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(jí)，適應(yīng)“兩統(tǒng)一”職能的轉(zhuǎn)變，自然資源部開展了多項(xiàng)工作推動(dòng)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和應(yīng)用的多平臺(tái)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(shè)總體方案》，明確了新形勢(shì)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(shè)自然資源“一張網(wǎng)”及其推進(jìn)三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫的建設(shè)等工作[2]。2021年，《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫主方案數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)(2021版)》等技術(shù)方案的陸續(xù)發(fā)布，實(shí)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(shè)方面，多地已開展了不同程度的信息化平臺(tái)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(tái)，實(shí)現(xiàn)國土規(guī)劃全業(yè)務(wù)梳理、優(yōu)化和再造[3]；黃山市時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的開發(fā)為黃山市提供了統(tǒng)一的時(shí)空大數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，建立統(tǒng)一的時(shí)空信息服務(wù)框架[4]；陳明輝等以東莞市為例，從頂層設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)整合、平臺(tái)融合、機(jī)制建設(shè)等五方面闡明了信息化建設(shè)的要點(diǎn)[5]；張文斌等通過論述縣域自然資源綜合信息系統(tǒng)建設(shè)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(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[6]。

基于此，為了加快推進(jìn)黟縣自然資源主管部門信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源監(jiān)管對(duì)象的三維立體精準(zhǔn)呈現(xiàn)，本文以實(shí)景三維數(shù)據(jù)為三維地形基底，通過對(duì)多種類、多時(shí)相、多維度、多層次、多尺度的自然資源進(jìn)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(tái)，全面支撐黟縣自然資源相關(guān)各業(yè)務(wù)應(yīng)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(wù)需求分析

平臺(tái)的搭建是為了服務(wù)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(wù)需求，構(gòu)筑統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的自然資源數(shù)字底板，推動(dòng)自然資源“一張圖”向三維升級(jí)，建設(shè)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(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

自然資源綜合監(jiān)管平臺(tái)基于SOA架構(gòu)，運(yùn)用云原生、分布式服務(wù)理念以B/S形式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的共融。依據(jù)縣域數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將平臺(tái)的框架設(shè)為五層結(jié)構(gòu)(基礎(chǔ)設(shè)施層、軟件運(yùn)行環(huán)境層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用服務(wù)層、平臺(tái)應(yīng)用層)，同時(shí)提供2個(gè)保障體系(標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行業(yè)務(wù)串聯(lián)，具體如圖1所示：

圖1 平臺(tái)建設(shè)系統(tǒng)框架

基礎(chǔ)設(shè)施層基于超融合技術(shù)，由計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等硬件資源構(gòu)成；運(yùn)行環(huán)境層包括應(yīng)用服務(wù)中間件、國產(chǎn)自主GIS軟件平臺(tái)、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(gè)平臺(tái)中的自然資源綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)融合、挖掘、分析和應(yīng)用；數(shù)據(jù)資源層通過對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)城市多維地理空間信息的感知；平臺(tái)層通過搭建自然資源監(jiān)管平臺(tái)，為用戶提供基于瀏覽器端、移動(dòng)App端等的自然資源業(yè)務(wù)應(yīng)用；應(yīng)用層主要滿足各級(jí)政府部門提供自然資源相關(guān)業(yè)務(wù)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(tái)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(tái)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)和掌上移動(dòng)端四個(gè)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(shí)景三維基礎(chǔ)平臺(tái)。

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(duì)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(hù)與生態(tài)修復(fù)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示、監(jiān)測(cè)預(yù)警和趨勢(shì)分析。二三維管理信息系統(tǒng)基于《自然資源信息化建設(shè)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的匯聚、管理、發(fā)布、運(yùn)維等功能，提供數(shù)據(jù)內(nèi)容查看和檢索、入庫、導(dǎo)出、元數(shù)據(jù)查看以及服務(wù)注冊(cè)發(fā)布和統(tǒng)一管理等功能[8]。平臺(tái)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)提供對(duì)平臺(tái)服務(wù)、用戶體系的管理，主要功能包括服務(wù)管理、服務(wù)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(dòng)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(shí)地踏勘、執(zhí)法監(jiān)察、移動(dòng)辦公等工作的進(jìn)行，推動(dòng)政務(wù)服務(wù)向互聯(lián)網(wǎng)延伸。

圖2 平臺(tái)功能體系

4 平臺(tái)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)

平臺(tái)參照國家、地方及專業(yè)生產(chǎn)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并結(jié)合黟縣自然資源數(shù)據(jù)實(shí)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(kuò)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(yù)設(shè)的專題目錄動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)相應(yīng)數(shù)據(jù)模板，對(duì)專題下的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置入庫，并通過級(jí)聯(lián)選擇器選取模板管理節(jié)點(diǎn)，將自然資源數(shù)據(jù)以服務(wù)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(tái)通過提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口對(duì)已整合的其他部門數(shù)據(jù)進(jìn)行在線接入，對(duì)于收集整理的存量數(shù)據(jù)資料采用離線數(shù)據(jù)導(dǎo)入；對(duì)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(chǎng)景的不同進(jìn)行采用混合存儲(chǔ)的方式[9]。

對(duì)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(chǔ)，PostgreSQL是一個(gè)開源對(duì)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(chǔ)點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，每個(gè)空間幾何實(shí)體對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表中的一條記錄。對(duì)于三維數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等以MongoDB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)；MongoDB是一個(gè)基于分布式文件存儲(chǔ)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(chǔ)為一個(gè)文檔；平臺(tái)通過元數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)文件的方式對(duì)三維數(shù)據(jù)喝柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將數(shù)據(jù)文件作為一類對(duì)象進(jìn)行存儲(chǔ)，提高文件的存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)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(duì)象存儲(chǔ)，兩者以唯一標(biāo)識(shí)編碼進(jìn)行鏈接；而對(duì)于附件數(shù)據(jù)則無須進(jìn)行解析，按照文件形式存儲(chǔ)在SeaweedFS分布式文件系統(tǒng)中。

圖3 多數(shù)據(jù)庫混合存儲(chǔ)模式示意圖

4.2 自然資源實(shí)景三維表達(dá)

隨著《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》的出臺(tái)，地理實(shí)體的三維可視化已成為落實(shí)國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體部署，是構(gòu)筑“自然資源一張底圖的”基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域高精度精細(xì)化地理孿生模型，采用CW-10無人機(jī)、DP-5-0-2400型傾斜航測(cè)儀對(duì)黃山市黟縣縣城區(qū)約 10 km2進(jìn)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(cè)繪影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)South 3D進(jìn)行空三加密、影像校正、實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

圖4 基于實(shí)景三維的實(shí)體模型

依據(jù)平臺(tái)提供的海量數(shù)據(jù)高性能分布式渲染、細(xì)粒度的動(dòng)態(tài)伸縮功能對(duì)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(jìn)行動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型中實(shí)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(jìn)行融合，實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)顯示，達(dá)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(yàn)。

此外，為了真實(shí)展示出建筑的未來風(fēng)貌場(chǎng)景，平臺(tái)依據(jù)CAD設(shè)計(jì)圖紙，按照特定范圍拉伸白膜，對(duì)建筑物的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型的可視化，便于管理部門對(duì)住房進(jìn)行管理，打造城市多要素結(jié)構(gòu)化實(shí)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(tái)聚焦土地管理的全生命周期，利用知識(shí)圖譜技術(shù)，從業(yè)務(wù)、時(shí)序和空間上建立土地全流程業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以業(yè)務(wù)和空間雙關(guān)聯(lián)為核心，通過導(dǎo)入、繪制范圍等方式實(shí)時(shí)接入土地報(bào)批、土地供應(yīng)、不動(dòng)產(chǎn)登記等批供登數(shù)據(jù)，將地籍信息作為業(yè)務(wù)串聯(lián)的唯一標(biāo)識(shí)，通過數(shù)據(jù)索引以目錄樹的形式進(jìn)行空間定位與屬性查詢。支持實(shí)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(shí)體屬性詳情信息；并可通過實(shí)體以樹狀層次結(jié)構(gòu)對(duì)建設(shè)項(xiàng)目從土地報(bào)批、土地供應(yīng)、不動(dòng)產(chǎn)登記的全生命周期進(jìn)行追溯。

平臺(tái)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)批供登數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，提取關(guān)鍵的屬性字段，將標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)用地報(bào)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(shí)體對(duì)象，以Cypher語句存儲(chǔ)為離散的圖節(jié)點(diǎn)，并對(duì)實(shí)體對(duì)象關(guān)系進(jìn)行抽取，構(gòu)建關(guān)系邊，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體對(duì)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(tái)隨時(shí)隨地對(duì)各地塊不同階段的情況進(jìn)行查詢，實(shí)時(shí)跟進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)展情況，實(shí)現(xiàn)用地項(xiàng)目的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)管。

圖5 土地管理查詢

4.4 跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新

平臺(tái)基于構(gòu)建的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板，通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)將以往分散、割裂的數(shù)據(jù)進(jìn)行了銜接。依據(jù)數(shù)據(jù)匯聚情況，將平臺(tái)已有的數(shù)據(jù)分為自然資源業(yè)務(wù)更新、其他部門共享數(shù)據(jù)匯聚更新、地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查項(xiàng)目數(shù)據(jù)更新、相關(guān)指標(biāo)更新等類型。目前對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的更新一般可分為三類：批量更新、實(shí)時(shí)更新、增量更新[10]。

(1)對(duì)于有時(shí)間順序批量更新的數(shù)據(jù)

基于自然資源時(shí)空對(duì)象間的業(yè)務(wù)關(guān)系，采用以事件為驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)式增量更新技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，通過數(shù)據(jù)專題+時(shí)間索引的方式組織和更新。

比如對(duì)于二維矢量數(shù)據(jù)的更新，若以某個(gè)專題入庫的數(shù)據(jù)，以專題中的最新圖層為準(zhǔn)，相應(yīng)的專題服務(wù)以最新圖層的進(jìn)行取代；對(duì)于專題下的單個(gè)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(duì)應(yīng)的服務(wù)進(jìn)行自動(dòng)更新。在地塊全生命周期查詢模塊中對(duì)建設(shè)用地報(bào)批、土地供應(yīng)、國有建設(shè)用地登記的圖層進(jìn)行疊加分析時(shí)原數(shù)據(jù)圖層發(fā)生更新，則需要重新進(jìn)行疊加分析生成新的地塊關(guān)系。用于動(dòng)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(duì)于柵格數(shù)據(jù)若入庫的原始數(shù)據(jù)中單個(gè)TIFF文件發(fā)生了更新，則對(duì)其進(jìn)行同名覆蓋更換。對(duì)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(duì)修改后的模型進(jìn)行替換，并與周邊的三維模型進(jìn)行融合拼接，實(shí)現(xiàn)三維模型的更新。

(2)跨層級(jí)的數(shù)據(jù)更新

基于構(gòu)建的統(tǒng)一數(shù)據(jù)底板，對(duì)行政層級(jí)橫縱方向更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，依據(jù)建立的關(guān)系模型，對(duì)地質(zhì)、測(cè)繪、調(diào)查、規(guī)劃等不同業(yè)務(wù)間的產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)自動(dòng)沉淀到操作層，經(jīng)相關(guān)部門質(zhì)檢、審核后上傳到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫中，按照類別進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

(3)基于衍生關(guān)系的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)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(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的聯(lián)動(dòng)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(duì)黟縣自然資源與規(guī)劃綜合監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行需求調(diào)研，運(yùn)用GIS、分布式、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)構(gòu)建了平臺(tái)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(shí)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(tái)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)、App端等應(yīng)用系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、展示、更新等方面介紹了平臺(tái)運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前該平臺(tái)運(yùn)行良好，滿足了信息中心和各股室的辦公需求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和應(yīng)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(xiàng)目的建設(shè)工作中進(jìn)一步完善自然資源數(shù)據(jù)管庫體系，增強(qiáng)自然資源管理的精準(zhǔn)化、智能化、數(shù)字化。