保定市高鐵片區(qū)自然資源一體化建設(shè)示范關(guān)鍵技術(shù)研究

馮仕超F(xiàn)ENG Shi-chao；韓彥偉HAN Yan-wei；郭興平GUO Xing-ping；梁彥平LIANG Yan-ping；張旭敏ZHANG Xu-min

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊(duì)（河北九華勘查測(cè)繪有限責(zé)任公司），保定 071000）

0 引言

隨著社會(huì)治理的精細(xì)化發(fā)展，社會(huì)各界各部門對(duì)自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)的要求越來(lái)越高，測(cè)繪技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)不斷融合發(fā)展，測(cè)繪新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，信息化測(cè)繪體系和新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系逐步形成。同時(shí)，城市建設(shè)及資源開發(fā)的不斷進(jìn)度，對(duì)地下空間及地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的需求也越來(lái)越高，現(xiàn)有的服務(wù)模式已不能完全滿足信息化時(shí)代的要求[1-3]。如何高效整合與集成自然地理、地質(zhì)、礦產(chǎn)、河流湖泊、測(cè)繪地理信息等各類數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建“地上地下、水陸相連”的自然資源一體化管理體系顯得尤為重要。

河北省保定市目前已完成了數(shù)字保定地理空間框架建設(shè)，初步建立了地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，但未升級(jí)到“智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)”。因此，建立智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的試點(diǎn)勢(shì)在必行。本研究以保定市高鐵片區(qū)為試點(diǎn)，探索多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的快速融合方法和數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，為全市測(cè)繪地理信息方面工作、智慧城市建設(shè)以及城市發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)，為保定市全市的自然資源信息化建設(shè)和管理應(yīng)用探索出一條技術(shù)路線。

1 研究區(qū)域概況介紹

本項(xiàng)目的研究區(qū)域位于京石高鐵以西，白洋淀大道以南、東風(fēng)路以北、東三環(huán)以東，研究區(qū)域內(nèi)有高鐵站（保定東）、學(xué)校（河北大學(xué)、保定學(xué)院、保定市外國(guó)語(yǔ)中學(xué)等）、企業(yè)（民營(yíng)科技園）、村莊（大堤口等）、小區(qū)（博士園、卓正東璟等）、交通設(shè)施（京港澳高速、京石高鐵、巨力大橋等）。其中保定東站引入京廣高鐵、津保高鐵兩條線，正在建設(shè)的京雄城際和雄忻鐵路也將引入保定東站。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，保定東站將接入雄安至大興機(jī)場(chǎng)快線、雄石高速鐵路及廊涿固保城際鐵路，因此以該區(qū)域作為試點(diǎn)，具有地域代表性。

2 研究?jī)?nèi)容與研究方法

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

本研究中首先通過(guò)對(duì)資料的整理分析，基于外業(yè)測(cè)量與航空攝影等工作，進(jìn)而生成實(shí)景三維模型、DOM、DSM；根據(jù)實(shí)景三維再加工生成地形圖并入庫(kù)；根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)的相關(guān)地質(zhì)勘查報(bào)告生成地層結(jié)構(gòu)三維模型、根據(jù)地下空間圖紙生成站前廣場(chǎng)地下空間三維模型；收集和梳理研究區(qū)域內(nèi)相關(guān)的基礎(chǔ)地理信息、遙感、地下空間、地質(zhì)、建筑物相關(guān)等數(shù)據(jù)資料，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料的屬性與格式進(jìn)行分類；對(duì)社會(huì)公共專題信息（法人、住戶）進(jìn)行位置信息掛接；根據(jù)數(shù)據(jù)管理需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并檢查；在此基礎(chǔ)上利用FME 編寫模板，以供后期大數(shù)據(jù)量的批量化處理；對(duì)已加工好的多源數(shù)據(jù)添加“三域標(biāo)識(shí)”（時(shí)間、空間、屬性）；根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范，建立多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究方法

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合要對(duì)各類數(shù)據(jù)有清晰的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、空間構(gòu)造形態(tài)認(rèn)識(shí)和融合應(yīng)用示范認(rèn)識(shí)，從而對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的處理[4，5]。多源數(shù)據(jù)融合是近年來(lái)興起的一門數(shù)據(jù)處理技術(shù)，起源于軍事領(lǐng)域，又叫做多源信息融合，主要是一種多層次、多方面的處理過(guò)程，包括對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、相關(guān)、組合和估計(jì)，從而提高狀態(tài)和身份估計(jì)的精度，以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅的重要程度進(jìn)行適時(shí)完整的評(píng)價(jià)。多源信息融合是在多個(gè)不同層次上信息處理過(guò)程，其中每個(gè)層次反映對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)不同級(jí)別的抽象。在本研究中，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合是本項(xiàng)目中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 多源數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目中以實(shí)景三維模型為核心，在統(tǒng)一空間參考的前提下，對(duì)專題點(diǎn)、線、面類型數(shù)據(jù)進(jìn)行層次和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一體化定制處理，主要包括：根據(jù)點(diǎn)、線、面各類數(shù)據(jù)的幾何結(jié)構(gòu)和專題屬性特點(diǎn)，建立專題圖層組，圖層組內(nèi)按照數(shù)據(jù)幾何特征劃分獨(dú)立圖層，使應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰；優(yōu)化空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)滿足第三范式的非空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，目的是將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)進(jìn)行圖形繪制，查詢索引，調(diào)用壓力的分流；非空間數(shù)據(jù)的面向?qū)ο蠡脑欤趯ｎ}化的應(yīng)用中，非空間數(shù)據(jù)要建立與空間數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2.2 多源數(shù)據(jù)融合

本項(xiàng)目中多源數(shù)據(jù)的融合關(guān)鍵是要解決以實(shí)景三維模型為核心的多維空間數(shù)據(jù)融合可視化及數(shù)據(jù)操作的問(wèn)題，在以Cesium 為內(nèi)核的可視化平臺(tái)中，影像、地形數(shù)據(jù)主要是通過(guò)與實(shí)景三維模型進(jìn)行坐標(biāo)匹配后進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，通過(guò)調(diào)用服務(wù)疊加于實(shí)景三維模型之上，成為智慧城市建設(shè)的地理底圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合。對(duì)于矢量數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型的融合，需針對(duì)0 維點(diǎn)數(shù)據(jù)、一維線數(shù)據(jù)和二維面數(shù)據(jù)分別制定與實(shí)景三維數(shù)據(jù)融合的方法。

2.2.2.1 點(diǎn)、線數(shù)據(jù)與實(shí)景三維融合

0 維點(diǎn)數(shù)據(jù)和一維線數(shù)據(jù)在空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單，兩類數(shù)據(jù)在實(shí)景三維空間上的占有度和表面較小。0維點(diǎn)數(shù)據(jù)，特別是地名地址等數(shù)據(jù)，可以直接在空間位置上進(jìn)行落點(diǎn)可視化。

一維線數(shù)據(jù)能夠通過(guò)主要是通過(guò)以下兩種方式解決與實(shí)景三維的融合可視化問(wèn)題：

①體貼合落位法，即一維線如道路、邊界等線要素直接與實(shí)體三維表面貼合，靈活設(shè)置線寬度、線性。該方法優(yōu)勢(shì)在于與三維實(shí)景的貼合度高，地理空間實(shí)體化表達(dá)清晰，缺點(diǎn)是線經(jīng)過(guò)實(shí)景三維中異狀面體結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)一維線異形現(xiàn)象。

②浮空法，即一維線不與實(shí)景三維進(jìn)行貼合，懸浮在實(shí)景三維模型一定高度上。該方法優(yōu)勢(shì)是一維空間要素完整，空間形態(tài)與原數(shù)據(jù)基本一致，缺點(diǎn)是在三維視角調(diào)整過(guò)程中，隨著視角的降低，越接近平視，視域越深，視野內(nèi)的一維線要素越多，視覺效果較為雜亂。

矢量數(shù)據(jù)中的特殊點(diǎn)、線數(shù)據(jù)如鉆孔、管道數(shù)據(jù)通過(guò)直接加載顯示不能直觀的體現(xiàn)數(shù)據(jù)的特征，因此可以通過(guò)讀取二維shapefile 數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)三維實(shí)體進(jìn)行可視化展示，從而得到更直觀仿真的點(diǎn)、線加載效果。

2.2.2.2 面數(shù)據(jù)與實(shí)景三維融合

二維面與實(shí)景三維模型在面域空間里具有較高的重疊，即簡(jiǎn)單疊加會(huì)產(chǎn)生交叉沖突，點(diǎn)線和實(shí)景三維的融合方法不適用于面和實(shí)景三維的融合。為了充分發(fā)揮實(shí)景三維視覺真實(shí)性的優(yōu)勢(shì)，并提高模型的空間應(yīng)用深度，通常會(huì)利用二維面數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行單體化，實(shí)現(xiàn)面數(shù)據(jù)與實(shí)景三維數(shù)據(jù)的融合。根據(jù)實(shí)景三維模型的表面起伏度和二維面的大小，將同一空間域內(nèi)的二維面進(jìn)行三維升維，形成貼合實(shí)景三維模型表面的三維實(shí)體包圍盒。

2.2.3 基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的地理實(shí)體改造方法

本項(xiàng)目中地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)主要是通過(guò)采集測(cè)繪的方式獲取，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)形成符合標(biāo)準(zhǔn)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)。相較于實(shí)體數(shù)據(jù)采集方法，基礎(chǔ)測(cè)繪成果數(shù)據(jù)改造工作在數(shù)據(jù)編輯前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的抽取轉(zhuǎn)換，主要是將基礎(chǔ)測(cè)繪成果繼承的部分抽取轉(zhuǎn)換為地理實(shí)體數(shù)據(jù)或者可通過(guò)編輯加工轉(zhuǎn)變成地理實(shí)體的預(yù)處理數(shù)據(jù)。由于基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)與地理實(shí)體在語(yǔ)義和內(nèi)涵上的差別，傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理實(shí)體時(shí)存在一定的難度。

2.2.3.1 語(yǔ)義映射

①數(shù)據(jù)源確定。本項(xiàng)目依據(jù)地理實(shí)體數(shù)據(jù)分類、組織等要求，對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取地理實(shí)體生產(chǎn)所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)源和參考數(shù)據(jù)源。生產(chǎn)數(shù)據(jù)源為地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供圖形基礎(chǔ)和屬性參考，參考數(shù)據(jù)源為地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

②創(chuàng)建實(shí)體庫(kù)模板。主要過(guò)程如下：1）創(chuàng)建地理實(shí)體庫(kù)。2）創(chuàng)建地理實(shí)體數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集分類、空間參考依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。3）創(chuàng)建地理實(shí)體圖層，圖層名、字段名等依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

③數(shù)據(jù)映射抽取方案定義。數(shù)據(jù)抽取方案，就是將數(shù)據(jù)映射的內(nèi)容用方案的形式固定下來(lái)，目的是提供給軟件執(zhí)行提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)抽取過(guò)程中能將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)抽取到地理實(shí)體模板庫(kù)中，如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換過(guò)程設(shè)計(jì)

2.2.3.2 數(shù)據(jù)抽取

首先，將源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是指將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源提供的源數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其滿足實(shí)際生產(chǎn)需要和相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)定。其次，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)抽取到地理實(shí)體模板庫(kù)的過(guò)程，抽取的依據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)抽取方案，具體流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)抽取流程

2.2.3.3 實(shí)體編輯

按照統(tǒng)一提取和編輯原則，從數(shù)據(jù)源中提取、編輯生產(chǎn)地理實(shí)體數(shù)據(jù)，對(duì)地理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和入庫(kù)。數(shù)據(jù)編輯與處理的內(nèi)容包括圖形的編輯和屬性的編輯：

①抽取的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)繪制、編輯生產(chǎn)成為符合標(biāo)準(zhǔn)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)。

②對(duì)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行質(zhì)檢與修改。

③對(duì)通過(guò)質(zhì)檢的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行地理實(shí)體唯一編碼。

④將地理實(shí)體最終成果數(shù)據(jù)入庫(kù)。

2.2.3.4 空間處理

本研究對(duì)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間處理，主要包括：統(tǒng)一格式、一致性處理和空間化。

統(tǒng)一格式：不同數(shù)據(jù)能夠基本實(shí)現(xiàn)無(wú)損格式轉(zhuǎn)換，對(duì)于無(wú)拓?fù)潢P(guān)系圖形數(shù)據(jù)要能夠轉(zhuǎn)換至基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)，并建立拓?fù)潢P(guān)系。格式統(tǒng)一后的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)合并、接邊，數(shù)據(jù)表格能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)屬性賦值。

一致性處理：對(duì)于存放的矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和實(shí)體數(shù)據(jù)，將更新后的數(shù)據(jù)快速及時(shí)進(jìn)行地圖綜合，利用綜合的結(jié)果聯(lián)動(dòng)更新相應(yīng)范圍數(shù)據(jù)，原內(nèi)容自動(dòng)變成歷史數(shù)據(jù)。

空間化：匯聚的數(shù)據(jù)，有些帶有空間位置坐標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)了統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)后，即可匹配集成；部分自身沒有空間坐標(biāo)信息，但在屬性項(xiàng)中蘊(yùn)含了地名地址；還有一部分只是蘊(yùn)含了一些地名基因，要通過(guò)基于語(yǔ)義和地理本體的統(tǒng)一認(rèn)知，提取地名譜特征。

2.2.3.5 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系建立

通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚與空間化處理后，對(duì)多源數(shù)據(jù)的引入格式建立通用模板，在此基礎(chǔ)上編寫FME 程序，進(jìn)行快速的定位匹配，利用程序形成自動(dòng)化的三域標(biāo)識(shí)添加。根據(jù)統(tǒng)一空間化后的數(shù)據(jù)，制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)體系，供后續(xù)平臺(tái)調(diào)用。

3 自然資源一體化的成果展示與應(yīng)用

本研究實(shí)現(xiàn)了保定高鐵片區(qū)的自然資源時(shí)空一體化建設(shè)示范，具體完成了保定高鐵片區(qū)的實(shí)景三維模型、DOM、DEM、DSM 等數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、地形圖制作入庫(kù)、地層三維模型、地下空間三維模型的制作工作；多源數(shù)據(jù)分類處理及與實(shí)景三維的融合工作以及保定高鐵片區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)向地理實(shí)體轉(zhuǎn)換工作。項(xiàng)目部分成果效果如圖2-圖5 所示。

圖2 地形數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型融合效果

圖3 實(shí)景三維模型

圖4 點(diǎn)、線數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型融合效果

圖5 地理實(shí)體改造成果

4 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)收集保定市高鐵片區(qū)內(nèi)地上與地下的各類自然資源數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)包含遙感影像、實(shí)景三維、地下空間、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形圖、地下管線及人口等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，初步建立多源異構(gòu)的自然資源時(shí)空數(shù)據(jù)快速融合的方法體系，為保定市自然資源管理的信息化建設(shè)和應(yīng)用提供一定參考。

目前，新型智慧城市建設(shè)目前已在全國(guó)陸續(xù)展開，開展基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)，甚至物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)、根據(jù)本地特色擴(kuò)展數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、處理、共享、集成、挖掘分析、泛在服務(wù)的研究探索，既是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用，也是對(duì)今后工作開展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)而為智慧城市建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。