基于三維地理信息的土地儲(chǔ)備信息管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

李 劼，何興富，張 藝，胡 穎，邱 月

（重慶市勘測(cè)院，重慶 401121）

0 引 言

城市土地儲(chǔ)備制度有利于充分發(fā)揮土地資產(chǎn)價(jià)值，整合城市土地利用空間布局，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，土地儲(chǔ)備作為土地資源集約利用和優(yōu)化配置的重要作用更加突顯出來。隨著城市的快速擴(kuò)張，土地儲(chǔ)備數(shù)量日益增多。同時(shí)，《土地儲(chǔ)備管理辦法》對(duì)土地儲(chǔ)備與規(guī)劃、建設(shè)、國(guó)土資源等部門的工作對(duì)接流程進(jìn)行了定義，需要管理的各類文件和圖件資料急劇增加，對(duì)這些資料的使用和管理提出了較高的要求。

本研究為解決上述問題，進(jìn)行了基于三維地理信息的土地儲(chǔ)備信息管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究，以高精度的三維空間信息為載體，整合各類土地儲(chǔ)備信息，建立以地塊為對(duì)象的土地資源綜合信息庫(kù)，形成“土地資源一張圖”，實(shí)現(xiàn)對(duì)地塊的對(duì)象化、時(shí)態(tài)化管理。結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興應(yīng)用模式，構(gòu)建了信息管理系統(tǒng)，形成三維可視化展示、地理咨詢、現(xiàn)場(chǎng)踏勘管理等全流程管理服務(wù)，為掌握土地分布、了解土地詳情、展示重大基礎(chǔ)設(shè)施、輔助領(lǐng)導(dǎo)決策提供高效、準(zhǔn)確、可視化的信息服務(wù)，有力支撐相關(guān)單位儲(chǔ)備土地的高效管理。

1 研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的大發(fā)展，土地利用、土地規(guī)劃等工作的開展，各級(jí)國(guó)土、規(guī)劃、建設(shè)管理相關(guān)部門對(duì)于土地信息管理系統(tǒng)的需求愈加強(qiáng)烈[1]。隨著空間信息、云計(jì)算、計(jì)算機(jī)可視化等理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前土地信息管理系統(tǒng)與以下幾個(gè)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行融合發(fā)展，包括①“3S”技術(shù)一體化；②土地?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；③時(shí)空數(shù)據(jù)模型；④空間知識(shí)庫(kù)；⑤分布式系統(tǒng)[2]。結(jié)合以上研究?jī)?nèi)容，支持多源多尺度信息的三維空間信息系統(tǒng)，以其強(qiáng)大的空間分析和可視化表達(dá)方式逐漸成為土地信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)。

目前，上海市地質(zhì)調(diào)查研究院已經(jīng)對(duì)城市三維土地管理進(jìn)行了研究，他們基于三維GIS通過三維可視化方式模擬與表達(dá)城市土地對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)的基于二維GIS土地信息表達(dá)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，便于相關(guān)人員分析土地空間對(duì)象的空間信息和空間展布規(guī)律；同時(shí)，湖南科技大學(xué)李朝奎團(tuán)隊(duì)也以湘潭市為例，進(jìn)行了城市土地利用潛力分析及其3D可視化輔助管理的相關(guān)研究，通過建立城鎮(zhèn)土地利用的評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)湘潭市土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行定量分析，借助三維可視化方法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了有效表達(dá)，取得了一定的研究效果；楊繼文、趙鵬飛等，也利用SuperMap軟件，進(jìn)行了三維土地利用現(xiàn)狀信息系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了土地調(diào)查數(shù)據(jù)的三維展示與分析，解決了二維土地?cái)?shù)據(jù)缺少地形信息的不足。

現(xiàn)階段，三維土地信息管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)總體上仍處于探索階段，深入應(yīng)用仍存在諸多困難和不足，特別是在實(shí)踐中，二維土地信息管理系統(tǒng)所具有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理、空間分析和數(shù)據(jù)表達(dá)能力，仍是三維土地信息管理系統(tǒng)要繼續(xù)解決的問題。

2 研究思路

本研究的總體研究路線分為4個(gè)階段，包括現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果整理分析、土地儲(chǔ)備地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、三維土地儲(chǔ)備管理信息系統(tǒng)建設(shè)、土地儲(chǔ)備信息管理應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 總體研究思路Fig.1 Overall research approach

本項(xiàng)目具體技術(shù)實(shí)施分為4個(gè)階段，第一階段是現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果整理分析，主要包括對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和儲(chǔ)備土地相關(guān)數(shù)據(jù)信息以及相關(guān)輔助信息，分析數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和有效性，去除時(shí)效性差的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)冗余；第二階段是土地儲(chǔ)備地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，主要是在現(xiàn)有地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，針對(duì)二三維一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和開發(fā)，在完成對(duì)于項(xiàng)目數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查、入庫(kù)，完成項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)工作；第三階段是三維土地儲(chǔ)備投資管理系統(tǒng)建設(shè)，利用重慶市勘測(cè)院自主研發(fā)的“集景-三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)”提供的二次開發(fā)控件，研發(fā)支持土地儲(chǔ)備地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)集成、可視化管理以及推廣應(yīng)用的多平臺(tái)管理系統(tǒng)，為儲(chǔ)備土地的管理提供基礎(chǔ)支撐平臺(tái)；第四階段是進(jìn)行土地儲(chǔ)備信息管理應(yīng)用，主要包括進(jìn)行土地儲(chǔ)備信息二三維可視化管理、地理設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)、輔助招商引資及其他后續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用拓展。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本研究總體框架以數(shù)據(jù)建設(shè)規(guī)范和安全保密標(biāo)準(zhǔn)為支撐，分基礎(chǔ)支撐層、基礎(chǔ)平臺(tái)層和應(yīng)用服務(wù)層三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，其中基礎(chǔ)支撐層包括硬件環(huán)境、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，用于構(gòu)建重慶市土地儲(chǔ)備地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)，整理基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和土地儲(chǔ)備信息，為基于三維地理信息的土地儲(chǔ)備信息管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐；基礎(chǔ)平臺(tái)層是在集景三維數(shù)字城市平臺(tái)和基礎(chǔ)開發(fā)框架下，開發(fā)“重慶市三維土地儲(chǔ)備管理信息系統(tǒng)”基礎(chǔ)平臺(tái)，為項(xiàng)目提供基礎(chǔ)平臺(tái)支撐；應(yīng)用服務(wù)層是在基礎(chǔ)平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用功能模塊的開發(fā)，發(fā)布相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，包括三維可視化瀏覽、查詢、分析，土地招商引資，地理設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)等，如圖2所示。

圖2 總體框架結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall frame structure

1）地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)

本項(xiàng)目所研究的二三維地理空間數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地儲(chǔ)備信息數(shù)據(jù)、道路場(chǎng)地方案數(shù)據(jù)等，同時(shí)結(jié)合“重慶市三維土地儲(chǔ)備投資管理系統(tǒng)”對(duì)于數(shù)據(jù)管理、集成的需要，項(xiàng)目采用的是能夠有效對(duì)結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)—FireBird。FireBird是一個(gè)跨平臺(tái)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，目前能夠運(yùn)行在Windows、Linux和各種Unix操作系統(tǒng)上，提供了大部分SQL-99標(biāo)準(zhǔn)的功能。它既能作為多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器運(yùn)行，也提供嵌入式的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。FireBird基于開源Interbase6.0，它是Borland公司2000年發(fā)布的一個(gè)開源版本。

相比于其他主流數(shù)據(jù)庫(kù)，如Oracle、SQLserver、Sqlite，F(xiàn)ireBird數(shù)據(jù)庫(kù)具有以下特點(diǎn)：

①FireBird是一個(gè)真正的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，支持存儲(chǔ)過程、視圖、觸發(fā)器、事物等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的所有特性；

②FireBird支持SQL-92的絕大部分命令，并支持SQL-99命令；

③FireBird源碼基于成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)Interbase，有良好的穩(wěn)定性；

④發(fā)布簡(jiǎn)易，安裝文件小，且高度可定制，客戶端的分發(fā)也很簡(jiǎn)單，只需一個(gè)DLL文件；

⑤FireBird的嵌入式服務(wù)器版本，不用安裝，直接運(yùn)行，基于單機(jī)開發(fā)首選；

⑥FireBird運(yùn)行效率非常高；

⑦具備高度可移植性，可在Windows、Linux、Unix、MacOS等系統(tǒng)下運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)庫(kù)格式完全一致，不用修改；

⑧開發(fā)環(huán)境良好，C++Builder不用通過ODBC連接，直接用原生開發(fā)接口開發(fā)基于FireBird的程序。

2）集景-三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)

本研究的基礎(chǔ)平臺(tái)為“集景-三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)”，該平臺(tái)為重慶市勘測(cè)院自助研發(fā)的三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)支持海量三維數(shù)據(jù)的集成、建庫(kù)、發(fā)布、應(yīng)用一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市地理空間數(shù)據(jù)資源的綜合集成、分布式管理、集中共享與服務(wù)，體現(xiàn)“數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、應(yīng)用豐富多樣”的三維數(shù)字城市價(jià)值[3]。

集景三維數(shù)字城市平臺(tái)主要包括3個(gè)產(chǎn)品：集景Builder、集景Server、集景Runtime。在三維數(shù)字城市建設(shè)領(lǐng)域，集景三維基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)合領(lǐng)先的技術(shù)架構(gòu)和綜合解決方案，為三維數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)用提供支持。

3）基于該平臺(tái)，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對(duì)地形、土地儲(chǔ)備資源、地上建筑模型等空間信息數(shù)據(jù)的建模、集成、可視化及專業(yè)分析一體化三維可視管理；同時(shí)為服務(wù)于儲(chǔ)備土地規(guī)劃管理，項(xiàng)目創(chuàng)新了三維協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)，以高精度三維地形模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、以地理信息系統(tǒng)分析技術(shù)為決策支持、以參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建構(gòu)筑物三維模型作為成果展示，實(shí)現(xiàn)了片區(qū)路網(wǎng)、場(chǎng)平和建筑景觀的協(xié)同設(shè)計(jì)，提高土地利用的科學(xué)性及效率。道路智能設(shè)計(jì)技術(shù)[4]是重慶市勘測(cè)院在三維地理信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于BIM技術(shù)構(gòu)建道路信息模型，開展交互式、智能化道路設(shè)計(jì)研究，為規(guī)劃設(shè)計(jì)人員快速構(gòu)建路網(wǎng)方案、評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)成果提供的工具和技術(shù)手段[5]。通過這種方式推進(jìn)道路設(shè)計(jì)一體化、智能化全過程，如圖3所示。

圖3 道路設(shè)計(jì)模型Fig.3 Road design model

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模引擎是使用約束條件來表達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)象的形態(tài)特征，通過定義一組參數(shù)以控制設(shè)計(jì)結(jié)果，從而能夠通過調(diào)整參數(shù)來修改設(shè)計(jì)模型。項(xiàng)目將設(shè)計(jì)內(nèi)容都抽象化為“對(duì)象”，建立這些“對(duì)象”內(nèi)部的層次結(jié)構(gòu)以各層次之間、層次內(nèi)部成員之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成對(duì)象的層次模型。在層次模型的底層，對(duì)每個(gè)內(nèi)部成員建立一個(gè)參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)成員的參數(shù)化表達(dá)與表現(xiàn)。該引擎結(jié)合道路智能設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)城投集團(tuán)儲(chǔ)備地塊周邊的路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了快速三維模擬、定量評(píng)估和實(shí)時(shí)優(yōu)化。

圖4所表示的就是在DOM和DEM融合形成三維數(shù)字地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在三維土地信息管理系統(tǒng)中，通過導(dǎo)入片區(qū)的道路初步設(shè)計(jì)方案，再利用三維模擬分析，將線性道路設(shè)計(jì)方案三維化，形成相應(yīng)的道路、隧道、橋梁和邊坡，并在三維場(chǎng)景中標(biāo)明每一個(gè)交叉口的道路標(biāo)高，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 道路設(shè)計(jì)及道路交叉口標(biāo)識(shí)Fig.4 Road design and road crossing markers

4）場(chǎng)平工程土石方自動(dòng)平衡技術(shù)[6]

場(chǎng)地內(nèi)自動(dòng)平衡技術(shù)指通過采用土石方平衡方法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)場(chǎng)地內(nèi)土石方量的自動(dòng)平衡。為進(jìn)一步解決面向工程的自動(dòng)平衡，場(chǎng)地內(nèi)土石方平衡采用目標(biāo)量平衡方法（即土石方量以一個(gè)可能非0挖填方量為目標(biāo)）。本項(xiàng)目采用面向?qū)ο蟮耐潦接?jì)算方法，即每個(gè)單元格網(wǎng)都是一個(gè)對(duì)象，它包含了單元格的節(jié)點(diǎn)、單元格的土石方量、單元格的性質(zhì)、各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)高和地形高、節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)等信息。另一方面，場(chǎng)地也保存了設(shè)計(jì)信息，可能通過參數(shù)化調(diào)整的方式來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高的快速調(diào)整。因此，場(chǎng)地內(nèi)自動(dòng)平衡技術(shù)可以通過圖5所示流程實(shí)現(xiàn)。

圖5 場(chǎng)地內(nèi)土石方自動(dòng)平衡處理流程Fig.5 Automatic balancing process of earthwork within the site

在場(chǎng)地內(nèi)土石方自動(dòng)平衡技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工程的土石方自動(dòng)平衡就可以轉(zhuǎn)化為如何分配土石方的問題?？梢越梃b平差的思想，對(duì)每個(gè)場(chǎng)地賦予一個(gè)權(quán)重值，以對(duì)其進(jìn)行土石方量分配。

圖6所表示的是，系統(tǒng)在完成道路設(shè)計(jì)后，確定道路設(shè)計(jì)方案和道路交叉點(diǎn)的標(biāo)高之后，通過三維可視化模型，對(duì)道路設(shè)計(jì)方案中間的場(chǎng)地進(jìn)行場(chǎng)平模擬分析，反映出各地塊中場(chǎng)平到某一特定標(biāo)高后，所需要進(jìn)行的挖填方量，并在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)標(biāo)示出來。

圖6 場(chǎng)地設(shè)計(jì)及挖填方量統(tǒng)計(jì)標(biāo)識(shí)Fig.6 Site design and excavation of statisticss indicators

4 研究成果與技術(shù)創(chuàng)新

1）面向業(yè)主對(duì)于土地儲(chǔ)備信息精細(xì)化管理的需求，項(xiàng)目建立了二三維一體化的重慶市土地儲(chǔ)備地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)[7]。項(xiàng)目收集、整理了重慶市城市建設(shè)投資公司在重慶市主城區(qū)范圍內(nèi)的土地儲(chǔ)備信息，并結(jié)合重慶市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和土地規(guī)劃、建設(shè)等關(guān)聯(lián)信息，構(gòu)建了服務(wù)土地信息管理的土地現(xiàn)狀信息庫(kù)、土地關(guān)聯(lián)資源庫(kù)和基礎(chǔ)地理信息庫(kù)，并將以上數(shù)據(jù)成果進(jìn)行集成整合，形成了滿足地理信息系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)與要求的重慶市主城區(qū)土地儲(chǔ)備地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖7、圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.7 Database logic structure

圖8 重慶市土地儲(chǔ)備地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)成果Fig.8 The results of chongqing land reserve geographical information database

2）基于自主研發(fā)的“集景-三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)”，構(gòu)建了“重慶市三維土地儲(chǔ)備投資管理系統(tǒng)”，為土地儲(chǔ)備資源的可視化管理、招商引資和地理設(shè)計(jì)咨詢提供服務(wù)。

在二三維一體化的重慶市主城區(qū)土地儲(chǔ)備地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，針對(duì)重慶市城市建設(shè)投資有限公司對(duì)于儲(chǔ)備土地信息的可視化精細(xì)管理應(yīng)用的需求，研發(fā)了“重慶市三維土地儲(chǔ)備投資管理系統(tǒng)”，從3個(gè)方面提供服務(wù)，包括：

①可視化管理，能夠在三維場(chǎng)景中直觀了解儲(chǔ)備土地的空間位置、場(chǎng)地條件、周邊環(huán)境情況，并能對(duì)相應(yīng)地塊信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，如圖9所示；

圖9 儲(chǔ)備土地信息管理可視化查詢Fig.9 Reserve land information visualization query

②輔助招商引資，有效地整合了土地自然條件、規(guī)劃條件、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景地圖等開發(fā)商感興趣的信息，使其能夠高效地掌握土地整體信息，輔助商務(wù)決策；

③地理設(shè)計(jì)咨詢，有效地利用三維可視化分析技術(shù)，針對(duì)地塊周邊道路和場(chǎng)地情況進(jìn)行設(shè)計(jì)咨詢模擬分析，為場(chǎng)地設(shè)計(jì)建設(shè)方案，提供切實(shí)可信的場(chǎng)地標(biāo)高、挖填方量、道路標(biāo)高、縱橫斷面模擬數(shù)據(jù)，輔助了公司的相關(guān)業(yè)務(wù)決策[8]，如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)備土地設(shè)計(jì)咨詢項(xiàng)目二三維范圍Fig.10 Reserve land design consulting project 2D & 3D ranges

5 結(jié)束語

通過本項(xiàng)工作的研究與探索，對(duì)土地儲(chǔ)備資源的三維信息化管理做出了一定的建議，主要體現(xiàn)在項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)上，在大范圍、高精度三維虛擬地理環(huán)境下建立儲(chǔ)備土地信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)，充分發(fā)揮重慶市勘測(cè)院在重慶市地理空間信息獲取、集成和管理方面的優(yōu)勢(shì)，提升了土地儲(chǔ)備信息管理效率；同時(shí)，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)土地信息查詢、管理基礎(chǔ)上，通過自主研發(fā)的道路智能設(shè)計(jì)技術(shù)和土石方自動(dòng)平衡技術(shù)，針對(duì)儲(chǔ)備土地規(guī)劃、建設(shè)的要求，進(jìn)行了儲(chǔ)備用地的道路、場(chǎng)地咨詢模擬，并輔助設(shè)計(jì)單位進(jìn)行定量評(píng)估和優(yōu)化，進(jìn)一步提高了土地管理應(yīng)用的深度，同時(shí)為儲(chǔ)備土地的招商引資拓展了思路。