市級國土空間基礎(chǔ)平臺設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究*

王利軍, 楊軍義, 尹盤飛

(1.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741025; 2.甘肅省測繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741000;3.天水三和數(shù)碼測繪院有限公司，甘肅 天水 741000)

國土空間是生態(tài)文明建設(shè)的空間載體，是人們生產(chǎn)、生活的空間。2018年3月國務(wù)院撤銷了國土資源部，新組建了自然資源部，由過去的“小國土時代”進入到“大國土時代”，中央要求建立空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施——即將土地利用總體規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、主體功能區(qū)規(guī)劃整合為統(tǒng)一的國土空間規(guī)劃[1]，這需要建設(shè)國土空間基礎(chǔ)平臺，實現(xiàn)主體功能區(qū)戰(zhàn)略和各類空間管控要素精準落地，逐步形成全國國土空間規(guī)劃“一張圖”，推進政府部門之間的數(shù)據(jù)共享以及政府與社會之間的信息交互。同時要依托國土空間基礎(chǔ)平臺，建立健全國土空間規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測評估預警和實施監(jiān)管機制。

近年來，國內(nèi)幾乎所有城市都在開展國土空間基礎(chǔ)平臺建設(shè)工作，以期統(tǒng)一土地、主題功能和城鄉(xiāng)規(guī)劃業(yè)務(wù)審批流程，但由于之前國土和規(guī)劃部門并未合并，其數(shù)據(jù)資料、編碼分類、業(yè)務(wù)流程、管理模式、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都不盡相同，因此很少有真正將二者進行統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)平臺，更無法實現(xiàn)在此平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建的“一張圖”系統(tǒng)[2]。在成立自然資源部后的“大國土時代”，通過“健全機制、統(tǒng)一標準、集中管理、互聯(lián)共享”的模式為建設(shè)國土空間基礎(chǔ)平臺提供了政策保障和現(xiàn)實基礎(chǔ)。

1 平臺總體架構(gòu)

市級國土空間基礎(chǔ)平臺總體架構(gòu)需立足于空間治理信息化發(fā)展的趨勢，以信息共享、實施管控和智慧服務(wù)為目標，以標準規(guī)范體系和信息安全體系為保障，以自然資源云基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境[3]為基礎(chǔ)，實現(xiàn)國土與規(guī)劃業(yè)務(wù)的一體化管理, 主要包括“一張網(wǎng)”、“一個庫”、“一平臺”、“若干應用”一體化平臺的架構(gòu)，即采用“1+1+1+N”的分布式架構(gòu)設(shè)計開展平臺設(shè)計：首先整合基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境形成“一張網(wǎng)”；其次融合現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)與指標模型，形成一個國土空間基礎(chǔ)平臺，基于此以搭建符合國土空間規(guī)劃業(yè)務(wù)需求的“一張圖”監(jiān)管業(yè)務(wù)平臺，并與現(xiàn)有政務(wù)審批系統(tǒng)無縫集成，服務(wù)于各委辦局其他相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。通過平臺一體化, 改變多平臺數(shù)據(jù)管理及調(diào)用難的現(xiàn)狀, 打破過去國土資源管理與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理分離的模式, 融合多源數(shù)據(jù), 實現(xiàn)國土與規(guī)劃業(yè)務(wù)的一體化管理?！耙粡垐D”系統(tǒng)的構(gòu)建, 為國土空間規(guī)劃業(yè)務(wù)辦公提供可靠、全面、便捷的數(shù)據(jù)支撐, 大幅提高行政審批辦公效率。

圖1 國土空間基礎(chǔ)平臺總體架構(gòu)

2 平臺技術(shù)架構(gòu)

國土空間基礎(chǔ)平臺技術(shù)架構(gòu)采用面向服務(wù)架構(gòu)(SOA[4])的理念與方法，這樣便于實現(xiàn)跨平臺應用系統(tǒng)且具有良好的互操作性，然后利用Web Services[5]技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)松散耦合數(shù)據(jù)與服務(wù)集成，再將地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)與功能封裝成符合OGC標準規(guī)范的接口，這樣一個面向服務(wù)的國土空間基礎(chǔ)平臺體系結(jié)構(gòu)就搭建成功了，可以滿足國土空間信息共享交換的要求。

國土空間基礎(chǔ)平臺技術(shù)架構(gòu)分為4個層次，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層，涉及各種類型數(shù)據(jù)的存儲與應用。技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計考慮良好的兼容性、擴展性與高效性，綜合運用虛擬化技術(shù)、分布式計算技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)以及各種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)專業(yè)處理技術(shù)，構(gòu)建平臺的技術(shù)架構(gòu)。具體如圖2所示。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

硬件基礎(chǔ)設(shè)施層是將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等物理資源進行整合，按照云服務(wù)模式[6]和云架構(gòu)建立共享資源池，形成可按需動態(tài)擴展的高性能計算環(huán)境、大容量存儲環(huán)境，滿足海量國土空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲、高并發(fā)用戶業(yè)務(wù)辦理和信息共享查詢，以及各級分節(jié)點業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入平臺的需要，本項目主要運行在市級自然資源局內(nèi)網(wǎng)。

圖2 國土空間基礎(chǔ)平臺技術(shù)架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要為國土空間數(shù)據(jù)資源體系提供存儲建設(shè)以及數(shù)據(jù)處理管理等支持。國土空間大數(shù)據(jù)體系分為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等，指標模型體系主要包括指標體系和模型體系。

平臺需整合國土空間規(guī)劃編制、監(jiān)測評估等所需的數(shù)據(jù)資源，形成國土空間規(guī)劃“一張圖”，同時將國土空間規(guī)劃編制、實施、監(jiān)測、評估、預警過程中涉及的一系列國土空間規(guī)劃監(jiān)測指標、業(yè)務(wù)規(guī)則及模型進行信息化建模和維護，建立國土空間規(guī)劃指標模型庫。

2.3 平臺層

平臺層即構(gòu)建國土空間基礎(chǔ)平臺，集數(shù)據(jù)服務(wù)、應用服務(wù)、共享服務(wù)平臺于一體。國土空間基礎(chǔ)平臺建設(shè)集中在國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫，運用大數(shù)據(jù)的理念和建設(shè)思路，建成一體化數(shù)據(jù)庫和云管理與服務(wù)平臺，通過云管理與服務(wù)平臺的分析與決策支持能力建設(shè)，作為數(shù)據(jù)集流通的交通樞紐，在統(tǒng)一集成開發(fā)框架下實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)、專題服務(wù)和接口服務(wù)的統(tǒng)一管理與應用服務(wù)。

2.4 應用層

應用層通過國土空間基礎(chǔ)平臺提供的多種服務(wù)資源，為決策者、管理者、企業(yè)公眾提供國土業(yè)務(wù)應用支持，滿足不同行業(yè)應用的建設(shè)需求?；趹脤有柽M一步建設(shè)國土空間規(guī)劃“一張圖”實施監(jiān)督信息系統(tǒng)，主要包括國土空間規(guī)劃“一張圖”、國土空間規(guī)劃分析評價、國土空間規(guī)劃成果審查管理、國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預警、資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警、國土空間規(guī)劃指標模型管理等。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Docker構(gòu)建服務(wù)架構(gòu)技術(shù)

Docker是一個開源的容器引擎，它有助于更快地部署、遷移與交付應用系統(tǒng)，讓系統(tǒng)運行環(huán)境具有很強的靈活性。Docker將應用程序和基礎(chǔ)設(shè)施層隔離，將基礎(chǔ)設(shè)施當作程序一樣進行管理，主要優(yōu)勢如下[7]：

(1)簡化程序，讓開發(fā)者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的容器中，然后發(fā)布到任何Linux機器上。

(2)快速部署，Docker鏡像中包含了運行環(huán)境和配置，簡化部署多種應用實例工作。如Web應用、后臺應用、數(shù)據(jù)庫應用、大數(shù)據(jù)應用比如 Hadoop 集群、消息隊列都可以打包成一個鏡像后快速部署。

(3)節(jié)省開支，Docker改變了高性能必然高價格的思維定勢。不僅解決了硬件管理的問題，也改變了虛擬化的方式。

(4)快速迭代，根據(jù)泛服務(wù)的理念，使用容器作為基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺快速部署，快速迭代，輕量化的容器是泛服務(wù)的最佳運行環(huán)境，能保障運維效率的提升。

(5)集成度高，k8s作為幾乎實際默認的容器化平臺標準，其集成了配置中心和注冊中心，解決了開發(fā)配置中心和注冊中心的問題[8]。

基于Docker技術(shù)可以將基于泛服務(wù)架構(gòu)的國土空間基礎(chǔ)平臺及其在自然資源管理專題中的應用落地并實現(xiàn)。并通過成熟的Docker容器運維管理，解決快速部署、高可靠穩(wěn)定運行和自動化監(jiān)控等問題。

3.2 基于分布式存儲的空間大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

根據(jù)各專業(yè)應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大且更新頻繁的特點，空間大數(shù)據(jù)分析應用采用基于Hadoop分布式環(huán)境進行部署[9]，為滿足GIS空間數(shù)據(jù)實時瀏覽和快速分析需要，并行計算引擎采用Spark，通過將并行計算引擎Spark部署在分布式集群環(huán)境中提高空間數(shù)據(jù)分析與挖掘的性能，實現(xiàn)在原始數(shù)據(jù)更新變化時，無需切片緩存即可實時更新瀏覽，減少空間數(shù)據(jù)的管理和更新成本。同時基于分布式架構(gòu)，空間大數(shù)據(jù)被均勻分布到可以彈性擴展的各個計算節(jié)點上，每個計算節(jié)點都會參與空間運算分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的低延遲。

3.3 模型庫和規(guī)則庫智能審查與評估預警技術(shù)

模型庫和規(guī)則庫是建立空間規(guī)劃模型所涉及的規(guī)則、數(shù)據(jù)存取方式及運算所需要的運行程序。在模型庫和規(guī)則庫的概念模式下，空間規(guī)劃模型可以視為相互協(xié)同工作的規(guī)則集合，其中,每個規(guī)則都會提供特定的能力，執(zhí)行特定的操作，并以標準形式輸出執(zhí)行結(jié)果，以便其他規(guī)則了解和調(diào)用。通過將構(gòu)建的空間規(guī)劃模型中每一條規(guī)則與實際的成果數(shù)據(jù)和參數(shù)變量相結(jié)合，使其從一個抽象的空間規(guī)劃模型對象演變成為具備實際業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系的空間規(guī)劃模型實體對象；從而實現(xiàn)一套基于規(guī)則庫的空間規(guī)劃模型定量分析與協(xié)調(diào)的技術(shù)方案。

通過該技術(shù)構(gòu)建各類規(guī)劃和現(xiàn)狀的多狀態(tài)、多環(huán)節(jié)和多類型的評估模型，捕捉城市用地發(fā)展的動態(tài)性以及分析各類規(guī)劃的用地差異，提供用地協(xié)調(diào)的平臺，挖掘存量用地。同時結(jié)合人口、用地、設(shè)施、控制線等控制指標綜合分析，針對現(xiàn)狀、規(guī)劃設(shè)施資源的可承載壓力、服務(wù)范圍和覆蓋情況進行預判，評估資源配置是否均衡。通過設(shè)施覆蓋情況的實施監(jiān)測和及時預警，科學分析設(shè)施資源承載力，精準配置資源要素，充實目前尚不完善的現(xiàn)狀基礎(chǔ)和實施動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市空間更加精細化的城市體檢和預警預測，提高居民的滿意度和城市生活品質(zhì)，促進城市發(fā)展由增量發(fā)展向減量發(fā)展、由粗放型發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展。

3.4 元胞自動機模型的空間智能模擬技術(shù)

基于典型元胞自動機模型，探索“自適應”的持續(xù)優(yōu)化閉環(huán)管理體系。典型元胞自動機模型中的SLEUTH模型可對城市增長的時空動態(tài)變化進行模擬、對未來土地利用變化進行預測。模型可設(shè)置不同城市化概率的排除層以模擬在不同政策下的土地利用增長趨勢并動態(tài)模擬城市擴展。通過引入空間模擬技術(shù)，實現(xiàn)對復雜人地關(guān)系演變的模擬呈現(xiàn)，對預測過程中可能會出現(xiàn)的各類空間問題、社會問題及環(huán)境問題早發(fā)現(xiàn)、早調(diào)整、早避免，使國土空間規(guī)劃始終朝著人地和諧的方向發(fā)展，即構(gòu)成了國土空間規(guī)劃的適應體系。

3.5 基于因子分析技術(shù)的智能化輔助選址

建設(shè)項目在進行項目選址過程中經(jīng)辦人會根據(jù)不同的項目需求，確定項目地址和項目范圍。在以往的處理過程中，先根據(jù)項目要求，加上自身對選址區(qū)位的了解，在翻閱大量資料、經(jīng)過很多次的討論才能拿出一個預選址方案，再經(jīng)過多次討論，逐級上報討論選址地點，選址經(jīng)辦人會將大量的時間放在資料查閱上，導致工作效率相對較低。同時，由于經(jīng)辦人自身知識的局限性，對目前狀況了解的局限性導致選址資料無法進行系統(tǒng)分析，甚至無法獲取足夠的參考資料，導致很多需要考慮的選址影響因子無法考慮周到，項目選址就會受到影響。

通過專業(yè)選址模型研究為項目選址提供科學的理論支撐，重點結(jié)合空間規(guī)劃各類控制線將因子進行抽象和結(jié)構(gòu)化，形成選址因子體系，經(jīng)研究比選采用層次分析法和智能專家打分模型。系統(tǒng)既包含內(nèi)置選址因子(來自法律法規(guī)、規(guī)劃依據(jù)等)，也為用戶自主增加因子提供可能，適用于各種類型項目選址，系統(tǒng)根據(jù)各影響因子打分規(guī)則，實現(xiàn)自動計算打分輔助用戶完成比選。依據(jù)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、規(guī)劃一致性等因素，建立選址結(jié)果的評價體系，系統(tǒng)可自動形成定量化評價報告，為各類型項目量身訂做選取建設(shè)用地[10]。

3.6 超量信息可視化分析、交互與決策輔助技術(shù)

信息可視化(Information visualization)是一個跨學科領(lǐng)域[11]，

旨在研究大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的視覺呈現(xiàn)。在超量信息(超量包含三層意思：一是大量數(shù)據(jù)、二是數(shù)據(jù)維度多、三是信息關(guān)聯(lián)復雜)中，信息越多反而越難以找到有用信息。研究創(chuàng)建以數(shù)據(jù)可視化、信息圖形、知識可視化、科學可視化以及視覺設(shè)計方面的直觀方式傳達抽象信息的手段和方法。從大數(shù)據(jù)分析投資中獲得信息的價值關(guān)鍵，將龐大而復雜的數(shù)據(jù)集變成直觀的交互式圖像，顯著提升行業(yè)專家分析能力、洞察事件發(fā)展趨勢，并有效保證專家決策科學性和實用性。

4 結(jié) 論

綜上，國土空間基礎(chǔ)平臺的建設(shè)要充分利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和GIS等信息技術(shù)，高起點、高標準建立了市級自然資源局內(nèi)統(tǒng)一的基礎(chǔ)性平臺，包括平臺門戶、數(shù)據(jù)中心、計算中心、服務(wù)中心、運維中心、配套工具集等功能模塊，這是進一步構(gòu)建國土空間規(guī)劃“一張圖”監(jiān)管信息等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這將推進城市空間治理監(jiān)督，保障規(guī)劃有效實施，為促進服務(wù)型政府，強化國土空間開發(fā)做出保障。