自然資源三維立體空間信息系統(tǒng)構(gòu)建

董彥君

（濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250000）

自然資源調(diào)查工作的調(diào)查內(nèi)容包含的范圍更為廣泛，其中會涉及到水流、荒地、森林、灘涂、海洋等多種自然資源以及隨著季節(jié)或者年份在不斷變化的過程。因此需要借鑒國土調(diào)查以及各類專項自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫、開發(fā)管理系統(tǒng)的經(jīng)驗，表達(dá)各種自然資源的時空特點，構(gòu)建圖文一體化、三維一體化、時空一體化的自然資源管理信息系統(tǒng)。

1 自然資源信息治理現(xiàn)狀

自然資源信息化的要求就是輔助自然資源部門履行兩統(tǒng)一的職責(zé)、精細(xì)化管理自然資源，現(xiàn)階段的國土資源信息化數(shù)據(jù)管理模式已經(jīng)無法匹配于時代的進(jìn)步，存在一些問題有待處理：首先，針對于土地的地理信息測繪以及地質(zhì)和礦產(chǎn)信息資源的管理與儲存，由于數(shù)據(jù)內(nèi)容的格式以及要求沒有達(dá)到統(tǒng)一狀態(tài)，所以需要對儲存的方式以及管理模式進(jìn)行創(chuàng)新，這是由于自然資源管理需要構(gòu)建統(tǒng)一的管理模式，并且提前做好規(guī)劃，對于草木等多種信息，沒有構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理體系與其匹配。其次，納入自然資源部門管理的數(shù)據(jù)內(nèi)容不夠完整，圖形的屬性無法匹配等多種問題，導(dǎo)致土地和測繪以及多種數(shù)據(jù)內(nèi)容都沒有保持統(tǒng)一，無法及時運用數(shù)據(jù)信息。最后，原來屬于規(guī)劃部門以及國土等多種測繪信息內(nèi)容存在著較大的差異性問題。在數(shù)據(jù)管理工作中沒有制定出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式進(jìn)行管理與維護(hù)。

2 自然資源信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體制構(gòu)建

依照于生態(tài)文明建設(shè)的實際需要和自然資源管理部門的實際需求，要對國土以及礦產(chǎn)和海洋等各種資源制定出統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并且都?xì)w入在標(biāo)準(zhǔn)體制中。然后針對于一些已經(jīng)擁有的并且開始實施的標(biāo)準(zhǔn)，還是要繼續(xù)使用，與新的標(biāo)準(zhǔn)融合在一起，對于沒有構(gòu)建準(zhǔn)則的內(nèi)容也要及時制定準(zhǔn)則。確保數(shù)據(jù)整體的匯總更加準(zhǔn)確清晰，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的更新以及共享使用環(huán)節(jié)，從而有效地使數(shù)據(jù)得到規(guī)范的運用，針對于多種數(shù)據(jù)內(nèi)容，制定出多元化的管理辦法，匹配自然資源數(shù)據(jù)管理的多個環(huán)節(jié)。

3 選擇、創(chuàng)新空間數(shù)據(jù)模型

立方體模型、基態(tài)修正模型、快照模型、時空組合模型等都屬于常見的時空模型。這些模型在記錄時空模型信息、表達(dá)方面都有側(cè)重點。綜合目前自然資源的信息特點，可以選擇基態(tài)修正模型建立三維自然資源時空數(shù)據(jù)庫，基態(tài)修正模型的核心思想就是記錄時空對象的原始狀態(tài)，并且在后續(xù)的時間序列中記錄前一時刻發(fā)生變化的部分，將兩者疊加起來可以取得后繼時態(tài)版本，這個模型的數(shù)據(jù)記錄形式可以明顯減少數(shù)據(jù)出現(xiàn)冗余的情況，記錄對象在時間序列方面出現(xiàn)的變化。

通常二維矢量數(shù)據(jù)的儲存由于數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)對象化以及編碼規(guī)則相對清晰，應(yīng)用基態(tài)修正模型就可以解決對象隨時間出現(xiàn)的變化。然而自然資源信息以三維表面、三維矢量、三維體元記錄以及儲存，會因為涉及數(shù)據(jù)量比較大、沒有明確的變動對象問題，致使常規(guī)的基態(tài)修正模型隨著修正次數(shù)不斷增加，調(diào)取時態(tài)數(shù)據(jù)時存在動態(tài)計算復(fù)雜度不斷變大的情況。為了解決上述問題，構(gòu)建自然資源的時空數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用基態(tài)修正模型和快照模型相互結(jié)合的方法，根據(jù)一定時間間隔創(chuàng)建快照，以快照節(jié)點創(chuàng)設(shè)基線，然后變更數(shù)據(jù)再次基線的基礎(chǔ)上添加。在調(diào)取數(shù)據(jù)的時候，按照時間獲取最近的基線信息，然后結(jié)合變更數(shù)據(jù)將最后的結(jié)果還原出來。至于儲存數(shù)據(jù)，把三維實體和二維矢量數(shù)據(jù)的對象粒度統(tǒng)一、編碼當(dāng)成三維實體隨時相變化的時候，對比模型找出變更的內(nèi)容，根據(jù)三維體元的最小粒度儲存。那么柵格數(shù)據(jù)根據(jù)自然資源區(qū)塊范圍完成分割操作，同時不同類型區(qū)塊的柵格信息獨立記錄，變更的時候記錄變化的自然資源區(qū)塊柵格信息。

4 構(gòu)建三維自然資源數(shù)據(jù)資源體制

保持科學(xué)化與實用化的原則區(qū)對于數(shù)據(jù)資源目錄進(jìn)行構(gòu)建，還要考慮土地和國土空間規(guī)劃等多種自然資源的實際信息管理現(xiàn)狀，打造一個便利式的組織管理的數(shù)據(jù)信息目錄。

統(tǒng)一對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計，然后針對于應(yīng)用的對象使用相應(yīng)的理論，保持?jǐn)?shù)據(jù)和應(yīng)用的分離原則，把空間圖元看做屬于國土空間的基礎(chǔ)信息內(nèi)容展開設(shè)計，主要包括了對于對象實體模型以及關(guān)系邏輯模型。完成統(tǒng)一對象的編碼以及概念模型設(shè)計之后，就可以針對于創(chuàng)建對象的空間以及時態(tài)和業(yè)務(wù)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建，還需要考慮到對象的實際狀況以及規(guī)劃業(yè)務(wù)聯(lián)系。

大數(shù)據(jù)中心的設(shè)計與開發(fā)工作需要研發(fā)中心首先擁有能夠儲存各種統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)資源，并且要支持文檔和視頻等多種格式。或者設(shè)計成邏輯較為集中但是物理分散的整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建三維立體的自然資源核心信息數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成數(shù)據(jù)資源體系中的不同數(shù)據(jù)載體。

對于數(shù)據(jù)開展數(shù)字化以及空間化處理的時候，數(shù)字化模式能夠替代紙質(zhì)，直接把紙質(zhì)文件的內(nèi)容掃描到數(shù)據(jù)模型里，把表格中的坐標(biāo)點變成GIS數(shù)據(jù)格式。依照數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)一規(guī)范對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要分為拓?fù)涮幚砗蛯傩蕴幚?。依照?shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行檢驗，還需要按照多版本數(shù)據(jù)的差異問題進(jìn)行沖突檢測，比如多版本的基礎(chǔ)信息整合。面對一些沒有模型庫或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變動較大的，就需要按照數(shù)據(jù)內(nèi)容的統(tǒng)一規(guī)范要求構(gòu)建數(shù)據(jù)模型依照標(biāo)準(zhǔn)入庫。對于已經(jīng)建庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且沒有較大變動的數(shù)據(jù)資源，需要按照全新的要求進(jìn)行改造，然后歸入到三維立體自然資源數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理。

使用數(shù)據(jù)需要按照組裝前的五個步驟，構(gòu)建三維立體自然資源信息，然后再使用自然資源的應(yīng)用體系與其他行業(yè)部門進(jìn)行需求共享，根據(jù)需要整合，在脫密之后衍生形成對應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，將其納入三維立體自然資源應(yīng)用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。

5 創(chuàng)建自然資源數(shù)據(jù)索引

自然資源數(shù)據(jù)庫中需要擁有一套完整的索引體系給予支持，才可以應(yīng)用以及讀取大量的數(shù)據(jù)信息，除了常規(guī)數(shù)據(jù)屬性字段索引之外，還要和不同空間數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)相結(jié)合，創(chuàng)建時空索引?？臻g數(shù)據(jù)索引是指，二維數(shù)據(jù)應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫中常規(guī)的R-tree索引體系，應(yīng)用外包矩形的模式應(yīng)對點、線、面各種二維空間數(shù)據(jù)。其中大量點狀數(shù)據(jù)超過定量級別之后，單獨應(yīng)用GeoHash的編碼形式對格網(wǎng)進(jìn)行拆分，將其拆分成網(wǎng)格大小在2米的精細(xì)編碼，同時空間格網(wǎng)信息應(yīng)用32進(jìn)制數(shù)9位編碼的形式儲存在屬性字段中，應(yīng)用的時候可以應(yīng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫索引的形式快速提取格網(wǎng)信息資料，根據(jù)從左到右的編碼位數(shù)嚴(yán)格控制查詢格網(wǎng)的大小。一般情況下，三維數(shù)據(jù)分成兩種情況，很大一部分附著在地形表面的數(shù)據(jù)由于縱向的變化相較于整體空間區(qū)域比較小，應(yīng)用四叉樹索引就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速索引，同時可以節(jié)省資源。至于礦產(chǎn)以及水流資源可以應(yīng)用三維數(shù)據(jù)常規(guī)的八叉樹索引形式。接下來就是時相數(shù)據(jù)索引，由于充分考慮自然資源數(shù)據(jù)的更新特征以及時空數(shù)據(jù)模型下數(shù)據(jù)的調(diào)取形式，拆分?jǐn)?shù)據(jù)記錄日期，應(yīng)用整型字段記錄數(shù)據(jù)更新的年、月、日，同時分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)索引。在數(shù)據(jù)根據(jù)時間節(jié)點設(shè)立基線之后需，就可以記錄整型的基線版本號在目前數(shù)據(jù)還有后期變更數(shù)據(jù)中，參考基線版本索引最后經(jīng)過日期以及基線版本形成多層次的時相數(shù)據(jù)索引。

6 自然資源數(shù)據(jù)更新以及維護(hù)體系

（1）創(chuàng)建自然資源三維立體大數(shù)據(jù)體系動態(tài)更新體系。按照數(shù)據(jù)匯總的實際狀態(tài)，可以劃分為日常自然資源以及其他行業(yè)共享數(shù)據(jù)資源和物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)資源，地址勘測數(shù)據(jù)交匯以及創(chuàng)新數(shù)據(jù)交匯等等，確保觸發(fā)更新要求以后，在更新后的時間以及版本信息同步配置。現(xiàn)階段的時空數(shù)據(jù)庫通常情況下有三種更新模式。第一種是定期更新，就是在相應(yīng)的時間范圍內(nèi)，對于整體時空數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行更新。第二種使程度更新，就是按照提前制定的變化率的閾值，在整體時空數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變率比閾值高的時候，進(jìn)行更新。第三種是增量的更新，需要在時空要素產(chǎn)生轉(zhuǎn)變后，更新整體的時空要素。并且增量更新在實際的運用過程中，能夠進(jìn)行二次細(xì)分成為觸發(fā)時的增量更新，就是轉(zhuǎn)變過程中，被系統(tǒng)檢測到后自動進(jìn)行增量更新，主要的變化累積式的增量更新的含義是說在已經(jīng)累積到一定程度之后，產(chǎn)生了變化要素，然后完成的增量更新。首先確保要素被檢測到的時候沒有發(fā)生較大的變化，在到達(dá)相應(yīng)的時間以后，更新已經(jīng)出現(xiàn)變化的要素增量。

（2）創(chuàng)建自然資源三維立體大數(shù)據(jù)體系聯(lián)動更新體系。第一，在自然資源時空對象的整體業(yè)務(wù)聯(lián)系上，需要創(chuàng)新時空對象業(yè)務(wù)關(guān)系，并且構(gòu)建業(yè)務(wù)語義中的相應(yīng)的聯(lián)動的關(guān)系，比如宗地和界址點以及界址線這三者之間，就擁有較為密切的關(guān)聯(lián)，界址線和界址點能夠直接形成宗地，并且這三個要素中，只要有一個出現(xiàn)了變化，那么剩下的兩個也都會隨之出現(xiàn)變化，這三個要素的聯(lián)動變化能夠形成十四種不同的方式。第二，多比例尺時空數(shù)據(jù)聯(lián)動在對于相應(yīng)的對象進(jìn)行標(biāo)識編碼后，就需要依照于不同的比例尺的實際要素，去創(chuàng)設(shè)同名要點的多比例尺的聯(lián)動關(guān)系。一般情況下是大比例尺的整體要點變化聯(lián)動會帶領(lǐng)小比例尺的數(shù)據(jù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。第三，行政階段的縱向數(shù)據(jù)創(chuàng)新與聯(lián)動也需要滿足行政管理的實際需要，這樣的聯(lián)動是通過上級部門下達(dá)的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)下級部門的相關(guān)數(shù)據(jù)資料出現(xiàn)變化，也可以是下級部門依照于上級的實際需要對于數(shù)據(jù)內(nèi)容展開分析與匯總，然后再運用上級部門的檢測以及審核之后，再把數(shù)據(jù)直接更新到上級的數(shù)據(jù)庫中。第四，在數(shù)據(jù)譜系關(guān)系的基礎(chǔ)之中，進(jìn)行的創(chuàng)新聯(lián)動，能夠讓不同的自然資源專題運用的衍生對象通過三維立體資源庫進(jìn)行融合和加工組成?；谥卫碜匀毁Y源信息數(shù)據(jù)中，還是要創(chuàng)建數(shù)據(jù)譜系直接的聯(lián)系。

（3）創(chuàng)建自然資源三維立體大數(shù)據(jù)體系糾錯體系。實踐過程中，還有一些沒有運用正常檢測流程發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)語義方面的沖突，像在一些時空要素之中，經(jīng)常會出現(xiàn)小數(shù)點或者數(shù)據(jù)種類的誤差問題。而在數(shù)據(jù)印證上，因為有很多的同名對象，所以通過對同名對象之間的對比分析就能夠迅速發(fā)現(xiàn)其中存在的差異性，然后由數(shù)據(jù)管理員判斷這是不是誤差問題。整體系統(tǒng)都使用了數(shù)據(jù)印證規(guī)則庫的模式，對于印證的規(guī)律進(jìn)行了深入的總結(jié)，只要存在同名狀態(tài)，那么就需要把這些內(nèi)容匯總在一起，然后運用監(jiān)聽系統(tǒng)，對于同名對象的準(zhǔn)確度進(jìn)行印證。

7 自然資源信息管理

在自然資源三維動態(tài)信息儲存在數(shù)據(jù)庫之后，需要一套數(shù)據(jù)庫管理軟件進(jìn)行管理以及展現(xiàn)，切實實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入以及導(dǎo)出，二、三維瀏覽、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、自動賦值、數(shù)據(jù)質(zhì)檢、查詢統(tǒng)計等功能，科學(xué)有效地保障自然資源數(shù)據(jù)的正確性、完整性。把自然資源二維、三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫管理軟件之后，除了常用的地理信息功能之外，還可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：把收集取得的專題按照規(guī)范轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成符合數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)格式的二、三維自然資源數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理：對轉(zhuǎn)變后的自然資源數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖符號化、生成標(biāo)注數(shù)據(jù)、提取不一致信息、修改變更數(shù)據(jù)等，確保信息數(shù)據(jù)的規(guī)范化；自動賦值：按照數(shù)據(jù)字典以及空間的關(guān)系對數(shù)值進(jìn)行屬性賦值，按照編碼規(guī)則自動編號自然資源數(shù)據(jù)，和三維數(shù)據(jù)結(jié)合在一起計算登記單元以及區(qū)塊的面積。其計算的內(nèi)容包含著：地球橢球的面積以及表面積，同時按照三維數(shù)據(jù)計算自然資源體積儲量的信息；數(shù)據(jù)質(zhì)檢：就是對已經(jīng)擁有的成果數(shù)據(jù)信息進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的檢查、檢查圖形數(shù)據(jù)、幾何精度，還有修改以及定位不符合要求的信息數(shù)據(jù)；成果輸出：可以進(jìn)行圖件成果輸出、統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢、表格成果輸出、查詢結(jié)果輸出等等。

數(shù)據(jù)展現(xiàn)的形式是經(jīng)過空間的位置、匹配屬性信息，切實實現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)的一體化。這個模塊可以將DEM、DOM、帶有高程信息的DLG的三維成果信息用三維的場景呈現(xiàn)出來，還有把帶有屬性信息得二維矢量數(shù)據(jù)附著在三維的表面上，展示功能的時候，達(dá)到三維視窗數(shù)據(jù)管理的要求，還可以按照需要調(diào)取分析登記自然資源的三維信息。

8 結(jié)論

總而言之，自然資源空間信息系統(tǒng)可以完善、優(yōu)化、升級原有自然資源信息化的新高度，不同層次的自然資源行政管理部門還需要運用一個成熟的信息化系統(tǒng)平臺，全方位多元化地對自然資源信息進(jìn)行管理，真正地使自然資源信息化能夠朝著更加現(xiàn)代化的方向不斷進(jìn)步，使數(shù)據(jù)的管理、創(chuàng)新與決策工作都能夠順利開展。