探討大數(shù)據(jù)在測繪地理信息方面的運用

殷家林， 湯陽城， 陳偉， 李康發(fā)， 王東生

（1. 湖北省國土測繪院；2. 湖北天地云地信科技集團有限公司）

1 引言

國土資源是國家及其居民賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是區(qū)域內(nèi)寶貴的自然資源，涵蓋了土地、礦藏、水源等諸多要素，對國土資源進行調(diào)查，可以全面精準(zhǔn)地掌握區(qū)域范圍內(nèi)的自然資源空間分布狀況以及儲量、品質(zhì)等詳細屬性特征，加強國土資源的統(tǒng)籌調(diào)控與科學(xué)規(guī)劃利用，提高國土資源利用與管理成效。測繪地理信息技術(shù)是國土資源調(diào)查、利用與管理中的核心技術(shù)，利用測繪技術(shù)、遙感影像技術(shù)、無人機傾斜攝影技術(shù)等快速、精準(zhǔn)地采集與獲取大面積、精細化的國土資源信息，呈現(xiàn)出“多樣性、高速性、數(shù)據(jù)量大、真實性”等大數(shù)據(jù)特征[1]。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對國土資源信息進行處理、整合，結(jié)合不同場景進行深度應(yīng)用，進一步拓展國土資源的應(yīng)用層次與水平。在現(xiàn)行測繪地理信息技術(shù)下，國土資源調(diào)查大數(shù)據(jù)體量龐大，國土資源管理時存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、體系不完善、應(yīng)用分析不深入等問題，需深入研究測繪地理信息技術(shù)下國土資源調(diào)查大數(shù)據(jù)的采集、處理、管理、利用等應(yīng)用，切實提高大數(shù)據(jù)技術(shù)在國土資源管理中的應(yīng)用水平。

2 國土資源調(diào)查與管理中存在的問題

2.1 管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

國土資源涵蓋了土地、礦產(chǎn)、水資源等自然資源，其在空間上呈現(xiàn)出明顯的連續(xù)性、異質(zhì)性與區(qū)域性。國土資源調(diào)查與管理通常按照行政區(qū)劃或自然單元分片實施，相關(guān)國土資源信息涉及多個部門、多個單位，導(dǎo)致國土資源的采集標(biāo)準(zhǔn)、處理要求、整合模式等不一致，影響國土資源組織與管理的規(guī)范性[2]。當(dāng)前國土資源調(diào)查與大數(shù)據(jù)管理缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，國土資源調(diào)查任務(wù)分解多采用區(qū)域并行開展的模式，衍生出了大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，或采集時頻不同，或空間數(shù)據(jù)組織方式不同，或坐標(biāo)體系不同，或調(diào)查比例尺與精度不同等，上述問題均導(dǎo)致國土資源信息統(tǒng)籌管理時存在融合度低、共享難度大、信息孤島現(xiàn)象明顯等問題。

2.2 管理體系不完善

國土資源調(diào)查與管理體系應(yīng)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)應(yīng)用等多個方面，但當(dāng)前國土資源管理體系不完善，更多側(cè)重于數(shù)據(jù)外業(yè)采集層面，內(nèi)業(yè)處理的自動化與規(guī)范化存在諸多不足。如不少地方部門的國土資源信息內(nèi)部接邊檢查與拓撲矛盾處理仍需要大量的人工處理；數(shù)據(jù)采集的精度與準(zhǔn)確性缺乏嚴(yán)格的階段性檢驗與把控，導(dǎo)致不同片區(qū)采集與處理的國土資源信息質(zhì)量參差不齊；國土資源調(diào)查結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)計不合理，導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換存在位置偏差[3]。

2.3 應(yīng)用分析不深入

國土資源調(diào)查結(jié)果的深層次應(yīng)用可助力城鄉(xiāng)規(guī)劃、水土資源調(diào)配、礦產(chǎn)資源開采等向科學(xué)化、合理化方向發(fā)展。當(dāng)前在國土資源調(diào)查基礎(chǔ)上的國土資源管理應(yīng)用較為淺顯，側(cè)重于對不同土地利用類型的面積進行統(tǒng)計，對國土資源信息的空間分異特征進行分析，并以專題圖或統(tǒng)計表等形式輸出國土資源應(yīng)用分析結(jié)果，而在土壤污染分布研究與防治、生態(tài)修復(fù)、地質(zhì)三維模型構(gòu)建、城市擴展研究等方面應(yīng)用不夠，所提供的技術(shù)服務(wù)、專題圖、統(tǒng)計表也較少。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在國土資源管理中的應(yīng)用

3.1 國土資源調(diào)查

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

國土資源調(diào)查是指對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的土地、礦產(chǎn)、水源等自然資源進行全面、精準(zhǔn)調(diào)查，全方位收集并形成國土資源數(shù)據(jù)集。國土資源數(shù)據(jù)集涵蓋了不同類型國土資源的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)包括國土資源的地理位置、空間分布、空間拓撲關(guān)系等，屬性數(shù)據(jù)包括國土資源的類別、面積、用途等。國土資源信息采集時，應(yīng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)如大數(shù)據(jù)技術(shù)、遙感影像技術(shù)、無人機攝影技術(shù)等快速、準(zhǔn)確、全面地采集國土資源信息，如利用無人機攝影測量技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域地表進行攝影成像，通過控制點布設(shè)、航線規(guī)劃與無人機飛行獲得目標(biāo)區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)點云數(shù)據(jù)處理后生成目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字高程模型；利用遙感影像技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域進行成像，獲得目標(biāo)區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，直觀可視化表達目標(biāo)區(qū)域的地物空間分布信息與地物類型信息[4]。在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)下，通過大數(shù)據(jù)與測繪地理信息的深度融合，實現(xiàn)國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)的持續(xù)更新與動態(tài)監(jiān)測，及時反映國土資源變化趨勢，為國土資源管理提供動態(tài)、多元、海量的調(diào)查數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理與整合

通過國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，可實現(xiàn)各級部門、各研究機構(gòu)采集數(shù)據(jù)的科學(xué)整合與高效共享，有效避免信息孤島與重復(fù)調(diào)查，切實提高國土資源調(diào)查效率與管理利用成本。在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)下，國土資源調(diào)查結(jié)果的質(zhì)量相對較高，但仍需對調(diào)查數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格的內(nèi)業(yè)處理。國土資源調(diào)查結(jié)果主要包括空間數(shù)據(jù)（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）、屬性數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）、視頻圖像數(shù)據(jù)（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）等，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時，需根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同進行國土資源信息分類，構(gòu)建不同類型國土資源數(shù)據(jù)集。例如，在土地資源調(diào)查時，對調(diào)查草圖的主要道路、水系以及與宗地四至相關(guān)的居民點和承包地宗地進行矢量化，生成數(shù)字線劃圖，并對宗地進行編號上圖。對外業(yè)調(diào)查底圖進行矢量化后將外業(yè)調(diào)查電子表格導(dǎo)入軟件排錯，對底圖上出現(xiàn)的錯誤，包括外業(yè)編號重號以及漏編等錯誤由該圖作業(yè)人員親自配合內(nèi)業(yè)人員改正。例如，通過監(jiān)督分類或非監(jiān)督分類等方法將目標(biāo)區(qū)域的遙感影像進行分類，形成草地、耕地、林地、建筑用地、未利用土地等不同類別的數(shù)據(jù)集，其中可利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)對遙感影像不同類別的土地利用進行高精度分類，提高地物判別的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)整合時，需要將處理后的調(diào)查結(jié)果進行系統(tǒng)化合并，如將不同調(diào)查組采集的數(shù)據(jù)通過圖像拼接等方式進行整合，統(tǒng)計人員對不同時期采集的數(shù)據(jù)進行差異化對比與整合等，為后續(xù)國土資源數(shù)據(jù)利用與分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 國土資源管理平臺建設(shè)

3.2.1 云平臺建設(shè)

國土資源管理云平臺高度集成國土資源調(diào)查結(jié)果，為國土資源管理應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)與技術(shù)服務(wù)。國土資源管理云平臺通常包括三個層，分別為基礎(chǔ)層、平臺層、應(yīng)用層，其中基礎(chǔ)層為硬件層，包括服務(wù)器、存儲器等設(shè)備設(shè)施，用于安全存儲國土資源大數(shù)據(jù)、支持國土資源大數(shù)據(jù)的高性能分析應(yīng)用；平臺層用于開發(fā)國土資源管理利用的各項功能模塊，如緩沖區(qū)分析、空間疊置分析、專題圖制作、數(shù)據(jù)編輯等；應(yīng)用層則面向不同的用戶設(shè)置個性化的功能使用權(quán)限，以便用戶根據(jù)自身權(quán)限調(diào)取相應(yīng)范圍內(nèi)的國土資源數(shù)據(jù)并進行深度應(yīng)用分析。國土資源管理云平臺是國土資源大數(shù)據(jù)管理的重要軟件平臺，其通過對海量、多源、異構(gòu)國土資源大數(shù)據(jù)的高效組織、快速存取、高性能分析，有力地支持城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地資源保護等應(yīng)用。

3.2.2 安全體系建設(shè)

國土資源管理云平臺通過訪問權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)加密等措施構(gòu)建國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)的安全防護管理體系，確保國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)在可控范圍內(nèi)開放與共享，有效降低國土資源調(diào)查數(shù)據(jù)的泄露風(fēng)險。

3.3 國土資源管理應(yīng)用

3.3.1 高性能分析

國土資源調(diào)查結(jié)果具有多樣性、高速性、數(shù)據(jù)量大、真實性等特征，國土資源管理應(yīng)用的高性能分析有賴于計算環(huán)境性能的提升。在數(shù)據(jù)組織與管理方面，國土資源管理平臺利用空間數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)等對國土資源調(diào)查中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行管理，提高數(shù)據(jù)的讀取與存入效率。在國土資源數(shù)據(jù)應(yīng)用分析方面，國土資源管理云平臺結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，能夠進行土壤數(shù)據(jù)的空間分析，實現(xiàn)土壤質(zhì)量和分布的精確展示，有利于決策者對土壤資源進行更加精細的規(guī)劃與管理；國土資源管理云平臺可以通過數(shù)據(jù)可視化、模型預(yù)測等方式，為政府部門和決策者提供決策支持工具，幫助其深入理解土壤狀況、分析土壤問題，制定科學(xué)的土壤保護與管理策略。國土資源管理平臺利用集群計算技術(shù)、分布式計算技術(shù)、云計算技術(shù)等動態(tài)分配服務(wù)器的計算資源，提高國土資源數(shù)據(jù)分析效率。

3.3.2 圖表可視化

大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將海量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)以圖形化顯示的方式表達，便于用戶更為直觀、清晰地理解數(shù)據(jù)中的含義與關(guān)系。大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)支持多樣化的圖表表達方式，如柱狀圖、餅圖、雷達圖、散點圖、熱力圖等，將大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)應(yīng)用到國土資源數(shù)據(jù)管理利用中，可進一步豐富國土資源數(shù)據(jù)挖掘分析的可視化表達能力。如在土地資源管理時，可通過柱狀圖表達不同行政單元的可利用土地資源量，可通過折線圖反映土地利用變化情況，可通過熱力圖反映特定土地利用類型的集中程度等。當(dāng)前市面上有著大量的大數(shù)據(jù)可視化開發(fā)框架，大多開源且可免費使用，可將其集成至國土資源數(shù)據(jù)管理云平臺中，支持多樣化的國土資源數(shù)據(jù)可視化表達方式。

3.3.3 快速統(tǒng)計

匯總統(tǒng)計是國土調(diào)查成果分析應(yīng)用、信息挖掘的重要內(nèi)容。采用行政村為最小統(tǒng)計單元，以地類劃分的最小粒度為最小統(tǒng)計尺度，從這兩個維度疊加匯總時空數(shù)據(jù)，形成調(diào)查成果最小統(tǒng)計單元的統(tǒng)計基礎(chǔ)表，基礎(chǔ)統(tǒng)計表包括標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計基礎(chǔ)表及疊加基礎(chǔ)表。以統(tǒng)計基礎(chǔ)表為上游統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照不同場景需求，構(gòu)建省市縣鄉(xiāng)村五級行政區(qū)的統(tǒng)計視圖，運用FineReport 等數(shù)據(jù)分析工具配置統(tǒng)計報表模板，實現(xiàn)批量的快速統(tǒng)計分析。對于統(tǒng)計結(jié)果四舍五入產(chǎn)生的誤差，依據(jù)面積統(tǒng)計單位與控制面積進行平差處理，按照最小可調(diào)數(shù)值進行誤差調(diào)整，保證各區(qū)縣最終統(tǒng)計面積和原始控制面積的一致性。

4 結(jié)語

國土資源調(diào)查與管理涉及計算機技術(shù)、遙感影像技術(shù)、測繪地理信息技術(shù)等，技術(shù)的革新與應(yīng)用使得國土資源調(diào)查精度與智能化水平得以提高，國土資源調(diào)查與管理的相關(guān)生產(chǎn)部門應(yīng)充分融合大數(shù)據(jù)技術(shù)與現(xiàn)行技術(shù)，為土地資源優(yōu)化配置提供重要的國土資源數(shù)據(jù)。