省級(jí)三維國(guó)土資源一張圖展示與分析系統(tǒng)的建設(shè)

寧新林，石葉梅，劉紅勝

(1.佛山市順德區(qū)金方建筑工程有限公司，廣東佛山528300;2.廣東順潮建設(shè)工程有限公司，廣東佛山528303;3.佛山市順德區(qū)綠駿市政工程有限公司，廣東佛山528300)

一、引 言

當(dāng)今世界，信息化已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的總體趨勢(shì)。黨的十七大對(duì)我國(guó)加快推進(jìn)電子政務(wù)和信息化建設(shè)提出了明確要求。為積極應(yīng)對(duì)國(guó)土資源管理面臨的新形勢(shì)、新任務(wù)、新挑戰(zhàn)，國(guó)土資源部采取了一系列重大舉措，并于2010年6月發(fā)布了《國(guó)土資源部關(guān)于進(jìn)一步運(yùn)用現(xiàn)代科技信息手段規(guī)范和創(chuàng)新管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》，其中明確提出要以全國(guó)國(guó)土資源一張圖、綜合監(jiān)管系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通為基礎(chǔ)，構(gòu)筑以科技信息手段為支撐的國(guó)土資源管理運(yùn)行體系，實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源的全程監(jiān)管和高效配置。

地理信息系統(tǒng)發(fā)展至今，二維的表現(xiàn)形式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們?cè)谀承┨厥忸I(lǐng)域的需求。通過(guò)三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建三維地理景觀，可以在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)虛擬的地理環(huán)境，以動(dòng)態(tài)和交互的方式對(duì)地理景觀進(jìn)行全方位的審視和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)在土地管理中批、征、供、用、補(bǔ)、查信息的統(tǒng)一監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合分析和全省土地資源狀況展示，并可對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層面的匯總分析，從而為土地執(zhí)法監(jiān)察管理提供基本依據(jù)，大大提高土地執(zhí)法監(jiān)管的水平和工作效率。

二、建設(shè)目標(biāo)

以省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、“二調(diào)”形成的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、權(quán)屬和基本農(nóng)田調(diào)查數(shù)據(jù)信息成果為基礎(chǔ)，通過(guò)疊加土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)類(lèi)數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)類(lèi)數(shù)據(jù)和地質(zhì)環(huán)境類(lèi)數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)精度、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)成果標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)形成全省國(guó)土資源底圖和國(guó)土資源一張圖。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的三維應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多源多時(shí)相影像和矢量等海量數(shù)據(jù)的組織、管理、發(fā)布、查詢(xún)、瀏覽和分析等功能，進(jìn)而全面、快捷、直觀和準(zhǔn)確地掌握土地、礦產(chǎn)等各類(lèi)資源的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布。同時(shí)，還可開(kāi)展與電子政務(wù)系統(tǒng)初步集成的試驗(yàn)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可視化的二、三維地理信息應(yīng)用服務(wù)，為國(guó)土資源管理與決策提供強(qiáng)有力的信息支撐。

三、建設(shè)任務(wù)

1.各類(lèi)國(guó)土資源數(shù)據(jù)的集成

1)基于省各類(lèi)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型等構(gòu)建全省三維地理場(chǎng)景。

2)完成國(guó)土資源專(zhuān)題數(shù)據(jù)(土地利用現(xiàn)狀、土地利用規(guī)劃、建設(shè)用地審批、基礎(chǔ)地質(zhì)類(lèi)數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)類(lèi)數(shù)據(jù)和地質(zhì)環(huán)境類(lèi)數(shù)據(jù)等)的加載、圖面美化和符號(hào)配置等工作。

2.國(guó)土資源三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)

開(kāi)發(fā)省級(jí)國(guó)土資源三維地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)省國(guó)土資源多源多時(shí)相影像和矢量等海量數(shù)據(jù)的組織、管理、查詢(xún)、瀏覽、分析，全面、快捷、直觀和準(zhǔn)確地掌握全省土地、礦產(chǎn)等各類(lèi)資源的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布。同時(shí)，開(kāi)展與電子政務(wù)系統(tǒng)初步集成的試驗(yàn)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可視化的二、三維地理信息應(yīng)用服務(wù)，為國(guó)土資源管理與決策提供強(qiáng)有力的信息支撐。

四、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在省級(jí)國(guó)土資源三維地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了多層體系架構(gòu)模式，并采用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)從邏輯上分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)支撐層和應(yīng)用層。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)技術(shù)，以通用性、穩(wěn)定性定層次，同一層次則以功能劃分包，并以上層服務(wù)為導(dǎo)向，逐級(jí)設(shè)計(jì)，逐步細(xì)化系統(tǒng)組件的顆粒度。

1.基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層提供系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、服務(wù)器設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)施、安全設(shè)施、輸入/輸出設(shè)施等，也包括保障這些硬件設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件環(huán)境(如操作系統(tǒng)等)?；A(chǔ)設(shè)施層構(gòu)成三維地理信息系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施基礎(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、高效管理和快速傳輸，也為整個(gè)軟件系統(tǒng)提供了安全、高效和穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

2.系統(tǒng)支撐層

系統(tǒng)支撐層包括底層系統(tǒng)支撐層和智行者GIS公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其中，底層系統(tǒng)支撐層是整個(gè)系統(tǒng)所依賴(lài)的GIS系統(tǒng)、三維系統(tǒng)和涉及的其他相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)，包括地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、各類(lèi)開(kāi)發(fā)環(huán)境和管理工具等。系統(tǒng)支撐層所采用的基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品構(gòu)成了地理信息系統(tǒng)運(yùn)行的底層技術(shù)支撐環(huán)境。

智行者GIS公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于ArcGIS和Skyline開(kāi)發(fā)的，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用的基礎(chǔ)和框架，除提供方便的開(kāi)發(fā)模式外，還提供基本的業(yè)務(wù)分析及空間數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用功能的模塊和組件，可以大大提高應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。它綜合了多種關(guān)鍵技術(shù)部件，包括基礎(chǔ)GIS功能、專(zhuān)題圖生成技術(shù)、空間數(shù)據(jù)管理、元數(shù)據(jù)管理、日志管理、權(quán)限認(rèn)證等。應(yīng)用層的應(yīng)用系統(tǒng)是在合理的軟件框架下根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)東方道邇GIS公共開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中各類(lèi)組件進(jìn)行選取、編排和組合構(gòu)建而成。系統(tǒng)中的組件秉承組件內(nèi)緊耦合、組件間松耦合的基本原則，使得組件之間的相互依賴(lài)盡可能降到最低，從而保證整個(gè)系統(tǒng)具有良好的靈活性、伸縮性和可擴(kuò)展性。

3.服務(wù)支撐層

服務(wù)支撐層建立在平臺(tái)支撐層基礎(chǔ)之上，提供了二維地圖服務(wù)、三維地圖服務(wù)、功能應(yīng)用服務(wù)、資源目錄服務(wù)和國(guó)土專(zhuān)題服務(wù)等一系列的服務(wù)和接口。平臺(tái)支撐層和服務(wù)支撐層構(gòu)成了東方道邇獨(dú)有的具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智行者國(guó)土資源一張圖管理與服務(wù)平臺(tái)。

4.應(yīng)用層

應(yīng)用層為省級(jí)國(guó)土資源三維地理信息系統(tǒng)(B/S)。該層建立在智行者國(guó)土資源一張圖管理與服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，與具體應(yīng)用需求相結(jié)合，開(kāi)發(fā)并集成各類(lèi)應(yīng)用功能，并通過(guò)一站式門(mén)戶(hù)等技術(shù)為用戶(hù)提供人性化的應(yīng)用界面。

需要說(shuō)明的是，本期應(yīng)用層只作三維地理信息的綜合展示、查詢(xún)和分析，但同時(shí)也開(kāi)展與電子政務(wù)系統(tǒng)初步集成試驗(yàn)，未來(lái)可以為行政審批、業(yè)務(wù)管理、綜合監(jiān)管等電子政務(wù)提供二、三維空間信息服務(wù)的支撐，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可視化的二、三維地理信息應(yīng)用服務(wù)，為國(guó)土資源管理與決策提供強(qiáng)有力的信息支撐。

五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)三維瀏覽

系統(tǒng)可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、操縱桿、控制面板或者任意組合方式實(shí)現(xiàn)三維地圖的平移、縮放、俯仰、旋轉(zhuǎn)等基本操作，控制飛行的速度、高度視角。

(2)地圖縮放

通過(guò)鼠標(biāo)滾輪滾動(dòng)方式或左下方的工具條來(lái)自由縮放三維影像地球，可以從不同的高度來(lái)瀏覽窗口，并且可以直接定位到房屋、街道、城市、國(guó)家、全球的高度。

(3)信息展示

①基本信息展示

查詢(xún)系統(tǒng)中三維地形上任意一點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程、地物類(lèi)型等信息。

②屬性信息展示

對(duì)于三維場(chǎng)景中的特定區(qū)域、指定對(duì)象(文字標(biāo)注、建筑物等)，系統(tǒng)能夠使用超鏈接技術(shù)，給其賦予屬性信息。該信息可以是網(wǎng)頁(yè)、應(yīng)用程序或者多媒體數(shù)據(jù)集。

(4)查詢(xún)搜索功能

①地物搜索

系統(tǒng)支持多種方式的地物搜索(如圖2、圖3所示)。地名數(shù)據(jù)查詢(xún)定位，可以根據(jù)行政區(qū)劃的名稱(chēng)對(duì)地名數(shù)據(jù)查詢(xún)、定位;重要企業(yè)或地標(biāo)的查詢(xún)與定位，根據(jù)關(guān)鍵字對(duì)企業(yè)或地標(biāo)進(jìn)行查詢(xún)、定位。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 興趣點(diǎn)定位

圖3 熱點(diǎn)巡視

②信息查詢(xún)

通過(guò)點(diǎn)選工具，可以拾取三維地形中任意一點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程信息，可以在狀態(tài)欄上顯示鼠標(biāo)當(dāng)前位置的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空間信息與屬性信息互查，支持模糊查詢(xún)。

③地名查詢(xún)

輸入查詢(xún)的地物名稱(chēng)，系統(tǒng)通過(guò)模糊查詢(xún)，在查詢(xún)結(jié)果框中顯示所有的查詢(xún)結(jié)果，雙擊某地名，三維窗口居中即顯示該地區(qū)。

④熱點(diǎn)查詢(xún)

對(duì)已有興趣點(diǎn)(如風(fēng)景名勝)進(jìn)行超鏈接編輯，點(diǎn)擊超鏈接即將視圖窗口定位到興趣點(diǎn)，減少文字輸入與點(diǎn)選操作。

⑤查詢(xún)結(jié)果定位

用戶(hù)通過(guò)空間查詢(xún)和屬性查詢(xún)功能查詢(xún)到一個(gè)地物后，點(diǎn)擊查詢(xún)結(jié)果列表中的名稱(chēng)后，可居中顯示該物體，并顯示其屬性信息。

⑥坐標(biāo)定位

輸入地理坐標(biāo)進(jìn)行三維場(chǎng)景的定位。提供經(jīng)緯度坐標(biāo)和用戶(hù)自定義坐標(biāo)兩種坐標(biāo)類(lèi)型的輸入模式;坐標(biāo)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)雙坐標(biāo)顯示。

⑦路徑飛行

系統(tǒng)可點(diǎn)擊預(yù)設(shè)定好的飛行路徑執(zhí)行沿路徑飛行，包括巡視路徑、熱點(diǎn)路徑等;用戶(hù)自定義路徑包括用戶(hù)繪制飛行路徑和將現(xiàn)有公路作為飛行路徑。

⑧動(dòng)態(tài)標(biāo)注

地理要素的信息可以動(dòng)態(tài)標(biāo)注，也可以自定義標(biāo)注。

⑨多媒體管理

能夠?qū)⒌乩硪氐膱D片、視頻等多媒體資料保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能夠查詢(xún)。

⑩圖層控制

用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要對(duì)三維場(chǎng)景中的圖層顯示進(jìn)行控制，可以任意選擇要顯示的圖層，對(duì)地形、影像、模型、矢量等數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行分層管理。

?通用分析功能

系統(tǒng)具有以下分析功能：

a.空間距離。地形或模型上兩點(diǎn)間直線距離。

b.水平距離。地形或模型上兩點(diǎn)間水平面投影距離，如圖4所示。

c.垂直距離。地形或模型上兩點(diǎn)間高程差(相對(duì)高度)，如圖5所示。

圖4 水平測(cè)量

圖5 垂直量測(cè)

d.地表距離。地形上兩點(diǎn)間地面實(shí)際距離。

e.平面面積。多邊形的水平投影面積。

f.地表面積。地形上多邊形的地面實(shí)際面積。

g.兩點(diǎn)通視。地形或模型兩點(diǎn)間是否可視。

h.扇面通視。以地形或模型上一點(diǎn)為視點(diǎn)，計(jì)算給定高度和視域內(nèi)可見(jiàn)、不可見(jiàn)區(qū)域。

i.水淹分析。以地形上一點(diǎn)高程為基準(zhǔn)水位，計(jì)算給定區(qū)域內(nèi)被淹沒(méi)的地表區(qū)域。

j.定點(diǎn)觀察。模擬人在地形或模型上某點(diǎn)對(duì)可視域進(jìn)行直觀觀察。

k.等高線分析。模擬繪制等高線渲染圖，如圖6所示。

2.專(zhuān)用業(yè)務(wù)功能

(1)疊加對(duì)比

選擇任意地區(qū)，系統(tǒng)可讀取該區(qū)域內(nèi)遙感影像庫(kù)中的所有影像信息，并可以選擇不同時(shí)相的兩幅影像進(jìn)行疊加對(duì)比，通過(guò)無(wú)級(jí)透明度的設(shè)置，進(jìn)行不同透明程度下的土地變化分析，如圖7所示。

圖6 等高線分析示意圖

圖7 疊加對(duì)比示意圖

(2)并列對(duì)比

選擇任意地區(qū)，系統(tǒng)可讀取遙感影像庫(kù)中的所有影像信息，并可以選擇不同時(shí)相的兩幅到4幅影像進(jìn)行多窗口并列對(duì)比，查詢(xún)不同時(shí)相下的圖斑屬性信息，分析土地變化情況，如圖8所示。

(3)圖斑勾繪

在影像并列對(duì)比操作下，系統(tǒng)提供圖斑勾繪工具，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的變化地區(qū)進(jìn)行勾繪，同時(shí)賦予屬性信息，并將勾繪結(jié)果輸出保存下來(lái)，以更新監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖9所示。

圖8 并列對(duì)比示意圖

圖9 圖斑勾繪示意圖

(4)專(zhuān)題查詢(xún)

提供基于圖形和屬性的多種國(guó)土資源專(zhuān)題查詢(xún)功能，包括用地審批查詢(xún)、土地供應(yīng)查詢(xún)、礦產(chǎn)資源查詢(xún)等。查詢(xún)結(jié)果可以專(zhuān)題圖和表的形式反映與輸出，提供查詢(xún)模版定制功能，如圖10所示。

圖10 專(zhuān)題查詢(xún)示意圖

(5)專(zhuān)題統(tǒng)計(jì)

對(duì)每一類(lèi)國(guó)土資源專(zhuān)題數(shù)據(jù)(采礦權(quán)、探礦權(quán)、礦產(chǎn)資源規(guī)劃數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃和變化圖斑等)按一定條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)功能，也可以在三維場(chǎng)景中任意勾繪一個(gè)范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分類(lèi)的結(jié)果以餅狀圖和列表的形式進(jìn)行顯示，如圖11所示。

圖11 專(zhuān)題統(tǒng)計(jì)示意圖

(6)專(zhuān)題分析

提供基于圖形和屬性的多種分析功能，包括拓?fù)浞治?、壓蓋分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析、地類(lèi)分析、土地利用水平(建筑面積、容積率)、供地情況分析等，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以專(zhuān)題圖和表的形式反映與輸出，提供統(tǒng)計(jì)分析模版定制功能。

3.系統(tǒng)管理維護(hù)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)，提供了圖層、圖層方案和資源目錄組織與管理，配圖模板和制圖模板管理，二維三維符號(hào)管理，數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)值域管理，查詢(xún)模板構(gòu)建和查詢(xún)預(yù)覽，用戶(hù)、角色和部門(mén)管理，基于角色與權(quán)限的權(quán)限管理(數(shù)據(jù)權(quán)限、功能權(quán)限和服務(wù)權(quán)限)，服務(wù)管理(創(chuàng)建、注冊(cè)、編排、授權(quán)、發(fā)布等)，數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)訪問(wèn)、服務(wù)訪問(wèn)的管理日志管理等功能，保障整個(gè)系統(tǒng)能夠?yàn)榭蛻?hù)端應(yīng)用訪問(wèn)提供安全、穩(wěn)定的支撐。

六、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于二、三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)建的，有助于省國(guó)土資源部門(mén)準(zhǔn)確地掌握全省土地、礦產(chǎn)等各類(lèi)資源的數(shù)據(jù)、質(zhì)量和空間分布情況，并為相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可視化的二、三維地理信息服務(wù)，提高了國(guó)土資源全程監(jiān)管的水平和效率。

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