國土空間規(guī)劃與實(shí)景三維融合納入“三維立體自然資源一張圖”的技術(shù)路徑與難點(diǎn)

摘要：“三維立體自然資源一張圖”是國土空間基礎(chǔ)信息平臺及各類應(yīng)用服務(wù)體系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是“數(shù)字中國”建設(shè)的重要基石。本文探討的國土空間規(guī)劃與實(shí)景三維僅是“一張圖”的組成部分，但依然有著復(fù)雜的數(shù)據(jù)構(gòu)成。實(shí)景三維是三維空間構(gòu)架和底座，國土空規(guī)劃是用地管控和實(shí)施監(jiān)督的基礎(chǔ)。二者的融合需從數(shù)據(jù)庫最底層的邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)入手，逐步解決數(shù)據(jù)生產(chǎn)、歸集、入庫、應(yīng)用各階段的諸多難題。首先，對國土空間規(guī)劃進(jìn)行時(shí)空維度的“兩級升維”，結(jié)合無人機(jī)逆向建模技術(shù)獲取地理實(shí)體實(shí)景三維數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)歸集初步建立“協(xié)調(diào)共享、上下聯(lián)動、時(shí)點(diǎn)追溯”的空間大數(shù)據(jù);其次，按照“統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、邏輯集成、物理分散”的原則結(jié)合數(shù)字孿生、人工智能技術(shù)橫向聯(lián)動城市信息模型搭建“一張圖”主數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建“全域時(shí)空模型”，開展仿真模擬、態(tài)勢預(yù)測、推演驗(yàn)證等工作;最后，以場景應(yīng)用為開發(fā)導(dǎo)向形成前端管理平臺，最終實(shí)現(xiàn)城市高質(zhì)量和精細(xì)化治理的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：國土空間規(guī)劃 實(shí)景三維 城市信息模型 城市數(shù)字孿生 數(shù)字中國

1 背景概述

黨的十九大報(bào)告提出創(chuàng)新引領(lǐng)建設(shè)數(shù)字中國。《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》[1]指出，自然資源數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性信息資源，自然資源信息化是“數(shù)字中國”建設(shè)的基礎(chǔ)支撐，“三維立體自然資源一張圖”是國家自然資源“一張網(wǎng)、一張圖、一個(gè)平臺和三大應(yīng)用體系”的核心構(gòu)成部分。

回望“一張圖”的前世今生，是為解決國土與城規(guī)部門數(shù)據(jù)的互通障礙、打破規(guī)劃設(shè)計(jì)與審批監(jiān)管的隔閡而提出的。原國土部“土地二調(diào)”（2007）和原住建部“城鄉(xiāng)規(guī)劃法”（2008）出臺之后，各自啟動了基于自身規(guī)劃事權(quán)的“一張圖”系統(tǒng)的工作。自然資源部成立后，“建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的意見”（2019）提出了建設(shè)全國國土空間規(guī)劃“一張圖”的要求，伴隨著國土空間規(guī)劃的推進(jìn)“一張圖”實(shí)踐進(jìn)入快車道，業(yè)界普遍認(rèn)為這是根源上破解傳統(tǒng)規(guī)劃弊端的關(guān)鍵[2]。《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》和《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱》（2021）的印發(fā)，標(biāo)志著“一張圖”進(jìn)入“三維立體”階段，對打造數(shù)字中國統(tǒng)一的空間基底具有重大意義[3-4]。

按照當(dāng)前主流理解，國土空間規(guī)劃“一張圖”尚停留在“二維平面”階段，下文所探討的“一張圖”特指“三維立體自然資源一張圖”，作為國土空間基礎(chǔ)信息平臺及各類應(yīng)用服務(wù)體系的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是運(yùn)行在保密內(nèi)網(wǎng)上的龐大數(shù)據(jù)庫集。筆者認(rèn)為，“一張圖”應(yīng)該是以地理實(shí)體和地理場景的實(shí)景三維為基礎(chǔ)，搭載其他實(shí)體和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，疊加自然資源、國土空間規(guī)劃和用途管制、社會經(jīng)濟(jì)、測繪地信等數(shù)據(jù)，跨部門協(xié)調(diào)共享、上下聯(lián)動、時(shí)點(diǎn)追溯的空間大數(shù)據(jù)體系。

2 自然資源信息化總體框架

2.1 “一張圖、一平臺、一張網(wǎng)”總體構(gòu)架

“信息化建設(shè)總體方案”提出了“一張圖、一平臺、一張網(wǎng)”總體構(gòu)架。“一張圖”匯集多部門數(shù)據(jù)，是陸海相連、集成融合、持續(xù)更新的大數(shù)據(jù)體系;“一平臺”是以一張圖為支撐的、統(tǒng)一的國土空間基礎(chǔ)信息資源與自然資源業(yè)務(wù)信息化管理服務(wù)體系;“一張網(wǎng)”是跨部門、跨區(qū)域、跨層級的海量數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)施;“三大應(yīng)用服務(wù)體系”是基于一張圖和一張網(wǎng)構(gòu)建的自然資源調(diào)查監(jiān)測評價(jià)、監(jiān)管決策和互聯(lián)網(wǎng)政務(wù)服務(wù)體系（見圖1）。

2.2 “一張圖”中的國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維

國土空間規(guī)劃是空間發(fā)展的指南和可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，是各類開發(fā)保護(hù)建設(shè)活動的基本依據(jù)。其主要任務(wù)包括，統(tǒng)籌劃定生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界等管控邊界，統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間，實(shí)施最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，建立水資源剛性約束制度，建設(shè)與資源環(huán)境承載能力相匹配、重大風(fēng)險(xiǎn)防控相結(jié)合的空間格局。實(shí)景三維是對生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是新型基礎(chǔ)測繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)由空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)兩部分組成。

縱觀信息化總體框架，自然資源監(jiān)測九大庫是“一張圖”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底圖，以實(shí)景三維為代表的數(shù)據(jù)庫是“一張圖”的三維空間基底，而國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫側(cè)重用地管控和實(shí)施監(jiān)督。不難看出，國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維數(shù)據(jù)都是“一張圖”核心數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，但是，如果把“三維立體自然資源一張圖”看作數(shù)字中國空間數(shù)據(jù)的“星辰大?！保潜疚乃接懙膰量臻g規(guī)劃與實(shí)景三維僅僅是其中的“星海一粟”。即便如此，二者依然各自擁有復(fù)雜的構(gòu)成和數(shù)據(jù)集。

2.3 實(shí)景三維與城市信息模型、城市數(shù)字孿生

國家“十四五”規(guī)劃對“數(shù)字中國”目標(biāo)提出了更為具體的要求，“建設(shè)智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”。在此目標(biāo)指導(dǎo)下各部委都提出信息化建設(shè)的要求，空間建模領(lǐng)域除了自然資源部的“實(shí)景三維”外，住建部印發(fā)了《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》，工信部信標(biāo)委發(fā)布了《城市數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化白皮書（2022版）》。

城市信息模型[5]強(qiáng)調(diào)對城市物質(zhì)空間對象的數(shù)字化表達(dá)，以數(shù)字三維模型為載體關(guān)聯(lián)社會實(shí)體、建設(shè)行為、監(jiān)測感知等信息構(gòu)建城市信息的有機(jī)綜合體。城市數(shù)字孿生[6]則是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)融合城市物理空間、社會空間和數(shù)字空間，創(chuàng)建城市物理實(shí)體的虛擬映射，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)以及算法模型進(jìn)行仿真、預(yù)測、交互和控制城市物理實(shí)體全生命周期過程。

由此可見，城市信息模型和城市數(shù)字孿生都是“城市”為工作對象，以智慧城市為專業(yè)目標(biāo)的，這與“實(shí)景三維”還是存在著較大差異。不管是進(jìn)展進(jìn)度、囊括信息，還是終極目標(biāo)，融合實(shí)景三維的“一張圖”顯然擁有更大的理想和完整的數(shù)據(jù)體系，有望最終真正成為未來“數(shù)字中國”的統(tǒng)一空間基底。

3 國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維的數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用

當(dāng)下，“一張圖”的構(gòu)建并非從零開始，自然資源部繼承了原國土部的成果，各職能部門工作中也積累了大量數(shù)據(jù)，如自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、自然資源和不動產(chǎn)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、國土調(diào)查數(shù)據(jù)、測繪地信數(shù)據(jù)、規(guī)劃及管控?cái)?shù)據(jù)等?！耙粡垐D”的應(yīng)用會根據(jù)場景不同采用B/S或C/S不同模式，對于“公共云”主要通過B/S提供查詢服務(wù)和政務(wù)服務(wù)，地圖API等少量公共服務(wù)也會采用C/S模式。對于“私有云”（涉密內(nèi)網(wǎng)）主要以C/S模式為主來完成數(shù)據(jù)歸集、查詢比對、聯(lián)合審批等工作。

2019年以來，各類數(shù)據(jù)庫方案和標(biāo)準(zhǔn)密集出臺，為構(gòu)建統(tǒng)一坐標(biāo)系、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一時(shí)點(diǎn)和融合開放的“一張圖”提供了基礎(chǔ)保證。

3.1 數(shù)據(jù)生產(chǎn)、融合和應(yīng)用

筆者結(jié)合實(shí)踐和規(guī)程，對“一張圖”數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程進(jìn)行梳理，主要是通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)、歸集、清洗入庫三步形成核心數(shù)據(jù)庫、擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而針對不同場景提供不同的數(shù)據(jù)服務(wù)（見圖2）。

3.2 數(shù)據(jù)分類、結(jié)構(gòu)和內(nèi)容

3.2.1國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫

考慮到國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)的實(shí)際特點(diǎn)，市縣級國土空間規(guī)劃匯交成果數(shù)據(jù)庫主要由要素表格和要素圖層兩個(gè)部分，采用分層的方法組織數(shù)據(jù)庫成果[7]，因此便于通過WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和可視化。

國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)3個(gè)部分。其中，現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以國土三調(diào)和歷年變更調(diào)查為基礎(chǔ)，同時(shí)融合資源環(huán)境承載力評價(jià)和國土空間開發(fā)適宜性評價(jià)的核心結(jié)論。規(guī)劃數(shù)據(jù)主要包括三線管控、規(guī)劃分區(qū)管控等各類控制線及控制要求。管理數(shù)據(jù)是指涉及用地審批、規(guī)劃許可、項(xiàng)目許可、土地供應(yīng)、生態(tài)修復(fù)和綜合整治、礦產(chǎn)資源和海洋海島等各類自然資源行政事務(wù)和證照庫（見圖3）。

3.2.2實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫

實(shí)景三維與國土空間規(guī)劃的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式和存儲方式皆不同，首先結(jié)合實(shí)際需求確定地形級、城市級和部件級實(shí)景三維測繪范圍，然后分步實(shí)施測繪獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而后內(nèi)業(yè)完成模型勻色、單體分割、模型細(xì)修、標(biāo)注入庫等環(huán)節(jié)。實(shí)景三維的文件存儲是采用地圖瓦片技術(shù)的金字塔文件格式，由此DEM、DOM、TDOM等數(shù)據(jù)需分層加載、分層管理。通過單體模型庫與城市信息模型的橫向有機(jī)結(jié)合進(jìn)行跨部門數(shù)據(jù)整合，真正實(shí)現(xiàn)“一張圖”索引各部門數(shù)據(jù)（見圖4）。

3.3 國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維的融合路徑

當(dāng)前，國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的要素、類、層和屬性字段已經(jīng)形成了相對完善的結(jié)構(gòu)體系。而實(shí)景三維生產(chǎn)方式和存儲方式?jīng)Q定了還需要后期加工方可入庫，如模型單體化、模型數(shù)據(jù)化等，對于數(shù)據(jù)的深化和完善尚有較多細(xì)節(jié)需探討[5]。

總體思路是，以地形級和城市級實(shí)景三維為基底，國土空間規(guī)劃、城市信息模型逐層疊加展示，在此思路基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的核心在于用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)編碼對實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，主要字段繼承國土三調(diào)和自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)一新增時(shí)點(diǎn)（TIME）、狀態(tài)（STATE）、來源（SOURCE）等擴(kuò)展字段，其他字段擴(kuò)展根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求確定。數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)需根據(jù)數(shù)據(jù)類型、存儲模式、軟件支撐、硬件環(huán)境等要素來綜合確定，國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)主要以矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)形式存在，實(shí)景三維數(shù)據(jù)主要采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫按照LOD分級進(jìn)行分片存儲，然后采用R-tree空間索引算法與其他空間數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)以支持二維和三維查詢。

3.4 國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維的融合難點(diǎn)

“三維立體自然資源一張圖”目前整體處于前期探索階段，單就國土空間規(guī)劃和實(shí)景三維的融合而言也有較多難點(diǎn)尚未完全解決。

3.4.1數(shù)據(jù)生產(chǎn)階段

隨著無人機(jī)的普及，地形級和城市級實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集都可以依靠無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)[8]，后期使用大疆智圖、ContextCapture等傾斜攝影建模軟件制作DEM、DOM和實(shí)景三維模型，該方法即“逆向建模法”。為實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維B/S網(wǎng)頁端調(diào)用還需要對模型進(jìn)行“切片”處理，將其轉(zhuǎn)換為金字塔以保障加載的順暢。技術(shù)的日臻成熟使得無人機(jī)大尺度傾斜攝影建模成為可能，但依然要面臨海量影像采集、運(yùn)算和存儲難題，后續(xù)模型勻色、模型單體化和建庫入庫等需要持續(xù)較大的投入，建設(shè)過程中要還要解決實(shí)景三維數(shù)據(jù)資源的局部性、滯后性、質(zhì)量不統(tǒng)一等問題。

前文所述，國土空間規(guī)劃多理解為二維空間尺度，與實(shí)景三維的融合就需要解決二維信息“升維表達(dá)”的問題，一方面是將“二維”轉(zhuǎn)為“三維”，另一方面是增加“時(shí)間維度”。前者通過對二維的點(diǎn)、線、面結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）轉(zhuǎn)換為三維點(diǎn)、線、面，后者主要是通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫時(shí)點(diǎn)（TIME）字段來實(shí)現(xiàn)。因自然資源實(shí)體形態(tài)、變化周期存在巨大差異，時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用多大的“顆粒尺度”還需要考慮數(shù)據(jù)獲取頻度來統(tǒng)籌確定。

3.4.2數(shù)據(jù)歸集階段

城市數(shù)據(jù)的所有權(quán)和使用權(quán)界定尚缺法律法規(guī)的約定，因事權(quán)分工導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)沉淀在不同的部門和企業(yè)，跨部門、跨業(yè)務(wù)的協(xié)作機(jī)制也未完全建立。實(shí)景三維、城市信息模型與城市數(shù)字孿生，從數(shù)據(jù)上來講是存在交叉重疊的。不難設(shè)想，以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向采用“統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、邏輯集成、物理分散”原則推動“一張圖”建設(shè)是較為務(wù)實(shí)可行的方案。如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向和橫向互融共通、協(xié)同運(yùn)作依然是當(dāng)前亟待破局的難題。

3.4.3數(shù)據(jù)應(yīng)用階段

探索階段的“一張圖”對使用場景預(yù)判有限，目前主要以靜態(tài)分析和可視化展示為主，融合性、動態(tài)性、時(shí)效性應(yīng)用較為缺乏。需要以場景應(yīng)用為開發(fā)導(dǎo)向，引入人工智能、數(shù)字孿生、動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合過往時(shí)點(diǎn)構(gòu)建“時(shí)空模型”開展仿真模擬、態(tài)勢預(yù)測、推演驗(yàn)證方能最大化挖掘“一張圖”在未來城市治理中的價(jià)值。

另外，“一張圖”分布存儲技術(shù)是物理上分散各數(shù)據(jù)庫到具體職權(quán)部門，依托涉密內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行集成和整合，形成邏輯一致的“集成數(shù)據(jù)庫”來實(shí)現(xiàn)“一張圖”的跨部門應(yīng)用。該設(shè)計(jì)思路必然面臨數(shù)據(jù)可用和數(shù)據(jù)安全的考驗(yàn)，因此需要設(shè)計(jì)一套專業(yè)管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度、權(quán)限管控和運(yùn)維監(jiān)管。

4 “一張圖”構(gòu)建的思考

“三維立體自然資源一張圖”是龐大的數(shù)據(jù)體系，也是“數(shù)字中國”建設(shè)的重要基石?！耙粡垐D”建設(shè)不可能一蹴而就，需要經(jīng)過漫長的打磨過程。

首先，體系構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)先行?！耙粡垐D”建設(shè)工作當(dāng)前尚處于起步階段，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則缺失現(xiàn)象較為突出。相較于國土空間規(guī)劃，實(shí)景三維、城市信息模型尚停留在大的構(gòu)架搭建層次，還有較多技術(shù)細(xì)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)需要不斷完善。若前期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，后期很難實(shí)現(xiàn)互聯(lián)共通，也會導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)、內(nèi)耗嚴(yán)重等諸多問題，難以形成科技和技術(shù)創(chuàng)新合力。其次，應(yīng)用導(dǎo)向技術(shù)創(chuàng)新?！耙粡垐D”整體技術(shù)復(fù)雜度較高、城市級大數(shù)據(jù)歸集和跨部門行業(yè)應(yīng)用尚不成熟，算法模型與動態(tài)數(shù)據(jù)融合不夠，數(shù)字空間的模擬仿真、態(tài)勢預(yù)測等價(jià)值還未釋放，關(guān)鍵技術(shù)融合應(yīng)用亟待加強(qiáng)。

“一張圖”的建設(shè)通過融合技術(shù)優(yōu)勢、人才優(yōu)勢、創(chuàng)新優(yōu)勢，推動政府、企業(yè)等多方參與形成一體化解決方案，定能實(shí)現(xiàn)推動城市高質(zhì)量和精細(xì)化治理的宏偉目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[7]市級國土空間總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-04/07/5598163/files/8eaa633aa0bb4905bbf11e1674156e08.pdf.

[8]韓科成，耿玉秀.無人機(jī)低空攝影在城市規(guī)劃領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].江西建材，2018（3）：24-25，28.

作者簡介：韓科成（1985—），男，碩士，注冊城鄉(xiāng)規(guī)劃師，主要從事法定規(guī)劃編制工作。