自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設探討與實踐

張元杰 劉建軍 高 崟

(國家基礎地理信息中心, 北京 100830)

0 引言

十八大以來,黨和國家高度重視生態(tài)文明建設,提出統(tǒng)籌“山水林田湖草”系統(tǒng)治理,并組建自然資源部承擔統(tǒng)一行使全民所有自然資源資產(chǎn)所有者職責、統(tǒng)一行使所有國土空間用途管制和生態(tài)保護修復職責[1-2]。自然資源監(jiān)測評價、生態(tài)保護與修復、國土空間規(guī)劃、自然資源開發(fā)利用等自然資源管理的各項業(yè)務工作需要“山水林田湖草”等各類自然資源數(shù)據(jù)作為支撐,迫切需要開展自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設。

2020年1月,自然資源部出臺了《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構建總體方案》,明確了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建設內(nèi)容等[3]。當前國內(nèi)學者對于自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設相關技術的研究還僅側重于土地、礦產(chǎn)、水資源等單類自然資源數(shù)據(jù)[4-6],對于調(diào)查監(jiān)測各類數(shù)據(jù)統(tǒng)籌建庫方面的技術研究相對較少。本文在分析自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設需求的基礎上,設計了數(shù)據(jù)庫建設技術流程,對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設的關鍵技術環(huán)節(jié)進行了探討,并基于實驗數(shù)據(jù)開展了建庫技術實驗。

1 需求分析

自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是自然資源管理“一張底版、一套數(shù)據(jù)、一個平臺”的重要內(nèi)容,是國土空間基礎信息平臺的數(shù)據(jù)支撐。

1.1 一體化集成管理

自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及土地、礦產(chǎn)、森林、草原、濕地、水、海域海島7類自然資源數(shù)據(jù)[7],包括自然資源調(diào)查、專項監(jiān)測、專題監(jiān)測、應急監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)等多類成果。各類數(shù)據(jù)成果按照“誰生產(chǎn)、誰建庫”的原則,由不同單位分別生產(chǎn)和建庫。數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容見表1。

表1 自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容

自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設的首要任務是在現(xiàn)有生產(chǎn)組織模式下,面向自然資源各類調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和應用的需要,統(tǒng)籌設計自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容、模型、接口、功能等標準規(guī)范,對各類自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合與建庫,實現(xiàn)對各類調(diào)查監(jiān)測成果的一體化集成管理。

1.2 三維立體存儲與表達

自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋了地上、地表、地下、陸地和海洋等多層次立體空間位置的各類數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)也由傳統(tǒng)的二維平面的點、線、面要素擴展到具有高程信息的三維立體點、線、面、體要素。同時,在國土空間規(guī)劃、自然資源登記、確權、用途管制、開發(fā)利用和督察執(zhí)法等各類業(yè)務應用也要由二維系統(tǒng)升級為三維系統(tǒng)[8-10],需要更加精細、完整地表達自然資源的立體空間分布、自然資源量等。

因此,自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設需要構建統(tǒng)一的自然資源立體時空模型,以立體空間位置作為組織和聯(lián)系所有自然資源體的基本紐帶,對多層次立體空間位置的各類自然資源進行三維立體存儲、管理、表達和應用,實現(xiàn)對自然資源的精細化綜合管理[11]。

1.3 成果應用與服務

針對自然資源部門內(nèi)部管理業(yè)務、政府其他行業(yè)部門和社會應用對自然資源調(diào)查監(jiān)測各類成果的應用需求,依托自然資源部涉密局域網(wǎng)、電子政務內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng),需要采用數(shù)據(jù)接口服務、在線地圖服務、信息服務、知識服務等多種方式,支撐對調(diào)查監(jiān)測成果的數(shù)據(jù)庫直接調(diào)用、統(tǒng)計分析、信息查詢、二次開發(fā)、輔助決策等[12-13]。

2 技術流程

根據(jù)自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和應用的需要,針對調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)、管理規(guī)劃數(shù)據(jù)、地理空間框架數(shù)據(jù)和其他行業(yè)數(shù)據(jù),對各類數(shù)據(jù)進行整合處理和統(tǒng)一建模,并以數(shù)字高程模型為三維基底,以遙感影像為覆蓋背景,以基礎地理信息為空間框架,以自然資源調(diào)查監(jiān)測成果為核心內(nèi)容,基于統(tǒng)一的三維立體時空模型,構建“物理分散、邏輯集成”的自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng),實現(xiàn)各類自然資源要素時間、空間、語義、管理、服務等一體化表達、存儲與管理。數(shù)據(jù)庫建設技術流程如圖1所示。

圖1 自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設技術流程圖

3 關鍵技術環(huán)節(jié)

為了滿足自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)立體化統(tǒng)一管理、三維表達和應用服務的需求,需要對數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)處理、可視化、數(shù)據(jù)存儲與管理等關鍵技術環(huán)節(jié)進行優(yōu)化與重構。

3.1 自然資源立體時空數(shù)據(jù)模型構建

在現(xiàn)有自然資源各類調(diào)查數(shù)據(jù)技術標準的基礎上,面向調(diào)查監(jiān)測成果立體化統(tǒng)一管理的需要,通過研究各類自然資源語義描述、空間位置、分布格局、演化過程、屬性特征、要素關系等[14],設計基于自然資源實體的立體時空數(shù)據(jù)模型(圖2),在全國統(tǒng)一的三維空間框架下,準確表達地上、地表、地下各類自然資源空間關系及屬性信息,為各類自然資源一體化統(tǒng)一建模奠定基礎。

圖2 自然資源立體時空數(shù)據(jù)模型構建

數(shù)據(jù)模型構建采用實體關系(entity-relationship,E-R)建模方法,對自然資源實體的分類、粒度、實體空間編碼、空間關系、時空演變等進行設計,構建數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)各類自然資源實體、管理界線、社會經(jīng)濟要素等在空間上的分層,在時間上的分期,在地理位置上的分區(qū),在業(yè)務上的邏輯關聯(lián)。

3.2 多源異構數(shù)據(jù)整合處理

針對自然資源各類調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù),以及社會、經(jīng)濟、人口等其他行業(yè)數(shù)據(jù),利用基于立體空間關系的要素一致性檢核、自然資源要素分類重組、要素級多時態(tài)數(shù)據(jù)處理、基于要素關系的自然資源實體構建、基于空間網(wǎng)格的實體統(tǒng)一編碼、三維模型數(shù)據(jù)金字塔構建、三維單體模型與地形模型融合處理等技術[15],對矢量、柵格、三維、表格、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行整合處理,構建由一個主數(shù)據(jù)庫、9個分數(shù)據(jù)庫組成的自然資源調(diào)查監(jiān)測三維立體時空數(shù)據(jù)庫。技術路線如圖3所示。

圖3 多源數(shù)據(jù)整合處理技術路線

3.3 三維立體場景構建

針對自然資源調(diào)查監(jiān)測成果不同應用場景的需要,基于多源異構三維數(shù)據(jù)動態(tài)融合、海量影像動態(tài)服務等技術,構建地形級、實景級、實體級等多粒度三維立體空間框架。在此基礎上,按照地下、地表、地上等各類自然資源要素的立體空間位置,采用巨量矢量要素三維化動態(tài)表達、二維數(shù)據(jù)三維空間模擬等技術,構建全域覆蓋、空間連續(xù)、二維、三維一體的立體可視化場景,并利用WebGL 3D渲染、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等多種形式,對自然資源實體、要素相互作用以及演變規(guī)律加以綜合呈現(xiàn),實現(xiàn)各類自然資源“宏觀微觀、地上地下、室外室內(nèi)”等的一體化綜合展示[16]。技術路線如圖4所示。

圖4 三維立體場景構建技術路線

3.4 高效能存儲與管理

圍繞土地、礦產(chǎn)、森林、草原、濕地、水、海域海島7類自然資源,按照一個主數(shù)據(jù)庫9個分數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫架構,基于自然資源“一張網(wǎng)”,采用“物理分散、邏輯集成”的方式,建設數(shù)據(jù)庫存儲資源、計算資源、網(wǎng)絡環(huán)境、數(shù)據(jù)安全等支撐環(huán)境,并建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),實現(xiàn)對數(shù)據(jù)成果的統(tǒng)一管理。

在數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié),針對不同類型數(shù)據(jù),采用關系型和非關系型數(shù)據(jù)庫混合存儲的模式,建立分布式數(shù)據(jù)庫,利用巨量矢量數(shù)據(jù)分塊存儲技術、網(wǎng)絡化要素級實時增量更新技術、分庫與主庫數(shù)據(jù)存儲加密技術等,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效能存儲。在數(shù)據(jù)庫管理環(huán)節(jié),采用基于統(tǒng)一空間框架的數(shù)據(jù)集成技術,實現(xiàn)二維、三維矢量柵格數(shù)據(jù)一體化管理。

4 建設實踐

利用已有調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)成果開展了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設實踐,對部分關鍵技術路線進行了技術驗證,并建立了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),初步支撐了自然資源管理的業(yè)務應用。

建庫實踐時,首先通過融合全國10 m格網(wǎng)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、部分區(qū)域2 m格網(wǎng)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和多版優(yōu)于1 m分辨率正射影像數(shù)據(jù),構建了覆蓋全國范圍、多尺度融合的三維立體空間框架。然后,利用收集的地理國情數(shù)據(jù)、永久基本農(nóng)田數(shù)據(jù)、土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤數(shù)據(jù)、土地整治數(shù)據(jù)、全國地質(zhì)災害點數(shù)據(jù)、森林資源清查數(shù)據(jù)、全國水利普查數(shù)據(jù)、濕地資源調(diào)查數(shù)據(jù)、林地一張圖數(shù)據(jù)等自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù),開展了多源數(shù)據(jù)整合處理。最后,對于矢量數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)等采用關系型數(shù)據(jù)庫進行存儲,對于三維模型數(shù)據(jù)、瓦片數(shù)據(jù)等采用分布式文件數(shù)據(jù)庫進行存儲,建立了關系型數(shù)據(jù)庫和分布式文件數(shù)據(jù)庫融合的混合模式數(shù)據(jù)庫。

同時,研發(fā)了自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),實現(xiàn)了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的一體化管理、三維立體表達、空間分析等,為國土三調(diào)、空間規(guī)劃、耕地保護、自然資源資產(chǎn)清查等自然資源管理工作提供了服務。

5 結束語

本文對自然調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設的總體技術流程和關鍵技術環(huán)節(jié)進行了探討,并收集了部分數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)庫建設技術實驗,受制于實驗數(shù)據(jù)和實驗條件,數(shù)據(jù)庫建設的部分技術方法和技術流程還有待進一步優(yōu)化和完善。

當前,國家、省、市各級自然資源管理部門正在或即將開展摸清自然資源家底、掌握各類自然資源數(shù)量、分布、質(zhì)量等各類調(diào)查監(jiān)測工作,建立各級數(shù)據(jù)庫,希望本文的建設思路和技術可為各級自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設提供借鑒。