黟縣三維立體自然資源綜合監(jiān)管平臺建設

陳賢成，姚星，侯祥意，羅潔丹，黃瑜

(1.黟縣自然資源與規(guī)劃局，安徽 黃山 245500； 2.廣州南方智能技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510630)

1 引 言

隨著自然資源數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)型升級，適應“兩統(tǒng)一”職能的轉(zhuǎn)變，自然資源部開展了多項工作推動數(shù)據(jù)、業(yè)務和應用的多平臺融合[1]。2019年11月，自然資源部發(fā)布了《自然資源部信息化建設總體方案》，明確了新形勢下開展自然資源信息化工作需要形成全覆蓋的三維自然資源數(shù)據(jù)底板、建設自然資源“一張網(wǎng)”及其推進三維實景數(shù)據(jù)庫的建設等工作[2]。2021年，《實景三維中國建設技術(shù)大綱(2021版)》《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫主方案數(shù)據(jù)庫設計(2021版)》等技術(shù)方案的陸續(xù)發(fā)布，實景三維作為自然資源信息化的基礎(chǔ)地理空間框架地位丕顯。

在自然資源信息化建設方面，多地已開展了不同程度的信息化平臺的搭建，廈門市依據(jù)自然資源和規(guī)劃管理一體化改革和審批制度改革要求，構(gòu)建了自然資源一體化信息平臺，實現(xiàn)國土規(guī)劃全業(yè)務梳理、優(yōu)化和再造[3]；黃山市時空大數(shù)據(jù)云平臺的開發(fā)為黃山市提供了統(tǒng)一的時空大數(shù)據(jù)服務基礎(chǔ)設施，建立統(tǒng)一的時空信息服務框架[4]；陳明輝等以東莞市為例，從頂層設計、業(yè)務協(xié)同、數(shù)據(jù)整合、平臺融合、機制建設等五方面闡明了信息化建設的要點[5]；張文斌等通過論述縣域自然資源綜合信息系統(tǒng)建設中數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建庫、功能模塊等方面的技術(shù)，為縣域自然資源綜合信息系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[6]。

基于此，為了加快推進黟縣自然資源主管部門信息化建設，實現(xiàn)對自然資源監(jiān)管對象的三維立體精準呈現(xiàn)，本文以實景三維數(shù)據(jù)為三維地形基底，通過對多種類、多時相、多維度、多層次、多尺度的自然資源進行匯聚、集成、融合，構(gòu)建自然資源一體化數(shù)據(jù)庫；形成了自然資源綜合監(jiān)管平臺，全面支撐黟縣自然資源相關(guān)各業(yè)務應用需求，提升自然資源管理智能化，打造“智慧黟縣”新模式。

2 業(yè)務需求分析

平臺的搭建是為了服務黟縣自然資源和規(guī)劃局信息中心和各股室部門的業(yè)務需求，構(gòu)筑統(tǒng)一、標準、規(guī)范的自然資源數(shù)字底板，推動自然資源“一張圖”向三維升級，建設共建共享的自然資源數(shù)據(jù)資源管理體系，為全域全要素自然資源三維立體“一張圖”、國土空間基礎(chǔ)信息平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

自然資源綜合監(jiān)管平臺基于SOA架構(gòu)，運用云原生、分布式服務理念以B/S形式實現(xiàn)業(yè)務和數(shù)據(jù)的共融。依據(jù)縣域數(shù)據(jù)的特點，將平臺的框架設為五層結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ)設施層、軟件運行環(huán)境層、數(shù)據(jù)資源層、應用服務層、平臺應用層)，同時提供2個保障體系(標準規(guī)范體系、信息安全體系)[7]，采取“一縱一橫”的聯(lián)通方式進行業(yè)務串聯(lián)，具體如圖1所示：

圖1 平臺建設系統(tǒng)框架

基礎(chǔ)設施層基于超融合技術(shù)，由計算、網(wǎng)絡、存儲等硬件資源構(gòu)成；運行環(huán)境層包括應用服務中間件、國產(chǎn)自主GIS軟件平臺、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)等軟件環(huán)境，支撐整個平臺中的自然資源綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)融合、挖掘、分析和應用；數(shù)據(jù)資源層通過對已有的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)等的集成，實現(xiàn)對城市多維地理空間信息的感知；平臺層通過搭建自然資源監(jiān)管平臺，為用戶提供基于瀏覽器端、移動App端等的自然資源業(yè)務應用；應用層主要滿足各級政府部門提供自然資源相關(guān)業(yè)務需求。

3.2 功能框架

為了解決多源異構(gòu)自然資源信息的整合匯聚以及資源共享等問題，平臺以二、三維數(shù)據(jù)資源目錄體系為支撐，構(gòu)建了綜合管理系統(tǒng)、二三維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、平臺運維監(jiān)控系統(tǒng)和掌上移動端四個模塊，形成了縣域自然資源“一張圖”管理，建立統(tǒng)一的資源目錄，提供一體化實景三維基礎(chǔ)平臺。

綜合管理系統(tǒng)，提供資源展示、二三維成果展示、空間分析、地塊全生命周期追溯、專題圖制作功能，并通過儀表盤和駕駛艙模式，對自然資源現(xiàn)狀、國土空間規(guī)劃、國土空間用途管制、自然資源開發(fā)利用、耕地保護與生態(tài)修復等進行動態(tài)展示、監(jiān)測預警和趨勢分析。二三維管理信息系統(tǒng)基于《自然資源信息化建設總體方案》(2019版)的資源目錄，將數(shù)據(jù)總體分為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)四類，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的匯聚、管理、發(fā)布、運維等功能，提供數(shù)據(jù)內(nèi)容查看和檢索、入庫、導出、元數(shù)據(jù)查看以及服務注冊發(fā)布和統(tǒng)一管理等功能[8]。平臺運維監(jiān)控系統(tǒng)提供對平臺服務、用戶體系的管理，主要功能包括服務管理、服務監(jiān)控、日志安全管理和系統(tǒng)配置管理等功能模塊。自然資源掌上移動端基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)，提供權(quán)限登錄、位置查詢、地塊查詢、合規(guī)性分析等功能，便于外業(yè)實地踏勘、執(zhí)法監(jiān)察、移動辦公等工作的進行，推動政務服務向互聯(lián)網(wǎng)延伸。

圖2 平臺功能體系

4 平臺建設關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)混合存儲

平臺參照國家、地方及專業(yè)生產(chǎn)建設標準規(guī)范，并結(jié)合黟縣自然資源數(shù)據(jù)實際情況，研究并規(guī)定黟縣自然資源數(shù)據(jù)的分類體系、編碼原則及其擴充原則，制定統(tǒng)一的自然資源和規(guī)劃綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)目錄。用戶可以調(diào)用預設的專題目錄動態(tài)關(guān)聯(lián)相應數(shù)據(jù)模板，對專題下的數(shù)據(jù)進行配置入庫，并通過級聯(lián)選擇器選取模板管理節(jié)點，將自然資源數(shù)據(jù)以服務的方式發(fā)布共享并交換，形成物理分散、邏輯一致的自然資源三維立體數(shù)據(jù)庫。

平臺通過提供數(shù)據(jù)服務接口對已整合的其他部門數(shù)據(jù)進行在線接入，對于收集整理的存量數(shù)據(jù)資料采用離線數(shù)據(jù)導入；對接入的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和使用場景的不同進行采用混合存儲的方式[9]。

對于二維矢量數(shù)據(jù)以及行業(yè)專題中的地理空間數(shù)據(jù)，通過空間-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL存儲，PostgreSQL是一個開源對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持NoSQL數(shù)據(jù)類型(JSON/XML/hstore)，在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中通過安裝PostGIS插件，以表的形式存儲點、線、面數(shù)據(jù)，每個空間幾何實體對應數(shù)據(jù)表中的一條記錄。對于三維數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等以MongoDB數(shù)據(jù)庫進行存儲；MongoDB是一個基于分布式文件存儲的面向集合的數(shù)據(jù)庫，采用基于json的bson方式將數(shù)據(jù)存儲為一個文檔；平臺通過元數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)文件的方式對三維數(shù)據(jù)喝柵格數(shù)據(jù)進行管理，將數(shù)據(jù)文件作為一類對象進行存儲，提高文件的存儲讀取速率，而將數(shù)據(jù)文件中解析并抽取的元數(shù)據(jù)信息以及其所對應的數(shù)據(jù)文件層次結(jié)構(gòu)和索引列表也作為另一類對象存儲，兩者以唯一標識編碼進行鏈接；而對于附件數(shù)據(jù)則無須進行解析，按照文件形式存儲在SeaweedFS分布式文件系統(tǒng)中。

圖3 多數(shù)據(jù)庫混合存儲模式示意圖

4.2 自然資源實景三維表達

隨著《實景三維中國建設技術(shù)大綱(2021版)》的出臺，地理實體的三維可視化已成為落實國家新型基礎(chǔ)設施建設的具體部署，是構(gòu)筑“自然資源一張底圖的”基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)重點區(qū)域高精度精細化地理孿生模型，采用CW-10無人機、DP-5-0-2400型傾斜航測儀對黃山市黟縣縣城區(qū)約 10 km2進行航空攝影，得到的優(yōu)于 0.03 m的航空傾斜影像，通過南方測繪影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)South 3D進行空三加密、影像校正、實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

圖4 基于實景三維的實體模型

依據(jù)平臺提供的海量數(shù)據(jù)高性能分布式渲染、細粒度的動態(tài)伸縮功能對縣城區(qū)傾斜三維模型及此前得到的農(nóng)房一體傾斜攝影數(shù)據(jù)中的建筑物進行動態(tài)單體化處理，通過矢量數(shù)據(jù)套合的方式在三維模型表面生成半透明的薄膜，實現(xiàn)對三維模型中實體的任意選定。在此基礎(chǔ)上，將得到的模型與現(xiàn)有的全域三維地形進行融合，實現(xiàn)關(guān)鍵要素的語義關(guān)聯(lián)。并以Cesium作為底層框架結(jié)合圖形渲染引擎，建立索引緩存、數(shù)據(jù)緩存，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在三維場景中的動態(tài)顯示，達到基于瀏覽器端的三維數(shù)據(jù)的高效加載與渲染效果，滿足流暢的線上三維可視化體驗。

此外，為了真實展示出建筑的未來風貌場景，平臺依據(jù)CAD設計圖紙，按照特定范圍拉伸白膜，對建筑物的相關(guān)參數(shù)進行設置，實現(xiàn)對BIM模型的可視化，便于管理部門對住房進行管理，打造城市多要素結(jié)構(gòu)化實體三維模型。

4.3 一站式土地全生命周期管理

為了打破批地、供地、登記等系統(tǒng)障礙，形成土地資源管理全生命周期的邏輯關(guān)聯(lián)，平臺聚焦土地管理的全生命周期，利用知識圖譜技術(shù)，從業(yè)務、時序和空間上建立土地全流程業(yè)務和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以業(yè)務和空間雙關(guān)聯(lián)為核心，通過導入、繪制范圍等方式實時接入土地報批、土地供應、不動產(chǎn)登記等批供登數(shù)據(jù)，將地籍信息作為業(yè)務串聯(lián)的唯一標識，通過數(shù)據(jù)索引以目錄樹的形式進行空間定位與屬性查詢。支持實體與檔案文件的掛接，以PDF等格式查看未在屬性字段中展示的其他實體屬性詳情信息；并可通過實體以樹狀層次結(jié)構(gòu)對建設項目從土地報批、土地供應、不動產(chǎn)登記的全生命周期進行追溯。

平臺按照統(tǒng)一的標準、規(guī)范對批供登數(shù)據(jù)進行自動化處理，提取關(guān)鍵的屬性字段，將標準化后的數(shù)據(jù)依據(jù)類別置于圖數(shù)據(jù)庫Neo4J中的不同位置，建立批供用全生命周期數(shù)據(jù)庫；利用Neo4j數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對建設用地報批數(shù)據(jù)、出讓(招拍掛、協(xié)議出讓)、劃撥等數(shù)據(jù)的集成，將其視為自然資源實體對象，以Cypher語句存儲為離散的圖節(jié)點，并對實體對象關(guān)系進行抽取，構(gòu)建關(guān)系邊，實現(xiàn)對實體對象和關(guān)系的組織管理。

自然資源管理部門可以依據(jù)該平臺隨時隨地對各地塊不同階段的情況進行查詢，實時跟進項目進展情況，實現(xiàn)用地項目的精準監(jiān)測和實時監(jiān)管。

圖5 土地管理查詢

4.4 跨業(yè)務的數(shù)據(jù)動態(tài)更新

平臺基于構(gòu)建的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板，通過業(yè)務系統(tǒng)將以往分散、割裂的數(shù)據(jù)進行了銜接。依據(jù)數(shù)據(jù)匯聚情況，將平臺已有的數(shù)據(jù)分為自然資源業(yè)務更新、其他部門共享數(shù)據(jù)匯聚更新、地質(zhì)測繪調(diào)查項目數(shù)據(jù)更新、相關(guān)指標更新等類型。目前對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的更新一般可分為三類：批量更新、實時更新、增量更新[10]。

(1)對于有時間順序批量更新的數(shù)據(jù)

基于自然資源時空對象間的業(yè)務關(guān)系，采用以事件為驅(qū)動的聯(lián)動式增量更新技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進行實時更新，通過數(shù)據(jù)專題+時間索引的方式組織和更新。

比如對于二維矢量數(shù)據(jù)的更新，若以某個專題入庫的數(shù)據(jù)，以專題中的最新圖層為準，相應的專題服務以最新圖層的進行取代；對于專題下的單個圖層采用新增入庫的方式將新數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，其對應的服務進行自動更新。在地塊全生命周期查詢模塊中對建設用地報批、土地供應、國有建設用地登記的圖層進行疊加分析時原數(shù)據(jù)圖層發(fā)生更新，則需要重新進行疊加分析生成新的地塊關(guān)系。用于動態(tài)單體化的二維矢量圖層直接采用同名覆蓋的方式完成更新。對于柵格數(shù)據(jù)若入庫的原始數(shù)據(jù)中單個TIFF文件發(fā)生了更新，則對其進行同名覆蓋更換。對于傾斜攝影等三維數(shù)據(jù)，通過裁剪剝離、數(shù)據(jù)編譯等技術(shù)，在局部范圍內(nèi)對修改后的模型進行替換，并與周邊的三維模型進行融合拼接，實現(xiàn)三維模型的更新。

(2)跨層級的數(shù)據(jù)更新

基于構(gòu)建的統(tǒng)一數(shù)據(jù)底板，對行政層級橫縱方向更新的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，依據(jù)建立的關(guān)系模型，對地質(zhì)、測繪、調(diào)查、規(guī)劃等不同業(yè)務間的產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)自動沉淀到操作層，經(jīng)相關(guān)部門質(zhì)檢、審核后上傳到對應數(shù)據(jù)庫中，按照類別進行實時更新。

(3)基于衍生關(guān)系的數(shù)據(jù)聯(lián)動關(guān)系

比如在地塊全生命周期查詢模塊中，若源數(shù)據(jù)發(fā)生改變，則在圖數(shù)據(jù)庫Neo4j中觸發(fā)目標數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的聯(lián)動更新。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合自然資源智慧化管理需求，通過對黟縣自然資源與規(guī)劃綜合監(jiān)管平臺進行需求調(diào)研，運用GIS、分布式、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)構(gòu)建了平臺的總體框架，基于統(tǒng)一的二三維大數(shù)據(jù)資源目錄體系，實現(xiàn)了縣域傾斜攝影和三維建模的搭建，研發(fā)了二三維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、平臺運維監(jiān)控系統(tǒng)、App端等應用系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上從數(shù)據(jù)的存儲、展示、更新等方面介紹了平臺運用的關(guān)鍵技術(shù)。目前該平臺運行良好，滿足了信息中心和各股室的辦公需求，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、業(yè)務和應用的多態(tài)融合。但也存在一定問題，比如系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理入庫工作還未完全完成，數(shù)據(jù)的深度治理、大數(shù)據(jù)的挖掘工作還有待完善，下一步將在二期項目的建設工作中進一步完善自然資源數(shù)據(jù)管庫體系，增強自然資源管理的精準化、智能化、數(shù)字化。