二三維一體化GIS技術(shù)在國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用

孫雪婧，盧向偉，余鑫洋，孫在宏,

(1.南京國圖信息產(chǎn)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210036;2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

近年來，我國越來越重視自然資源信息化管理與建設(shè)工作。作為自然資源數(shù)據(jù)的載體，國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)規(guī)劃資源數(shù)字轉(zhuǎn)型的重要支撐之一。2017年，《國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)總體建設(shè)方案》[1]提出以國土資源、測繪、地理等各類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合各類國土空間相關(guān)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)更全面、應(yīng)用更廣泛、共享更順暢的國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)。2019年7月，自然資源部辦公廳下發(fā)《關(guān)于開展國土空間規(guī)劃“一張圖”建設(shè)和現(xiàn)狀評(píng)估工作的通知》明確要求，國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)是形成國土空間規(guī)劃“一張圖”的載體，各地應(yīng)于2020年底前完成省、市、縣各級(jí)平臺(tái)建設(shè)，并與國家級(jí)平臺(tái)對(duì)接，全國實(shí)現(xiàn)橫縱向聯(lián)通的數(shù)據(jù)共享模式。2019年11月，自然資源部發(fā)布了《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》，要求立足已有基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，整合規(guī)范各類自然資源和國土空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建地上地下、陸海相連的自然資源大數(shù)據(jù)體系，形成統(tǒng)一的自然資源三維“一張圖”。

自然資源數(shù)據(jù)具有多源、多維、多時(shí)序等特征，如何規(guī)范、科學(xué)、高效地管理自然資源數(shù)據(jù)，建立二三維一體化平臺(tái)成為自然資源信息化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。袁靜等[2]將二維權(quán)籍?dāng)?shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)空間套合，精確化管理和展示不動(dòng)產(chǎn)單元，為不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記發(fā)證和權(quán)屬管理提供可靠的技術(shù)支持；馮永玉等[3]構(gòu)建二三維一體化數(shù)據(jù)模型，依托三維空間可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)二三維場景相結(jié)合的綜合管理與可視化應(yīng)用；李浩等[4]開發(fā)了二三維一體化的山東省數(shù)字海域工程系統(tǒng)，提升了海域海島管理的信息化水平和公共服務(wù)能力。本文立足于現(xiàn)有研究，在剖析二三維一體化關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，明晰國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)和服務(wù)架構(gòu)，并選取典型實(shí)例，驗(yàn)證二三維一體化GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)治理與服務(wù)建設(shè)工作中的可行性。

1 二三維一體化GIS技術(shù)

二三維一體化GIS技術(shù)(簡稱：2-3DGIS)是指將二維GIS技術(shù)與三維GIS技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維、多類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與分析。相較于單純的二維或三維數(shù)據(jù)管理技術(shù)，2-3DGIS技術(shù)解決了二維規(guī)劃資源數(shù)據(jù)對(duì)于現(xiàn)實(shí)空間的關(guān)系表達(dá)能力和空間表現(xiàn)能力不足的問題，同時(shí)彌補(bǔ)了三維數(shù)據(jù)建模成本高、數(shù)據(jù)管理能力和空間分析能力弱的不足[5]。目前，二維規(guī)劃資源一張圖應(yīng)用最廣泛，為大眾所熟知，其擁有成熟的數(shù)據(jù)組織能力、強(qiáng)大的地圖表現(xiàn)能力、直觀的空間統(tǒng)計(jì)圖、豐富的屬性查詢功能、日益擴(kuò)展的空間分析方法等，優(yōu)點(diǎn)為政府相關(guān)部門提供諸多生產(chǎn)和決策支持。相對(duì)于二維規(guī)劃資源數(shù)據(jù)，三維規(guī)劃資源數(shù)據(jù)更貼近現(xiàn)實(shí)生活，具有逼真的現(xiàn)實(shí)性、立體可視化表達(dá)效果好、三維分析能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，為廣大用戶所推崇。二三維一體化模式建立的自然資源管理平臺(tái)，致力于形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)海量自然資源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、產(chǎn)品化包裝過程，打造“跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)一體化”“二三維應(yīng)用一體化”專用平臺(tái)，助力自然資源數(shù)據(jù)的依法互通與實(shí)時(shí)共享。

2 國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

按照自然資源部《“自然資源云”總體框架》《國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)總體方案》建設(shè)要求，利用“云計(jì)算”設(shè)計(jì)理念，從方便維護(hù)、方便使用、高效、便捷的角度出發(fā)，充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和平臺(tái)服務(wù)，統(tǒng)籌規(guī)劃國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃資源大數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用，并為未來示范應(yīng)用做好支撐。本文中的國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)總體框架包括基礎(chǔ)設(shè)施層、信息資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用服務(wù)層、服務(wù)發(fā)布層、制度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全運(yùn)維保障體系，構(gòu)建了“平臺(tái)+數(shù)據(jù)+應(yīng)用”的模式，為用戶提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、專題服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)等(圖1)。

圖1 國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)資源體系

國土空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)體系橫向涵蓋國土、測繪、發(fā)改、環(huán)保、住建、交通、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等不同行業(yè)；縱向貫穿國家、省、市、縣四級(jí)。按照數(shù)據(jù)類型分為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，其中現(xiàn)狀數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)地理、遙感影像、地理國情、土地利用現(xiàn)狀、耕地后備資源、礦產(chǎn)資源等數(shù)據(jù)，為掌握國土空間的真實(shí)現(xiàn)狀和國土空間的開發(fā)利用與變化狀況提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；規(guī)劃數(shù)據(jù)包含基本農(nóng)田保護(hù)紅線、生態(tài)保護(hù)紅線、城市擴(kuò)展邊界、國土規(guī)劃、交通規(guī)劃等專項(xiàng)規(guī)劃數(shù)據(jù)，為行政審批和國土空間用途管制提供管控?cái)?shù)據(jù)依據(jù)；管理數(shù)據(jù)是行政審批過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包含不動(dòng)產(chǎn)登記、土地審批、土地供應(yīng)、礦業(yè)權(quán)審批等數(shù)據(jù)，為實(shí)施批后監(jiān)管提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)獲取數(shù)據(jù)，包含人口、宏觀經(jīng)濟(jì)等方面數(shù)據(jù)，通過結(jié)合時(shí)事、輿情等信息進(jìn)行綜合分析與決策。基于國土空間基礎(chǔ)信息統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，建立統(tǒng)一的國土空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)目錄，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的綜合管理，形成全國覆蓋、內(nèi)容完整、準(zhǔn)確權(quán)威、動(dòng)態(tài)鮮活的統(tǒng)一國土空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源。

2.2.2 數(shù)據(jù)匯交共享

基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)、統(tǒng)一的注冊(cè)接入，按照“物理分布、邏輯一體”的技術(shù)路線，對(duì)跨業(yè)務(wù)、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與接入，各部門按照“誰生產(chǎn)誰負(fù)責(zé)”的原則開展本部門數(shù)據(jù)的管理、維護(hù)和更新，確保各級(jí)、各節(jié)點(diǎn)的國土空間基礎(chǔ)信息實(shí)時(shí)互通共享和同步更新。數(shù)據(jù)匯交共享模式如圖2所示，通過流程表單的形式對(duì)數(shù)據(jù)匯交流程進(jìn)行記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行申請(qǐng)下載。數(shù)據(jù)匯交申請(qǐng)流程能夠跨節(jié)點(diǎn)退回和轉(zhuǎn)發(fā)，并與局內(nèi)OA平臺(tái)對(duì)接，可對(duì)數(shù)據(jù)加密傳輸和數(shù)字簽名。

圖2 數(shù)據(jù)匯交共享圖

2.3 服務(wù)架構(gòu)

國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)服務(wù)架構(gòu)以明確服務(wù)分類體系為核心，重點(diǎn)研究依托數(shù)據(jù)資源、云管理與服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)支撐，構(gòu)建統(tǒng)一的國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)門戶，形成數(shù)據(jù)服務(wù)、專題服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)和定制服務(wù)，向政府、企事業(yè)單位和科研單位提供豐富、可靠、全面的信息和應(yīng)用服務(wù)。服務(wù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 服務(wù)架構(gòu)圖

國土空間基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資源和云服務(wù)管理與運(yùn)維系統(tǒng)，共同構(gòu)成了國土空間基礎(chǔ)信息服務(wù)的支撐層。通過構(gòu)建統(tǒng)一的云服務(wù)管理與運(yùn)維系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)服務(wù)的注冊(cè)、管理、調(diào)度、發(fā)布、監(jiān)控，形成國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)各類服務(wù)資源匯集與協(xié)同共享的中心。通過API調(diào)用、服務(wù)接口、二次開發(fā)等多種技術(shù)形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、信息共享等數(shù)據(jù)資源服務(wù)，規(guī)劃編制、行政審批、綜合監(jiān)管等專題應(yīng)用服務(wù)以及空間分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、產(chǎn)品制作等基礎(chǔ)通用服務(wù)。通過國土內(nèi)網(wǎng)門戶為部機(jī)關(guān)、督察局、地調(diào)局、各級(jí)地方國土資源管理部門和部相關(guān)事業(yè)單位的國土資源規(guī)劃編制、項(xiàng)目審批、空間監(jiān)管、領(lǐng)導(dǎo)決策等工作提供支撐服務(wù)；通過政務(wù)服務(wù)門戶，為發(fā)改、環(huán)保、住建、交通、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等各政府部門的規(guī)劃編制、項(xiàng)目審批、項(xiàng)目落地等工作提供國土空間統(tǒng)一工作底板和數(shù)據(jù)底圖；通過互聯(lián)網(wǎng)門戶，以天地圖為基礎(chǔ)，向企事業(yè)單位、科研院所和社會(huì)公眾提供內(nèi)容豐富、準(zhǔn)確權(quán)威、動(dòng)態(tài)鮮活的數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)最終將為加強(qiáng)國土空間監(jiān)測、落實(shí)空間管控措施、強(qiáng)化政府空間管控能力提供技術(shù)支撐。

3 應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 數(shù)據(jù)體系標(biāo)準(zhǔn)化

自然資源數(shù)據(jù)具有涉及種類繁多、數(shù)據(jù)量大、業(yè)務(wù)復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的自然資源數(shù)據(jù)管理方式存在標(biāo)準(zhǔn)不一、缺乏關(guān)聯(lián)、重復(fù)生產(chǎn)、共享困難等問題，如何將存量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與多維增量數(shù)據(jù)融合是數(shù)據(jù)治理過程中需要解決的首要問題之一。本文將多源、多維、多類型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合匯聚，形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)體系，建立自然資源和國土規(guī)劃一張圖(圖4)。針對(duì)存量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“三統(tǒng)一”：① 統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，對(duì)*.CAD、*.SHP、*.TIFF、*.EXCEL、*.JPG、*.S3M、*.3DS等多種類型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換；② 統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)糾偏和空間匹配等方法轉(zhuǎn)換各類數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系；③ 統(tǒng)一空間化，基于語義和地理本體的統(tǒng)一認(rèn)知，提取地名譜特征，對(duì)沒有空間坐標(biāo)信息但蘊(yùn)含地名地址的數(shù)據(jù)空間化，并將空間化結(jié)果與其他數(shù)據(jù)匹配集成。

圖4 自然資源和國土規(guī)劃一張圖

此外，針對(duì)二三維增量數(shù)據(jù)通過“四步走”實(shí)現(xiàn)歸集處理：① 數(shù)據(jù)歸集，在線抓取各種類型的特征數(shù)據(jù)，并在原有時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)積累；② 數(shù)據(jù)處理，對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)裁切、格式轉(zhuǎn)換、圖像編輯等操作，對(duì)三維數(shù)據(jù)實(shí)施模型替換、位置修改、紋理編輯、屬性編輯等操作；③ 數(shù)據(jù)更新，對(duì)感知數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)追加，對(duì)數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)內(nèi)容、緩存文件等實(shí)現(xiàn)整體更新與局部更新；④ 版本管理，歷史數(shù)據(jù)可以備份和恢復(fù)，并可進(jìn)行版本創(chuàng)建、管理及各版本數(shù)據(jù)對(duì)比等。

3.2 數(shù)據(jù)資源共享化

傳統(tǒng)的國土數(shù)據(jù)分布在不同的部門，獨(dú)立管理、彼此孤立、“各自為政”的現(xiàn)象突出，且業(yè)務(wù)之間共享困難、相互脫節(jié)。如何加強(qiáng)部門聯(lián)動(dòng)，打通數(shù)據(jù)孤島，推進(jìn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的協(xié)同辦理，建立自然資源資產(chǎn)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)成為自然資源信息化建設(shè)過程中亟需解決的問題之一。本文建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理一體化流程，旨在建立自然資源“一張網(wǎng)”，打通自然資源全流程業(yè)務(wù)，推進(jìn)自然資源數(shù)據(jù)共享工作。① 數(shù)據(jù)入庫，包括數(shù)據(jù)入庫申請(qǐng)更新和數(shù)據(jù)共享申請(qǐng)兩類，其中數(shù)據(jù)入庫包括數(shù)據(jù)成果入庫申請(qǐng)和數(shù)據(jù)維護(hù)申請(qǐng)；② 數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)庫管理、模型管理、服務(wù)資源管理和運(yùn)維中心4個(gè)部分，可以從多個(gè)維度查看平臺(tái)的數(shù)據(jù)概況；③ 數(shù)據(jù)共享，提供單一數(shù)據(jù)共享申請(qǐng)和復(fù)合數(shù)據(jù)共享申請(qǐng)兩類流程，支持管理員對(duì)流程階段進(jìn)行定制，支持在線審批、在線退回撤銷、附件上傳、下載和預(yù)覽等功能。

3.3 數(shù)據(jù)展示立體化

傳統(tǒng)的自然資源領(lǐng)域，自然資源單元主要依靠二維形式進(jìn)行可視化表達(dá)，存在權(quán)屬重疊、信息冗余、精細(xì)化程度不夠、準(zhǔn)確化程度不高等不足。三維可視化技術(shù)的出現(xiàn)，為形象、真實(shí)地展示要素分布情況、空間位置關(guān)系以及當(dāng)前屬性狀態(tài)提供了可能。本文立足于已有的成果，協(xié)調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，整合、規(guī)范、擴(kuò)展現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理、遙感影像、土地、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、林草、濕地等各類自然資源和國土空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建地上地下、陸海相連的自然資源大數(shù)據(jù)體系，形成統(tǒng)一的三維立體自然資源“一張圖”(圖5)。三維立體自然資源“一張圖”可實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的一體化展示，支持地圖導(dǎo)航、資源服務(wù)、信息查詢、空間分析、專題應(yīng)用等功能，此外，平臺(tái)通過第三次國土調(diào)查和年度變更調(diào)查、自然資源調(diào)查監(jiān)測、自然資源和不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記、國土空間規(guī)劃、礦產(chǎn)資源國情調(diào)查、海洋調(diào)查監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪等專項(xiàng)工作，不斷提高“一張圖”數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，有效提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖5 三維立體自然資源一張圖

4 結(jié) 語

二三維一體化是“一圖，一網(wǎng)，一平臺(tái)”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，可以為自然資源管理提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與分析支撐。本文系統(tǒng)地介紹了2-3DGIS技術(shù)和國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)，并實(shí)證了2-3DGIS技術(shù)等技術(shù)在國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明：① 2-3DGIS技術(shù)有助于融合存量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以及多維增量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)體系的標(biāo)準(zhǔn)化；② 2-3DGIS技術(shù)有助于解決數(shù)據(jù)孤島問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的共享化；③ 2-3DGIS技術(shù)突破了傳統(tǒng)GIS平臺(tái)的基于二維平面場景的數(shù)據(jù)展示與應(yīng)用能力，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)展示的立體化。值得指出的是，國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)僅僅依靠2-3DGIS技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要建成多部門聯(lián)動(dòng)、開放共享、安全可靠的國土空間基礎(chǔ)信息服務(wù)平臺(tái)，還需要引入新一代信息技術(shù)，如人工智能技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云原生技術(shù)等，這也是未來的重點(diǎn)研究內(nèi)容。