黎彬，李旺民，陳舉平，馬德富，贠法長，李秀龍

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

1 引 言

建立全國統(tǒng)一、責(zé)權(quán)清晰、科學(xué)高效的國土空間規(guī)劃體系，整體謀劃新時代國土空間開發(fā)保護(hù)格局，科學(xué)布局生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間，是加快形成綠色生產(chǎn)方式和生活方式、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、建設(shè)美麗中國的關(guān)鍵舉措，是建設(shè)美好家園的重要手段，是保障國家戰(zhàn)略有效實(shí)施、促進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必然要求。地理實(shí)體關(guān)系是語義表達(dá)地理信息的重要方式，包括地理實(shí)體語義關(guān)系和空間關(guān)系[1]，因此，地理實(shí)體是國土空間規(guī)劃時空信息的高效載體和聯(lián)結(jié)紐帶，地理實(shí)體數(shù)據(jù)具有面向應(yīng)用對象分類、易于機(jī)器標(biāo)準(zhǔn)化解讀、具有標(biāo)準(zhǔn)化聚合與組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滿足無級制圖、按需組裝產(chǎn)品的需求，是適應(yīng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)新時代高效的地理信息數(shù)據(jù)組織形式。

原有支撐各類國土與空間規(guī)劃的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，仍沿用以“3S+4D”為基本特征的技術(shù)模式，時空地理信息集約生產(chǎn)與整合存在難題，二是新時期國土空間規(guī)劃需統(tǒng)籌整合跨部門相關(guān)專題信息，而以往條塊化管理下普遍存在數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、屬性語義不一、時空基準(zhǔn)不同等問題，空間分析與決策局限性較大，三是各層級國土空間規(guī)劃有不同層次、不同尺度、不同維度、不同業(yè)務(wù)規(guī)則的測繪地理信息服務(wù)需求，多業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫與地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫存在聯(lián)動更新與共享服務(wù)難的問題。因此，開展面向國土空間規(guī)劃的地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵技術(shù)研究，具有重大的實(shí)踐意義。

2 總體思路與技術(shù)路線

研究瞄準(zhǔn)建立國土空間規(guī)劃體系的國家戰(zhàn)略目標(biāo)，綜合國土空間與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理的地理實(shí)體分類與對象化需求，以地理實(shí)體集約生產(chǎn)→時空信息高效聚合→專題服務(wù)智能定制為主線，重點(diǎn)研究地理實(shí)體時空數(shù)據(jù)集約生產(chǎn)與管理技術(shù)、基于優(yōu)化網(wǎng)格的地理數(shù)據(jù)二三維坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換技術(shù)、一體化精準(zhǔn)化的地理實(shí)體時空信息服務(wù)技術(shù)，建設(shè)面向國土空間規(guī)劃全周期管理的地理實(shí)體時空專題數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建一體化、精準(zhǔn)化的國土空間規(guī)劃時空信息服務(wù)，充分發(fā)揮測繪地理信息對國土空間規(guī)劃管控的技術(shù)支撐作用?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 國土空間規(guī)劃地理實(shí)體的編碼方法與表達(dá)模型

(1)地理實(shí)體的編碼方法

地理實(shí)體編碼是地理實(shí)體唯一的身份編碼，是實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體與其他信息關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)，編碼具有唯一性[2]。地理對象定義和劃分是復(fù)雜的，目前地理實(shí)體對象編碼尚未有統(tǒng)一的解決方案。文獻(xiàn)[3，4]設(shè)計(jì)了多種編碼方案。以建筑物地理實(shí)體編碼為例，傳統(tǒng)方法存在以下問題：①編碼缺乏全域性；②編碼未考慮建筑物信息的三維空間和生命周期；③不適合海量建筑物數(shù)據(jù)編碼與存儲，檢索效率慢，編碼的空間檢索、周邊搜索等效率較低；④主流的建筑物編碼方法大多基于行政區(qū)劃代碼編制，編碼隨行政區(qū)劃代碼變化而變化，極不穩(wěn)定。研究提出一種基于GeoHash[5]20位數(shù)字碼編碼方法，該方法融合建筑物的空間位置、建筑形態(tài)、建設(shè)時間等時空信息，克服了傳統(tǒng)建筑物地理實(shí)體編碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息單一、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，編碼規(guī)則如圖2所示。

圖2 建筑物地理實(shí)體編碼規(guī)則

建筑物的空間碼基于Geohash編碼，與傳統(tǒng)坐標(biāo)浮點(diǎn)計(jì)算相比，在區(qū)域劃分、空間索引和鄰近點(diǎn)查詢方面具有較大優(yōu)勢，即使在海量數(shù)據(jù)中速度表現(xiàn)也非常優(yōu)異。根據(jù)上述算法，當(dāng)剖分編碼n次時，緯度/經(jīng)度左(右)區(qū)間長度分別為dB(n)、dL(n)，公式為：

(1)

(2)

由上式易得，經(jīng)緯度剖分編碼相同次時，其區(qū)間長度關(guān)系為：dL(n)=2dB(n)，dL(n+1)=dB(n)。當(dāng)n=25時，dB=5.36442E-06，dL=1.07288E-05，因此，若Geohash編碼達(dá)到米級定位精度，需剖分25次，Geohash編碼位數(shù)為10位。有條件時，可擴(kuò)展到三維空間位置編碼。

時間碼為4位，代表編碼單元對應(yīng)的建筑物竣工的年份信息。類別碼為1位，代表編碼單元對應(yīng)的建筑物形態(tài)。順序碼為2位，代表建筑物編碼單元順序號。樓層碼為3位，代表建筑物編碼單元樓層數(shù)。此外，也可以增加建筑結(jié)構(gòu)類型碼；其他的如房屋名稱、幢棟號、房屋坐落、使用期限、地上層數(shù)、地下層數(shù)、建筑高度、基底面積、總建筑面積、各功能總套數(shù)、批準(zhǔn)的建筑物功能、各功能建筑總面積、勘察單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、建設(shè)單位、有無裙樓、裙樓層數(shù)等國土空間規(guī)劃關(guān)心的信息，則以信息的形式關(guān)聯(lián)于該碼中。

(2)嵌套式組件化的地理實(shí)體表達(dá)技術(shù)

傳統(tǒng)的各種地理信息系統(tǒng)為了滿足符號化制圖及地理信息管理要求，需要針對性設(shè)計(jì)大量的輔助點(diǎn)、線、面等專有定制數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)冗余，給數(shù)據(jù)分析和跨平臺轉(zhuǎn)換與應(yīng)用帶來障礙?；诘乩韺?shí)體編碼，研究提出了嵌套式組件化的地理實(shí)體表達(dá)方式，基于“符號嵌套式組件化”的技術(shù)思路，符號描述中，利用符號部件，組合成組件式符號，研究中要素類別使用“主碼”，要素子類使用“子碼”，使用地理實(shí)體聚類組合定義信息，引用其嵌套組合邏輯關(guān)系，并應(yīng)用在地理實(shí)體編碼中，實(shí)現(xiàn)了地理實(shí)體動態(tài)符號化組織，克服了地圖表達(dá)與數(shù)據(jù)分析的矛盾以及跨平臺數(shù)據(jù)無損轉(zhuǎn)換的難題。

3.2 地理實(shí)體時空數(shù)據(jù)一體化生產(chǎn)技術(shù)

(1)基于“空天地”一體化的多源地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集方法

批量新增數(shù)據(jù)采用傾斜攝影、激光雷達(dá)和地理實(shí)體外業(yè)采集App相結(jié)合的“多源采集”的方法，以地理實(shí)體為基本采集單位，多方位采集院落、建筑物及相關(guān)要素的地理實(shí)體幾何、紋理、類別、屬性等信息，以及與之相關(guān)聯(lián)的各類社會經(jīng)濟(jì)和人文信息，采集成果整體性好、精度高、紋理真實(shí)、細(xì)節(jié)豐富，對于數(shù)據(jù)的實(shí)地補(bǔ)充調(diào)查核實(shí)，研究專門的地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集移動端，基于地理實(shí)體唯一編碼多源地理空間數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了面向地理實(shí)體對象的多源數(shù)據(jù)匯聚融合。地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集移動端界面如圖3所示。

圖3 地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集移動端

(2)存量數(shù)據(jù)多層級信息映射規(guī)則的時空信息聚合、重構(gòu)與轉(zhuǎn)換

存量國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)，包括各期各類規(guī)劃數(shù)據(jù)，規(guī)劃條件核實(shí)、不動產(chǎn)、人防專題測繪數(shù)據(jù)，以及其他測繪數(shù)據(jù)，研究多層級信息映射規(guī)則的時空信息聚合、重構(gòu)與轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，采用面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，對每個地理實(shí)體要素賦予唯一標(biāo)識，并將包括時間屬性在內(nèi)的屬性進(jìn)行封裝，建立以地理實(shí)體為中心的空間、時間和屬性特征聚集，實(shí)現(xiàn)時空信息的一體化組織。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析與信息抽取如圖4所示。

圖4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析與抽取

實(shí)體匹配是地理空間數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)，有文獻(xiàn)[6，7，8]采用從文本中抽取確定實(shí)體語義關(guān)系、語義切分的名稱等匹配方法，本研究考慮對象的特征差異，設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配算法。公式定義為：

M(A，B)=d(A，B)ω1+s(A，B)ω2+r(A，B)ω3

(3)

式中，M(A，B)表示對象A、B之間的匹配度，d(A，B)是對象A、B的距離衡量指標(biāo)，r(A，B)表示對象A、B的空間關(guān)系，通過實(shí)體的緩沖區(qū)重疊面積計(jì)算進(jìn)行衡量。ω1，ω2，ω3為權(quán)重值。其中s(A，B)語義相似度衡量指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(4)

式中，N為屬性數(shù)目，simAk是第k項(xiàng)屬性值的相似程度，ESWAK為第k項(xiàng)屬性的權(quán)重。針對國土空間規(guī)劃相關(guān)的不同年份的地理信息，定制每類地物ω1，ω2，ω3權(quán)重值字典表，定義每類地物的1-N項(xiàng)屬性的權(quán)重字典，通過優(yōu)化試驗(yàn)，取得較好的匹配效果。匹配度閾值以下的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步人工干預(yù)匹配。

3.3 一體化、精準(zhǔn)化的地理實(shí)體時空信息服務(wù)

(1)新型服務(wù)模型DM(R)VC

在當(dāng)前Web開發(fā)技術(shù)中，MVC架構(gòu)[9]提供了十分有效的方法和思路，但無論何種框架在使用MVC架構(gòu)時都難免出現(xiàn)控制器臃腫的問題。結(jié)合規(guī)則引擎、多層架構(gòu)、MVC架構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究提出DM(R)VC服務(wù)模型：D為數(shù)據(jù)訪問(Data Access)層，M為模型(Model)層，R指規(guī)則引擎(Rule Engine)，V為視圖(View)層，C為控制器(Controller)層。DM(R)VC服務(wù)模型如圖5所示。

圖5 DM(R)VC服務(wù)模型

遵循高內(nèi)聚低耦合設(shè)計(jì)原則，在數(shù)據(jù)訪問層加入規(guī)則引擎技術(shù)，在面向行業(yè)應(yīng)用的專題數(shù)據(jù)服務(wù)中使用該規(guī)則引擎，基于國土空間規(guī)劃地理實(shí)體數(shù)據(jù)倉庫，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，智能抽取、適配及組裝，將結(jié)果存入各專題應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，向下支撐數(shù)據(jù)訪問層，向上服務(wù)模型層。

(2)多源動態(tài)一體化實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動更新

實(shí)體數(shù)據(jù)本身帶有全球唯一標(biāo)識碼，在時間維上，將無序的更新業(yè)務(wù)，統(tǒng)一成先后有序的更新事件，在空間維度上，按緩沖區(qū)疊加多層次分析結(jié)果，從實(shí)體幾何類型、尺度特征、特征差異、更新類型等方面定義變化信息邏輯關(guān)系，指定并記錄數(shù)據(jù)庫中需要更新的區(qū)域，提供選擇下載功能，下載更新區(qū)域數(shù)據(jù)修補(bǔ)測后回傳數(shù)據(jù)庫至相應(yīng)更新區(qū)域，數(shù)據(jù)下載和編輯過程中，系統(tǒng)自動記錄要素的“出庫時間”，“修改時間”；數(shù)據(jù)入庫時，根據(jù)對象“修改時間”和“出庫時間”等信息進(jìn)行檢測，判斷地物是新增、刪除或修改，實(shí)現(xiàn)要素級的更新入庫。

4 地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，“空天地”一體化數(shù)據(jù)采集，制作實(shí)景三維數(shù)據(jù)并單體化，對各期規(guī)劃數(shù)據(jù)，規(guī)劃條件核實(shí)、不動產(chǎn)登記、人防驗(yàn)收測繪專題數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、抽取，依據(jù)定義的地理實(shí)體編碼規(guī)則以及嵌套式組件化結(jié)構(gòu)規(guī)則，進(jìn)行地理實(shí)體編碼與信息關(guān)聯(lián)融合，從而形成面向國土空間規(guī)劃的三維實(shí)體數(shù)據(jù)；同時結(jié)合外業(yè)調(diào)查進(jìn)行三維測圖提取矢量線劃信息，也可以獲得二維線劃矢量地理實(shí)體數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立二三維地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫；對于已有存量DLG數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)多層級信息映射規(guī)則的時空信息聚合、重構(gòu)與轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)聯(lián)篩選抽取后的各專題數(shù)據(jù)，統(tǒng)一編碼，可以獲得二維地理實(shí)體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用新型服務(wù)模型DM(R)VC及實(shí)體數(shù)據(jù)聯(lián)動更新技術(shù)，從而構(gòu)建地理實(shí)體數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)→地理實(shí)體時空數(shù)據(jù)一體化生產(chǎn)→數(shù)據(jù)庫、平臺、可視化→時空信息應(yīng)用服務(wù)。地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)建庫如圖6所示。

圖6 地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)建庫框架圖

國土空間規(guī)劃用到的地理信息很多，其中涉及用地與建筑的地理信息，院落用地、建筑物幢棟、建筑物層、建筑物戶單元設(shè)計(jì)為四級包含關(guān)系的地理實(shí)體，各實(shí)體是向上匯總的關(guān)系；其中二維建筑物實(shí)體的空間數(shù)據(jù)采用外圍輪廓線方式表達(dá)，與傳統(tǒng)DLG的有差異；幢/層/戶三維數(shù)據(jù)采用不動產(chǎn)登記測繪生產(chǎn)的真實(shí)三維白模數(shù)據(jù)，切割方式生產(chǎn)的三維實(shí)景建筑物單體數(shù)據(jù)并行關(guān)聯(lián)幢實(shí)體數(shù)據(jù)，二三維、實(shí)景與白模數(shù)據(jù)可實(shí)時聯(lián)動應(yīng)用。

在地理實(shí)體的空間表達(dá)方面，建筑物戶實(shí)體，按上述建筑物地理實(shí)體編碼方法編制唯一實(shí)體標(biāo)識碼。戶實(shí)體由戶的各圖元構(gòu)成，飄板、雨棚等不影響規(guī)劃經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的，不設(shè)圖元，各圖元也同理由計(jì)算自動編制唯一標(biāo)識碼，按三維空間位置與順序編碼，信息分類碼采用GB/T 13923，如普通房屋為310301，在二維數(shù)據(jù)中采用的是面狀圖元，在三維數(shù)據(jù)中采用的是體狀圖元，同理，層、幢實(shí)體也是由層、幢各圖元構(gòu)成；戶、層、幢實(shí)體在空間上是純包含關(guān)系。

地理實(shí)體屬性信息，仍按關(guān)系數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行屬性信息組織，信息關(guān)聯(lián)唯一的地理實(shí)體標(biāo)識碼。按上述設(shè)計(jì)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫，能夠廣泛地應(yīng)用在市級國土空間規(guī)劃實(shí)踐中，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，能夠面向應(yīng)用更加準(zhǔn)確、快速、便捷，指向性靈敏，以珠海市香洲區(qū)中心城區(qū)為例，建筑容積率、密度、高度等用地與建筑物區(qū)級專題統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 用地與建筑物區(qū)級專題統(tǒng)計(jì)(高亮區(qū)域?yàn)楦邿崃Φ貐^(qū))

對院落用地分布、用地功能、綠地率，建筑物批準(zhǔn)與實(shí)際的功能、公共設(shè)施等信息進(jìn)行專項(xiàng)分析統(tǒng)計(jì)，評估國土空間開發(fā)現(xiàn)狀，公共服務(wù)設(shè)施的布局情況和土地開發(fā)強(qiáng)度，各類用地規(guī)劃經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析如圖8所示。

圖8 各類用地規(guī)劃經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

進(jìn)而進(jìn)行土地資源評價(jià)，結(jié)合引入的經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)、政務(wù)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、手機(jī)信令及相關(guān)熱力數(shù)據(jù)，進(jìn)行資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性雙評價(jià)，根據(jù)城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間、生態(tài)空間三種類型的空間，科學(xué)輔助劃定的國土空間規(guī)劃城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、生態(tài)保護(hù)紅線三條控制線。綜合評估分析應(yīng)用如圖9所示。

圖9 綜合評估分析應(yīng)用

在中觀尺度，進(jìn)行規(guī)劃單元內(nèi)城鎮(zhèn)開發(fā)強(qiáng)度評估，分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)強(qiáng)度時空格局特征。規(guī)劃單元綜合指標(biāo)分析如圖10所示。

圖10 規(guī)劃單元綜合指標(biāo)分析

基于院落用地、建筑物幢棟、建筑物層、建筑物戶單元的四級地理實(shí)體數(shù)據(jù)，配合交通與水系等數(shù)據(jù)，涵蓋了國土空間規(guī)劃關(guān)注的信息，在微觀尺度方面可對單個用地單元進(jìn)行精細(xì)化輔助管理；并擴(kuò)展到不動產(chǎn)權(quán)利人信息，具備其他政務(wù)應(yīng)用的擴(kuò)展能力。單個規(guī)劃許可分析應(yīng)用如圖11所示。

圖11 單個規(guī)劃許可分析應(yīng)用

5 結(jié) 語

本文以國土空間規(guī)劃的地理實(shí)體數(shù)據(jù)建庫為研究方向，在國土空間規(guī)劃地理實(shí)體的編碼方法與表達(dá)模型，地理實(shí)體時空數(shù)據(jù)一體化生產(chǎn)技術(shù)，一體化、精準(zhǔn)化的地理實(shí)體時空信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)方面作深入研究，建設(shè)了面向國土空間規(guī)劃的地理實(shí)體時空專題數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建一體化、精準(zhǔn)化的國土空間規(guī)劃時空信息服務(wù)，充分發(fā)揮測繪地理信息對國土空間規(guī)劃管控的技術(shù)支撐作用。