面向國土空間決策的江蘇時空大數(shù)據(jù)情勢研究★

杜 萌，石善球

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

1 概述

結(jié)合目前自然資源管理的新形勢，自然資源管理的重點(diǎn)工作主要包括資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價[1]、國土規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督評估、城市體檢、國土空間保護(hù)開發(fā)利用態(tài)勢監(jiān)測乃至預(yù)測預(yù)警研究等[2-3]，以上不僅是現(xiàn)階段自然資源管理的重點(diǎn)工作，也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合新的研究難點(diǎn)，本文展開面向國土空間決策支持的江蘇時空大數(shù)據(jù)情勢分析技術(shù)研究。

該研究緊緊圍繞江蘇省“山水林田湖草?！焙蛧量臻g開發(fā)利用保護(hù)情勢，基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)時空數(shù)據(jù)集，參考國土空間雙評價指標(biāo)體系等技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行山、水、林、田、湖、草、海等自然資源情勢分析表達(dá)內(nèi)容研究[4]，實(shí)現(xiàn)自然資源的多樣化表達(dá)。同時緊扣當(dāng)前的管理重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合自然資源管理新形勢和國土空間開發(fā)利用評價等工作，圍繞全省重要區(qū)域以及自然資源、城鎮(zhèn)發(fā)展、交通變遷等方向，開展時空大數(shù)據(jù)分析決策模型及指標(biāo)的研究，并開展系統(tǒng)建設(shè)方案研究[5]。通過該研究進(jìn)行自然資源國土空間深度分析挖掘和分析評價，為自然資源管理和國土空間優(yōu)化提供一些支撐，為國土空間優(yōu)化方案提供借鑒和參考。

2 研究內(nèi)容

2.1 自然資源國土空間情勢表達(dá)研究

圍繞江蘇全省“山水林田湖草海”自然資源和國土空間開發(fā)利用保護(hù)情勢，參考國土空間雙評價指標(biāo)體系等技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合自然資源的稟賦特點(diǎn)和變化特征，進(jìn)行山、水、林、田、湖、草、海等方面的自然資源情勢分析表達(dá)內(nèi)容及方法研究。

2.2 時空大數(shù)據(jù)分析決策模型研究

在自然資源國土空間情勢表達(dá)研究的基礎(chǔ)上，圍繞江蘇全省重要區(qū)域以及自然資源、城鎮(zhèn)發(fā)展、交通變遷等方向，確定時空大數(shù)據(jù)分析決策模型的內(nèi)容，針對模型開展模型指標(biāo)內(nèi)容確定以及分析挖掘方法的研究，實(shí)現(xiàn)時空大數(shù)據(jù)深度分析挖掘和分析評價。

2.3 業(yè)務(wù)化系統(tǒng)建設(shè)方案研究

基于多時點(diǎn)情勢數(shù)據(jù)的對比以及山、水、林、田、湖、草、海的分布特征和變化規(guī)律，完成可視化頁面配置方案研究；根據(jù)不同用戶群體，進(jìn)行不同場景、不同參數(shù)的配置方案研究，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)模型參數(shù)化、規(guī)則化、定制化，并進(jìn)行業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的高性能計算研究。

3 研究思路

3.1 自然資源國土空間情勢表達(dá)研究

3.1.1 綜合情勢

基于二三維地圖對全省時空態(tài)勢進(jìn)行全方位呈現(xiàn)，直觀展現(xiàn)全省綜合概況，通過3D地圖、專題圖、柱狀圖、餅狀圖、儀表盤、詞云圖、熱力圖等全面展現(xiàn)全省山、水、林、田、湖、草、海等重要國土空間情勢指標(biāo)內(nèi)容、資源特征、分布情況等。并建設(shè)綜合情報板，對全省的重點(diǎn)關(guān)注的自然資源數(shù)量、面積、長度、覆蓋率等整體特征進(jìn)行綜合統(tǒng)計、表達(dá)。

3.1.2 專題情勢

自然資源國土空間專題情勢分別按照山、水、林、田、湖、草、海等模塊獨(dú)立展示，每一個模塊在展示自然資源的稟賦特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展示自然資源及國土空間的多年份的變化規(guī)律、分區(qū)分類特征、用地類型的變化流轉(zhuǎn)情況、專題設(shè)施的分布特征、名山名水特色名片等，進(jìn)行專題資源的特色情勢表達(dá)。根據(jù)瀏覽需求將時空大數(shù)據(jù)庫中的個別數(shù)據(jù)組合，自定義地理區(qū)間、時間區(qū)間，將時空數(shù)據(jù)以多窗口等各種形式加以展現(xiàn)，輔助決策者了解數(shù)據(jù)變化趨勢。

其中在山專題中，所有山體山峰按照江蘇省市級范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析，并按坡度分級分類統(tǒng)計，同時加入全省的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，輔助決策判斷，如圖1所示；在水專題中，增加詞型庫內(nèi)容，進(jìn)行圖庫數(shù)據(jù)的交互，查看全省骨干河流，并定位重點(diǎn)水系，動態(tài)疊加重點(diǎn)河流的周邊1 km～5 km內(nèi)的三調(diào)土地利用圖斑，進(jìn)行河邊土地利用統(tǒng)計分析，并可分析土地流轉(zhuǎn)情況。同時增加全省的流域、濕地、水運(yùn)樞紐、水利風(fēng)景區(qū)、江蘇最美水地標(biāo)等數(shù)據(jù)內(nèi)容，進(jìn)行重點(diǎn)水系周邊的查看及分析；在林專題中，分別展示天然林地、綠化林地，并對重點(diǎn)國有林場、省級林場、森林公園的情勢變化進(jìn)行查看分析，疊加生態(tài)紅線、自然文化保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，同時可分析重點(diǎn)林地區(qū)域多年的覆蓋變化，輔助資源決策；在田專題中，增加種植大棚的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，疊加基本農(nóng)田數(shù)據(jù)，查看農(nóng)田的變化情況，如圖1所示；在湖專題中，增加多年份省管、市管湖泊數(shù)據(jù)遙感影像、矢量數(shù)據(jù)，分析湖泊變化，疊加統(tǒng)計湖泊3 km范圍內(nèi)土地利用圖斑，統(tǒng)計周邊地類的流轉(zhuǎn)情況，如圖1所示；在草專題中展示牧草地、護(hù)坡草地、固沙灌草地的范圍，并進(jìn)行不同坡度草地的展示及分析；在海專題中，展示江蘇省管海島及海域灘涂，對港口、港區(qū)、碼頭等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，并將多年份海岸線進(jìn)行展示及變化分析。

3.2 時空大數(shù)據(jù)分析決策模型研究

3.2.1 分析決策模型內(nèi)容

在自然資源及國土空間情勢表達(dá)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行國土空間數(shù)據(jù)的分析與挖掘，從地形地勢、交通通達(dá)、城鄉(xiāng)格局、生態(tài)保護(hù)等多個維度，進(jìn)行國土空間用地態(tài)勢等方面的深度評估、診斷，研究并設(shè)計時空大數(shù)據(jù)分析決策模型的內(nèi)容。

本研究基于當(dāng)前國土分析的政策、時點(diǎn)熱點(diǎn)、行業(yè)依據(jù)，以及現(xiàn)有的時空數(shù)據(jù)內(nèi)容，充分結(jié)合國土空間雙評價指南、地形地勢分析、交通通達(dá)性分析、國土空間用地態(tài)勢分析、城鄉(xiāng)格局分析、人口流動分析、生態(tài)保護(hù)分析、公共服務(wù)分析等分析內(nèi)容及要求，最終確定16個國土空間分析決策模型。模型分別為地形地勢評價、交通優(yōu)勢度分析、交通可達(dá)性分析評價、國土空間用地態(tài)勢分析、城鎮(zhèn)體系與空間結(jié)構(gòu)分析、人口聚集度評價、耕地破碎度分析、農(nóng)村居民地布局分析、生態(tài)環(huán)境分析、生態(tài)廊道分析等分析決策模型內(nèi)容研究，如圖2所示。

3.2.2 分析決策模型指標(biāo)

針對不同的分析決策模型，進(jìn)行對應(yīng)分析決策模型的指標(biāo)研究，以及模型場景、參數(shù)配置方案研究。在地形地勢類模型中，采用評價范圍、高程、坡度等指標(biāo)進(jìn)行分析；在交通通達(dá)類模型中，采用評價范圍、數(shù)據(jù)時點(diǎn)、交通網(wǎng)絡(luò)密度、交通干線影響等指標(biāo)進(jìn)行分析；在國土空間用地態(tài)勢類模型中，采用評價范圍、數(shù)據(jù)時點(diǎn)、去除圖斑圖層及緩沖區(qū)范圍、聚合距離、連片度、緊湊度等指標(biāo)進(jìn)行分析；在城鄉(xiāng)格局分析類模型中，采用數(shù)據(jù)時點(diǎn)、距離交通干線距離、城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍等指標(biāo)進(jìn)行分析；在人口流動分析模型中，采用評價范圍、評價時點(diǎn)、聚集時段、人口流向等指標(biāo)進(jìn)行分析；在生態(tài)保護(hù)分析模型中，采用生境質(zhì)量指標(biāo)、生態(tài)保護(hù)指數(shù)、生態(tài)結(jié)構(gòu)指數(shù)、土地脅迫指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行分析；在公共服務(wù)評價模型中，采用距離學(xué)校、醫(yī)院、商場、運(yùn)動館等公共設(shè)施輻射范圍指標(biāo)進(jìn)行分析。

在對應(yīng)的每一類分析決策模型中，可以自定義場景，選擇感興趣的指標(biāo)及參數(shù)，并對指標(biāo)的值進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，獲取分析結(jié)果，進(jìn)行國土空間數(shù)據(jù)的深度分析。其中以可利用國土空間評價模型為例進(jìn)行說明，可利用國土空間評價模型來評價一個范圍地區(qū)的剩余或潛在可利用國土空間，因此確定該模型的分析指標(biāo)包括地形地勢影響因子、水域影響因子、林草地影響因子、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)影響因子、現(xiàn)有建設(shè)用地和高壓線范圍影響因子。可以設(shè)計選擇固定場景和自定義場景進(jìn)行分析評價，在對應(yīng)的場景下選擇評價的時間點(diǎn)、感興趣范圍、評價指標(biāo)內(nèi)容及緩沖區(qū)，并對地形地勢因子進(jìn)行分析評價，依據(jù)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度適宜性分級，依據(jù)自定義坡度要求計算地形地勢適宜性的圖形和面積，疊加土地利用地表覆蓋數(shù)據(jù)，去除水域、林草、基本農(nóng)田、已建成建設(shè)用地區(qū)、高壓線等影響指標(biāo)，計算并統(tǒng)計可利用的建設(shè)用地區(qū)域，生成可利用國土空間分布結(jié)果。

3.3 業(yè)務(wù)化系統(tǒng)建設(shè)方案研究

3.3.1 可視化頁面搭建研究

針對自然資源國土空間情勢分析和時空大數(shù)據(jù)分析決策模型內(nèi)容，進(jìn)行可視化頁面搭建的研究。面向具體的大數(shù)據(jù)分析和可視化需求，支持選擇可視化組件或可視化模板，選擇分析模型、選擇數(shù)據(jù)源或已建的指標(biāo)，通過拖拽組織的方式完成大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的定制可視化表達(dá)。在整個系統(tǒng)建設(shè)中，可以實(shí)現(xiàn)可視化定義數(shù)據(jù)集，并且支持已構(gòu)建的各類分析模型接入，使自定義選擇分析模型用于搭建應(yīng)用場景。

提供面向?qū)ｎ}和業(yè)務(wù)應(yīng)用場景構(gòu)建相應(yīng)分析指標(biāo)的功能，實(shí)現(xiàn)可視化、流程化地快速、靈活定制指標(biāo)并實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的管理，能夠滿足簡單指標(biāo)和復(fù)合指標(biāo)中的各類指標(biāo)定制、指標(biāo)驗證、指標(biāo)發(fā)布和指標(biāo)管理及指標(biāo)執(zhí)行優(yōu)化的要求，從而實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)指標(biāo)、圖、表、空間等多種控件進(jìn)行組合展現(xiàn)。

3.3.2 模型面板設(shè)計及定制化研究

進(jìn)行模型設(shè)計面板、模型算子面板、模型屬性面板的設(shè)計研究，根據(jù)模型應(yīng)用需求拖拽算子進(jìn)入模型設(shè)計面板，利用連線控制模型流程走向，實(shí)現(xiàn)各模型通用設(shè)置、參數(shù)設(shè)置以及輸出設(shè)計研究。根據(jù)不同瀏覽群體需求，進(jìn)行對應(yīng)場景方案研究，實(shí)現(xiàn)模型的可定制、可計算，結(jié)果的可輸出、可存儲等功能研究。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 時空大數(shù)據(jù)可視化情勢分析技術(shù)

針對時空大數(shù)據(jù)的情勢可視化分析，采用高性能計算平臺，實(shí)現(xiàn)可視化指標(biāo)數(shù)據(jù)的快速抽取、計算和表達(dá)，并綜合采用Mapbox 地圖渲染技術(shù)、Echarts可視化框架等，設(shè)計二維地圖、三維地圖、熱力圖、流線圖、關(guān)系圖、圖斑回溯、詞云圖及10余類可視化圖表組件，實(shí)現(xiàn)江蘇多專題自然資源國土空間數(shù)據(jù)的情勢分析和表達(dá)。

4.2 基于Cesium的二三維一體化展示

針對時空大數(shù)據(jù)特征，基于Cesium進(jìn)行一場景、多微件模式構(gòu)建；基于Provider擴(kuò)展支持Vector Tile，WMS，WMTS等二維服務(wù)；以S3M發(fā)布三維切片服務(wù)，支持三維建模、傾斜攝影等數(shù)據(jù)；基于ES的動態(tài)白模展示技術(shù)有效提升白模展示效率；融合ECharts，MapV等二維展示技術(shù)，提供豐富的多維數(shù)據(jù)可視化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)二三維一體化的展示。

4.3 基于Spark、并行計算的時空大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

時空大數(shù)據(jù)分析對分析挖掘工具提出了更高的要求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析工具GeoTools等已不適用于大數(shù)據(jù)分析挖掘。本研究基于服務(wù)編排、算子集成、建模工具等進(jìn)行時空大數(shù)據(jù)分析挖掘，采用了Spark與ArcGIS GA技術(shù)融合，構(gòu)建高性能大數(shù)據(jù)分析解決方案，通過并行運(yùn)算框架，搭建云GIS環(huán)境，實(shí)現(xiàn)豐富的大數(shù)據(jù)分析算子，以Spark、并行計算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間大數(shù)據(jù)分析挖掘。

4.4 “規(guī)則引擎+頁面搭建”技術(shù)

采用“規(guī)則引擎+頁面搭建”的新型模式，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)體系靈活建立、模型的自主構(gòu)建、頁面拖拽搭建。結(jié)合江蘇時空數(shù)據(jù)集特點(diǎn)，開發(fā)數(shù)據(jù)輸入類、數(shù)學(xué)運(yùn)算類、空間分析類等算子形成規(guī)則引擎。數(shù)據(jù)輸入類實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)解析、分析的算子集合；數(shù)學(xué)運(yùn)算類實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)歸類、聚類、異常值等常用的數(shù)據(jù)運(yùn)算；空間分析類實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)緩沖分析、疊加分析、相交分析、相離分析、鄰域分析等空間位置分析。使用頁面搭建技術(shù)完成模型算子的搭建，實(shí)現(xiàn)決策分析模型的構(gòu)建。

5 結(jié)語

本研究結(jié)合目前自然資源國土空間發(fā)展新形勢，采用時空大數(shù)據(jù)情勢分析方法對自然資源的山水林田湖草海等進(jìn)行了綜合情勢和專題情勢的多樣化分析及可視化表達(dá)研究，并進(jìn)行國土空間決策分析模型、指標(biāo)配置的研究，進(jìn)行多樣化、定制化、場景化的業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)方案的研究。本文以可利用國土空間評價為例，展示了分析模型的分析算力及分析結(jié)果，真正實(shí)現(xiàn)時空大數(shù)據(jù)“數(shù)據(jù)→信息→知識”，為自然資源管理、國土空間優(yōu)化以及其他行業(yè)空間分析評價提供服務(wù)和支撐。