土地調(diào)查信息管理平臺(tái)研究

羅華坊

（福建省經(jīng)緯數(shù)字科技有限公司，福建 福州 350000）

國(guó)土調(diào)查是對(duì)國(guó)家、地區(qū)或特定范圍內(nèi)的土地資源進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查和分析，以獲取土地資源的各種信息和數(shù)據(jù)，并為合理利用、規(guī)劃和管理土地資源提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。土地資源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。隨著城市化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，土地資源的管理與利用問題日益凸顯[2-3]。因此，建立高效的土地調(diào)查信息管理平臺(tái)顯得尤為迫切。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多位學(xué)者對(duì)國(guó)土信息調(diào)查平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究，郝連秀等[4]研究黑龍江省第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)接邊整合的關(guān)鍵技術(shù)及流程，進(jìn)一步完善和提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；聶沛等[5]采用并行計(jì)算框架Spark快速構(gòu)建矢量瓦片，并基于分布式內(nèi)存文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)瓦片存儲(chǔ)模型，提高海量矢量瓦片處理速度和存儲(chǔ)效率；何江等[6]介紹了一種基于R樹的空間索引技術(shù)，用于優(yōu)化GIS中高效信息查詢和提取的方法，并提出基于該方法的GIS最鄰近查詢算法。

由于當(dāng)前土地管理工作面存在信息不對(duì)稱、數(shù)據(jù)不完整以及管理效率低等問題，因此，該研究介紹了土地調(diào)查信息管理平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)，提出調(diào)查數(shù)據(jù)整合的技術(shù)流程，使用該平臺(tái)對(duì)南靖縣進(jìn)行土地信息調(diào)查。

在實(shí)際應(yīng)用中，土地調(diào)查信息規(guī)模大、種類多、空間屬性強(qiáng)、數(shù)據(jù)權(quán)威性要求高和數(shù)據(jù)更新頻繁等特點(diǎn)給平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和管理帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。因此，該研究以南靖縣為研究對(duì)象，針對(duì)上述問題，建立科學(xué)合理的技術(shù)架構(gòu)和管理模式，保證土地調(diào)查信息管理平臺(tái)的穩(wěn)定性，保障該平臺(tái)安全運(yùn)行。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 總體技術(shù)架構(gòu)

土地信息調(diào)查信息管理平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示?？傮w技術(shù)架構(gòu)包括5個(gè)層面，其中硬件設(shè)施層是平臺(tái)的基礎(chǔ)，主要作用包括傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行和部署軟件、提供安全保障措施及支撐平臺(tái)的生態(tài)系統(tǒng)。

軟件支撐層主要是提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存支撐和服務(wù)，以保證整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行順暢和高效。分布式文件儲(chǔ)存將文件數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)中，以增加文件系統(tǒng)的容量、可擴(kuò)展性和冗余性，對(duì)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，如公式（1）所示。

式中：Dbi為數(shù)據(jù)塊在節(jié)點(diǎn)上的索引號(hào)；Fi為文件的唯一標(biāo)識(shí)；N為節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；hash（）為hash函數(shù)，用于將Fi映射成數(shù)值。

分布式文件儲(chǔ)存通常采用冗余存儲(chǔ)的方式將數(shù)據(jù)塊復(fù)制存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)塊的冗余副本存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)，如公式（2）所示。

式中：Rni為冗余數(shù)據(jù)塊在節(jié)點(diǎn)上的索引號(hào)；k為可調(diào)參數(shù)，用于控制冗余的數(shù)量。

數(shù)據(jù)資源層主要用于存儲(chǔ)和管理各種土地調(diào)查數(shù)據(jù)和資源，并收集、存儲(chǔ)和提供數(shù)據(jù)資源，為土地調(diào)查提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行價(jià)值評(píng)估，如公式（3）所示。

式中：Dv為數(shù)據(jù)價(jià)值；Di為數(shù)據(jù)的重要性評(píng)分；DSca為數(shù)據(jù)的稀缺性評(píng)分；DSub為數(shù)據(jù)的可替代性評(píng)分；W1、W2、W3分別為數(shù)據(jù)重要性、稀缺性和可替代性的權(quán)重。

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和完整，需要定期清理和更新數(shù)據(jù)，如公式（4）所示。

式中：Dcf和Daf分別為數(shù)據(jù)變化頻率和數(shù)據(jù)時(shí)效因子。

系統(tǒng)服務(wù)層負(fù)責(zé)與其他層間的數(shù)據(jù)交互，并為業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供支撐。

1.2 整合調(diào)查數(shù)據(jù)

土地信息調(diào)查數(shù)據(jù)整合包括對(duì)現(xiàn)有國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)成果以及影像資料進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)接邊處理、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、舉證成果整合更新、數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量檢查、國(guó)土調(diào)查成果和統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)及等。主要技術(shù)流程如圖2所示。Delaunay三角網(wǎng)是廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的三角剖分方法，用于將點(diǎn)集按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建三角形網(wǎng)格，基于Delaunay三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)接邊檢查方法，其核心技術(shù)是通過檢查新加入的點(diǎn)與其相鄰三角形的外接圓關(guān)系判斷是否需要調(diào)整，具體包括以下步驟：根據(jù)土地點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建初始三角網(wǎng)，采用插入算法將新點(diǎn)加入三角網(wǎng)中，根據(jù)新點(diǎn)所在的三角形頂點(diǎn)計(jì)算該三角形的外接圓信息，如果新點(diǎn)在外接圓內(nèi)，采用邊翻轉(zhuǎn)算法調(diào)整Delaunay三角網(wǎng)，使新點(diǎn)滿足Delaunay性質(zhì)，將上述步驟進(jìn)行迭代直到所有待插入的點(diǎn)都加入三角網(wǎng)中且保持Delaunay性質(zhì)，最后將結(jié)果在土地信息調(diào)查平臺(tái)上展示，以便用戶查看和分析。在數(shù)據(jù)整合過程中，采用基于Delaunay三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)接邊檢查方法有效解決地理信息數(shù)據(jù)間的拓?fù)溴e(cuò)誤和一致性問題，減少數(shù)據(jù)處理中的數(shù)據(jù)集成、轉(zhuǎn)換和質(zhì)量控制工作，提高數(shù)據(jù)處理的精度和效率。

圖2 數(shù)據(jù)整合技術(shù)流程

1.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理

國(guó)土調(diào)查成果數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)種類多、空間屬性強(qiáng)、數(shù)據(jù)權(quán)威性要求高和數(shù)據(jù)更新頻繁等特點(diǎn)，采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存架構(gòu)，多源異構(gòu)混合儲(chǔ)存是用多種不同的存儲(chǔ)介質(zhì)組合優(yōu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)性能和成本的技術(shù)。主要包括分布式文件系統(tǒng)、對(duì)象存儲(chǔ)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式緩存等存儲(chǔ)介質(zhì)。這些存儲(chǔ)介質(zhì)可以根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不同類型和訪問模式靈活組合和調(diào)整，以提高數(shù)據(jù)的可用性以及存儲(chǔ)和訪問的效率。

采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)，可以有效地管理大數(shù)據(jù)量和提高數(shù)據(jù)庫(kù)性能，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)的步驟包括設(shè)計(jì)分區(qū)方案、創(chuàng)建分區(qū)表、設(shè)定分區(qū)規(guī)則、遷移數(shù)據(jù)、測(cè)試和維護(hù)。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和年份等特征對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分區(qū)，其次，以縣級(jí)行政區(qū)為單位劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)表，每個(gè)年份對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，每個(gè)縣級(jí)行政區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)的目的。對(duì)已存在的數(shù)據(jù)，需要按照規(guī)則遷移到新的分區(qū)。實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)和分布式架構(gòu)，可以更高效、快速地查詢或修改某個(gè)子表的數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和資源消耗。

國(guó)土調(diào)查成果具有多年份、多版本的特征，當(dāng)采用時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型時(shí)，時(shí)態(tài)模型會(huì)為數(shù)據(jù)添加時(shí)態(tài)屬性，可以用于記錄數(shù)據(jù)的有效時(shí)間范圍，將歷史數(shù)據(jù)以及其對(duì)應(yīng)的時(shí)態(tài)屬性存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。每當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)將新的記錄插入數(shù)據(jù)庫(kù)，而不是直接更新原有記錄，并允許用戶指定時(shí)間范圍，查詢特定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，或某時(shí)刻數(shù)據(jù)的狀態(tài)。與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的靜態(tài)數(shù)據(jù)相比，時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型在數(shù)據(jù)的更新和版本管理方面可以精確記錄數(shù)據(jù)變化并且支持多版本數(shù)據(jù)查詢。

1.4 調(diào)查成果管理與應(yīng)用

為滿足土地?cái)?shù)據(jù)管理、分析的需求，提出創(chuàng)建土地管理和服務(wù)成果信息管理系統(tǒng)。為數(shù)據(jù)管理者、業(yè)務(wù)分析人員和學(xué)術(shù)研究人員提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速維護(hù)、查詢、發(fā)布、更新、分析、展示和統(tǒng)計(jì)。對(duì)不同行政區(qū)劃代碼實(shí)現(xiàn)多個(gè)管理單元的并行管理方式，以滿足行政區(qū)、農(nóng)墾等管理單元的數(shù)據(jù)管理需求。

為使龐大而復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)更直觀，采用影像底圖和數(shù)字高程模型的組合技術(shù)，以實(shí)景三維的形式呈現(xiàn)土地信息調(diào)查和專題調(diào)查結(jié)果。同時(shí)，采用矢量瓦片技術(shù)直接連接省級(jí)土地信息成果數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立瓦片形式的空間索引系統(tǒng)，將海量的空間數(shù)據(jù)和屬性信息存儲(chǔ)在瓦片中。矢量瓦片技術(shù)是以矢量形式存儲(chǔ)和呈現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)，將地圖數(shù)據(jù)按照一定的層級(jí)結(jié)構(gòu)切分成不同的瓦片，每個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)不同的地圖縮放級(jí)別，層級(jí)越高，地圖顯示的細(xì)節(jié)越精細(xì)，最后采用矢量繪制算法將矢量數(shù)據(jù)繪制成圖像。平臺(tái)還設(shè)計(jì)相應(yīng)的瓦片數(shù)據(jù)請(qǐng)求機(jī)制和傳輸協(xié)議，可以快速加載和顯示地圖。這項(xiàng)技術(shù)提高了數(shù)據(jù)搜索的效率和可視化的能力。

在查詢和分析海量地理空間數(shù)據(jù)的過程中存在一些時(shí)間和空間成本問題，因此，該研究提供了以區(qū)縣單元為單位的多線程并行空間管理方法。該方法以多個(gè)行政區(qū)為網(wǎng)格，按照年份對(duì)區(qū)縣單位的土地調(diào)查信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，形成時(shí)間段。在此基礎(chǔ)上，建立分布式空間索引，以便高效管理分布式空間信息庫(kù)。采用該索引對(duì)大量信息進(jìn)行空間分類，并提高檢索與分類效果。

2 應(yīng)用實(shí)踐

2.1 數(shù)據(jù)整合集成情況

基于該文提出的總體架構(gòu)和核心技術(shù)，在土地調(diào)查信息管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，成功整合福建省漳州市南靖縣縣級(jí)調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)。按照縣級(jí)調(diào)查成果的整合技術(shù)流程，收集縣級(jí)土地調(diào)查結(jié)果。進(jìn)一步整合農(nóng)墾林工子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，將其納入縣級(jí)子系統(tǒng)中，成功整合數(shù)據(jù)庫(kù)。整合土地利用數(shù)據(jù)、永久基本農(nóng)田、生態(tài)紅線和耕地資源等數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)土地管理、時(shí)間點(diǎn)更新、土地管理及變更等數(shù)據(jù)資源的整合。成功創(chuàng)建研究結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，包括圖像、土地類型、面積和所有權(quán)等信息。

2.2 平臺(tái)功能模塊

運(yùn)用GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式文件存儲(chǔ)方式，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專項(xiàng)數(shù)據(jù)等覆蓋不同來(lái)源和領(lǐng)域的多種數(shù)據(jù)成果進(jìn)行一體化管理。包括數(shù)據(jù)成果的并行存儲(chǔ)、更新維護(hù)、農(nóng)墾林工子系統(tǒng)的統(tǒng)一管理、集成查詢、分發(fā)搜索和發(fā)布共享系統(tǒng)運(yùn)維。這些模塊的配合可以為數(shù)據(jù)成果數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建、管理和共享提供保障。

平臺(tái)集成南靖縣的實(shí)景三維模型，將土地信息調(diào)查結(jié)果納入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在大中小地圖數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)查看和交互查詢且支持任意比例尺和秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間。系統(tǒng)不僅支持查看土地調(diào)查成果、專項(xiàng)調(diào)查和自然資源相關(guān)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。還支持縣鎮(zhèn)村三級(jí)統(tǒng)計(jì)圖聯(lián)動(dòng)、網(wǎng)格與矢量融合、三維的綁定以及多屏對(duì)比功能。重疊分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)匯總和誤差更正等不僅均由平臺(tái)自動(dòng)化完成，還單獨(dú)建立農(nóng)墾和林工統(tǒng)計(jì)匯總模塊，以滿足實(shí)際情況的需求。

2.3 應(yīng)用成效

基于數(shù)據(jù)資源整合和管理平臺(tái)，南靖縣土地調(diào)查成果成功完成整合。調(diào)查整合的自動(dòng)化程度和效率不僅顯著提高，還實(shí)現(xiàn)土地調(diào)查、變動(dòng)調(diào)查和專項(xiàng)調(diào)查成果的綜合管理和應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)時(shí)間序列的融合展示，突出全縣山水、森林、田野、湖泊、草原群落特征。平臺(tái)為南靖縣順利完成多輪調(diào)查成果的專項(xiàng)分析與匯總工作提供了有力支撐，完成超過50項(xiàng)分析與統(tǒng)計(jì)工作。上述成果將持續(xù)為自然資源變化監(jiān)測(cè)、土地利用分析、建設(shè)用地變化提取和耕地保護(hù)等提供信息化服務(wù)。

除測(cè)試平臺(tái)功能外，還測(cè)試了平臺(tái)的性能，保證平臺(tái)穩(wěn)定地運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果見表1。由表1可知，平臺(tái)各測(cè)試項(xiàng)均通過，表明平臺(tái)在成功整合土地信息數(shù)據(jù)的同時(shí)能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

表1 平臺(tái)性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

該研究介紹了土地調(diào)查信息管理平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)，提出調(diào)查數(shù)據(jù)整合的技術(shù)流程，在數(shù)據(jù)整合過程中采用多源異構(gòu)混合儲(chǔ)存、影像底圖和數(shù)字高程模型的組合、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)等技術(shù)，最后使用該平臺(tái)對(duì)南靖縣進(jìn)行土地信息調(diào)查，得出以下結(jié)論：1）平臺(tái)成功整合南靖縣農(nóng)墾林工子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其納入縣級(jí)子系統(tǒng)中，成功創(chuàng)建研究結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，包括圖像、土地類型、面積和所有權(quán)等信息。2）創(chuàng)建南靖縣的實(shí)景三維模型，突出全縣山水、森林、田野、湖泊、草原群落特征，成功整合數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)土地調(diào)查、變動(dòng)調(diào)查和專項(xiàng)調(diào)查成果的綜合管理和應(yīng)用。