致刚果民主共和国沉积物和水汞污染后果的实地工作评估的理解。资料来源：https://app.mapx.org?项目= MX-IY 9-QCF-ILZ-UVO-07 Y&视图=MX-CUPUZ-QMWZT-3XD 3 K。82P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）77×图五、 基于训研所刚果民主共和国手工小规模采金业数据的MapX网站仪表板示例，显示了汞消费的关键数字、指标和做法。来源：https://app.mapx.org?项目= MX-IY 9-QCF-ILZ-UVO-07 Y&视图= MX-W8 SQB-SM 644-QVQXV。构成故事地图的数据层会在平台中更新-故事地图也会自动更新。显示关键数据和指标的MapX仪表板是一个独立的信息环境，与一个图层相关联，该图层补充或综合了地图上显示 它由小部件组成，可以包含图表，文本或媒体，并可用于显示数据的时间演变以及照片和基础网站情况说明书（图1）。 5）。仪表板可以显示来自MapX数据集属性表的信息，也可以通过URL（例如，图片、视频、GeoJSON）。MapX中提供了一个仪表板代码编辑器，可以将图形库（例如HighCharts，D3.js）与可用的数据集连接起来。小工具可以同时针对不同尺度的数据集（例如全球、国家、地点），并可以通过两种方式与地图交互：通过点击特定特征，报告所选特征的确切值，或通过放大或缩小，返回对地图上显示的特征的动态统计分析数据下载数据下载可采用各种格式，如shapefile，GeoJSON，SQLite和SQL。下载由数据管理器根据数据集的底层许可要求进行授权。例如，不能从MapX重新分发的数据不能被授权下载。2.5. 数据质量保证/质量控制（QA/QC）在 数 据 质 量 保 证 方 面 ， MapX 使 用 数 据 完 整 性 评 估 框 架（DIAF）。为了评估数据的完整性，首先进行数据清点，列出现有数据的来源、保管人和质量，以及关键数据政策和能力差距以及遵守国际标准的程度。地理空间数据标准这一清单构成了数据完整性评分系统的基本投入，该系统按四个类别评估数据的完整性：数据可靠性、技术可及性、数据开放性和数据可持续性。该框架由四个主要组成部分和每个组成部分内的四个问题组成。答复的设计是"是“、”否“或"部分遵守”。当在MapX中与图形仪表板一起实现时，DIAF将允许用户监控MapX平台内数据转换和填充的进度它还将帮助他们了解数据完整性的水平以及阻碍以可持续方式发布数据集关于DIAF的完整说明见申请网站。2.6. 试点测试MapX平台已在刚果民主共和国、阿富汗、海地和索马里国家一级、哥伦比亚、印度尼西亚、尼日尔和科特迪瓦次区域一级以及阿富汗矿区一级进行了试点测试。在刚果民主共和国，MapX是与采掘业透明度倡议（EITI）多利益相关者小组（MSG）密切合作开发的。最近在伊拉克、苏丹和南苏丹开始了其他试点。还开展了一些试点项目，以支持《关于汞的水俣公约》收集、展示和分析手工和小规模采金场的汞使用情况，并支持各国在《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》框架内进行基线最后，MapX正在通过联合国生物多样性实验室（unbiodi-versitylab.org）与联合国开发计划署（UNDP）合作，支持各国利用全球生物多样性指标方法和可用的空间数据，以报告在实现爱知生物多样性目标方面取得的进展。P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）7783向《生物多样性公约》提交的第六次国家报告。2.7. 即将到来的发展现在MapX已经在不同的国家进行了试点测试在数据完整性方面，未来的发展将包括实施一项功能，使平台用户能够为不同的数据集提供自己的评级（以五为一级例如，在社区成员有争议的公司对服务、工作或收入共享的访问权要求的情况下，该功能可能是有用的。该系统将跟踪挑战如何被打开，何时以及由谁解决。用户的一个强烈要求是在线定义感兴趣的地理区域。该功能将能够支持多种场景。例如，村民或民间社会成员当地的非政府组织）有兴趣监测她居住的感兴趣的地区，或者因为它具有生态重要性。用户希望在授予新特许权或现有特许权具有新状态的情况下通过电子邮件得到提醒。3. 说明性实例一般介绍见[40]。它由一个故事地图组成，其中说明了以下关键特征：当地存储的图层与卫星图像之间的重叠、矿区与保护区之间的空间重叠分析、热图、两个日期之间景观退化的可视化、在线地图中嵌入的多媒体内容（图像和视频）以及显示不同地理尺度（全球、国家和场地级别）汞污染的4. 影响基于MapX的现有应用，我们预计会产生五大影响：1. 使基本空间数据的获取民主化：建立一个由中立行为者管理的全球高质量空间信息公共目录，可以减少利益攸关方之间的信息不对称，支持循证决策。这样的数据池可以用于人工智能和移动应用程序。2. 确定投资的优先次序和监测影响：该平台提供基于证据的最佳可用数据，可帮助决策者和利益攸关方了解不同环境选择的利弊或共同效益，以确定投资的优先次序和监测影响。3. 开放数据规范和可互操作的数据：MapX可以帮助利益相关者和国家之间使用中立和非商业信息平台结合强大的互操作性标准来实现环境信息共享的非政治化4. 空间数据生产者和消费者之间的互联：MapX可以帮助空间数据的生产者与空间数据的消费者进行匹配，以回答特定的问题并评估解决方案的前景。5. 更全面的透明度视角：MapX有助于将透明度的应用从仅考虑财务因素扩展将期望转化为现实所面临的主要挑战之一是在当前社区内外扩展MapX的使用。朝着这一方向发起的技术发展包括将数据的导出格式列表扩展到GML、GPKG和CSV，并使样式化图层描述符（SLD）文件能够导入MapX。根据这一目标，该应用程序支持的制图参考系统清单正在扩大（从第84工作组扩大到其他主要的全球系统和地方系统），以便利地方社区输出矢量数据。可以制作的地图的质量MapX中的地图信息也正在得到改进，以鼓励用户在其报告中包括地图，例如在向《生物多样性公约》或水俣公约提交报告时。最后，正在努力将MapX嵌入到外部应用程序中，以便用户从定制的应用程序而不是直接从MapX在其地理空间层中导航。联合国生物多样性实验室（www.unbiodiversitylab.org）是将MapX集成到外部网站的一个很好的例子。由MapX提供技术支持，联合国生物多样性实验室包括一个在线平台，鼓励数据提供者和数据用户建立伙伴关系，以确保各国政府能够使用尖端空间数据，做出关键的保护和发展决策。MapX是这个平台的后端，而unbiodiversitylab.org是前端。目前，集成是通过iFrames完成的，但MapX API的扩展将在未来促进这种类型的集成。5. 结论有效地保护地球今天，正在进行的数字革命正在产生比以往任何时候都更多的关于地球状况的信息：移动电话，卫星，传感器和无人机的组合正在实时收集行星信息，这些信息可以为自然资源决策提供信息，并使数据访问民主化。然而，各种数据流的庞大规模使许多利益攸关方无法利用这一丰富的信息。事实上，虽然现有数据的数量利益攸关方面临的挑战是，各种数据流支离破碎，质量不确定，缺乏分析、可视化和交流数据的工具，无法为政策和决策提供信息。正如本文所述，MapX是我们提出的解决方案，这些问题MapX是联合国支持的地理空间信息平台，旨在利用最佳可用数据和新兴数字技术实时绘制和监测自然资源和这是联合国首次尝试将各种空间信息整合到一个单一的公平的云平台中，提供激励措施和算法以匹配数据生产者和消费者，同时还提供用于分析，可视化和讲故事的工具和仪表板。MapX的最终目标是帮助决策者和其他利益相关者了解不同土地利用方案的利弊和共同利益，以便确定投资和行动的优先次序。在一堆开源库上开发，代码集成，由于MapX特别关注低连接设置，因此它有潜力吸引大量用户。它的开放模式可能会鼓励其他开发人员和机构参与该平台，以改进和扩展其功能，甚至将堆栈部署为自然资源管理以外的其他用途。84P. Lacroix，F.莫泽A.Benvenuti等人/SoftwareX 9（2019）77致谢我们感谢联合国-世界银行脆弱性和冲突伙伴关系信托基金、联合国环境署和芬兰政府为本文所述工作提供我们还感谢EITI-DRC秘书处为DRC的利益相关者协商提供了便利，我们也感谢国际EITI秘书处在DRC的MapX概念化和部署过程利益冲突作者声明不存在利益冲突引用[1][10]杨文，李文. 开放空间数据基础设施促进采掘业可持续发展：承诺与挑战。In：D Coleman，A Rajabifard，J.Crompvoets，编辑。智能世界中的空间赋能。Gilbertville：GSDI，Association Press;2017，p. 53-69，[2]希 尔 森 湾 矿 业 社 区 土 地 使 用 冲 突 概 述 土 地 使 用 政 策 2012;19 ： 65http ：//dx.doi.org/10.1016/S0264-8377（01）00043-6.[3]Rustad S，Lujala P，Billon PLe.建设还是破坏和平？高价值自然资源管理的经验教训。在：P Lujala，S.A.鲁斯塔德，编辑。高价值自然资源与冲突后建设和平。London：Earthscan; 2012，p. 571-621，[4]Rios MO，Bruyas F，Liss J.预防资源丰富国家- 将采掘业价值链作为预防冲突的框架。华盛顿特区：世界银行; 2015年，可从：https://openknowledge.worldbank.org/bitstream/handle/10986/24081/获取？sequence=1& isAllowed=y. 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