蔣鳳釵,練 栩,徐 然,雷麗珍,劉雪俊

(1.廣東省國土資源技術(shù)中心,廣東 廣州 510060; 2.自然資源部粵港澳大灣區(qū)自然資源數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用工程技術(shù)創(chuàng)新中心 廣東 廣州 510060)

數(shù)字政府改革建設(shè)對自然資源管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了更高的要求,數(shù)據(jù)應(yīng)用是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心。如何釋放自然資源和空間地理數(shù)據(jù)價(jià)值,以適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中多樣化、快速的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求,仍需進(jìn)一步深入研究。目前,國內(nèi)外許多研究者圍繞構(gòu)建科學(xué)的數(shù)據(jù)模型、提升數(shù)據(jù)應(yīng)用效率展開了系列研究。在數(shù)據(jù)模型方面,文獻(xiàn)[1—2]從自然資源三維立體時(shí)空主數(shù)據(jù)庫建設(shè)技術(shù)框架出發(fā),研究了時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法;文獻(xiàn)[3]提出了多粒度時(shí)空對象數(shù)據(jù)模型,以解決傳統(tǒng)GIS向全空間信息系統(tǒng)的擴(kuò)展問題;文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種自然資源實(shí)體對象的圖數(shù)據(jù)模型,并利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)了實(shí)體和關(guān)系的構(gòu)建和組織;文獻(xiàn)[5—6]對地理實(shí)體的空間組織和多態(tài)特征進(jìn)行了分析和實(shí)踐探索。在數(shù)據(jù)應(yīng)用效率提升方面,文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了面向智慧城市數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的分析型數(shù)據(jù)倉庫;文獻(xiàn)[8]利用圖數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)了土地全生命周期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和分析應(yīng)用;文獻(xiàn)[9]從業(yè)務(wù)角度提出了土地全生命周期關(guān)聯(lián)思路;文獻(xiàn)[10]基于全生命周期模型,探索了“一碼管地”的數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用。

目前多數(shù)研究是利用面向?qū)ο笏枷?通過改變現(xiàn)有基于圖層的時(shí)空數(shù)據(jù)組織模式,實(shí)現(xiàn)對實(shí)體對象時(shí)間、空間、屬性上的動態(tài)變化及實(shí)體間的泛在關(guān)聯(lián),即試圖通過改變數(shù)據(jù)管理模式,以提高數(shù)據(jù)分析效率,很少有面向?qū)ｎ}分析的實(shí)體數(shù)據(jù)模型及應(yīng)用效率提升的研究。

業(yè)務(wù)上對建設(shè)用地的管理貫穿于規(guī)劃、審批、開發(fā)利用等多個(gè)環(huán)節(jié),且有明確的監(jiān)管要求[11]。這不僅使建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)類型增多,且使數(shù)據(jù)應(yīng)用分析復(fù)雜,需協(xié)同關(guān)聯(lián)多環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。目前,建設(shè)用地專題分析主要通過反復(fù)的圖層疊加、庫表掛接及人工核查等方式實(shí)現(xiàn),效率普遍不高,自動化程度有待提升。究其原因,主要是當(dāng)前的時(shí)空數(shù)據(jù)管理模式不支持對建設(shè)用地實(shí)行對象化管理,面向業(yè)務(wù)上提出的專題分析需求,往往無法快速協(xié)同多源數(shù)據(jù)響應(yīng)。針對時(shí)空數(shù)據(jù)管理在建設(shè)用地專題分析中的不足,本文以建設(shè)用地為對象,面向批而未供核算、建設(shè)用地地類回溯、臨時(shí)用地監(jiān)測監(jiān)管、閑置土地分析及疑似違法用地識別等專題分析問題,設(shè)計(jì)構(gòu)建建設(shè)用地實(shí)體模型,實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)協(xié)同關(guān)聯(lián),解決建設(shè)用地分散管理、分散應(yīng)用的核心問題,進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)分析效率。

1 建設(shè)用地實(shí)體及業(yè)務(wù)邏輯

1.1 建設(shè)用地實(shí)體類模型

建設(shè)用地實(shí)體是能夠獨(dú)立識別、具有獨(dú)立監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析意義的對象,反映的是客觀世界已經(jīng)或?qū)⒁鳛榻ㄔO(shè)用途使用的土地特征,包括其地理位置、空間形態(tài)、自然屬性、分布規(guī)律及成因機(jī)理等[12]。根據(jù)建設(shè)用地實(shí)體的概念,結(jié)合業(yè)務(wù)需求,本文將建設(shè)用地抽象為現(xiàn)狀建設(shè)用地實(shí)體、實(shí)施建設(shè)用地實(shí)體和規(guī)劃建設(shè)用地實(shí)體[3-4]。其中,實(shí)施建設(shè)用地實(shí)體又根據(jù)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)不同,劃分為農(nóng)用地轉(zhuǎn)用與土地征收項(xiàng)目實(shí)體、土地供應(yīng)項(xiàng)目實(shí)體、臨時(shí)用地項(xiàng)目實(shí)體、閑置土地實(shí)體等。進(jìn)一步,根據(jù)建設(shè)用地實(shí)體類,以及子類與對象之間的繼承和聚合關(guān)系,構(gòu)建一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的建設(shè)用地實(shí)體類模型,如圖1所示。

圖1 建設(shè)用地實(shí)體類模型

1.2 建設(shè)用地業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)協(xié)同

建設(shè)用地全生命周期流程可劃分為國土調(diào)查、空間規(guī)劃、農(nóng)轉(zhuǎn)用審批、土地征收、土地儲備、土地供應(yīng)、開發(fā)利用、耕地占用補(bǔ)劃、執(zhí)法巡查、土地整治修復(fù)、確權(quán)登記等若干環(huán)節(jié)[12],即調(diào)-規(guī)-批-征-儲-供-用-補(bǔ)-查-修-登。不同的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)涉及不同的建設(shè)用地實(shí)體,構(gòu)建任意兩個(gè)實(shí)體間的關(guān)系,往往都具有統(tǒng)計(jì)和分析意義(如圖2所示),如構(gòu)建實(shí)體間“批-供”關(guān)系,可反映批而未供或已批已供信息。

圖2 建設(shè)用地實(shí)體業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系

面向不同專題分析需求,建設(shè)用地實(shí)體所需要協(xié)同關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)不同,本文以5個(gè)專題應(yīng)用場景為切入點(diǎn),梳理形成了數(shù)據(jù)協(xié)同關(guān)系,如圖3所示。

圖3 面向建設(shè)用地專題分析的數(shù)據(jù)協(xié)同關(guān)系

其中,批而未供面積核算專題須為業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)推送已批未供應(yīng)的建設(shè)用地面積;建設(shè)用地回溯專題須支持業(yè)務(wù)上查看任意圖斑的地類及地類變化;臨時(shí)用地監(jiān)測監(jiān)管專題須為業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)推送到期未復(fù)墾,特別是占用耕地的項(xiàng)目;閑置土地分析專題須為業(yè)務(wù)提供閑置土地用途、受讓人、閑置原因等信息;疑似違法用地識別專題須推送疑似違法用地范圍及違法類型等信息。以上5個(gè)專題分析場景須以建設(shè)用地實(shí)體為載體,協(xié)同關(guān)聯(lián)多源土地業(yè)務(wù)信息,是自然資源管理中典型的數(shù)據(jù)應(yīng)用場景。

2 建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)實(shí)體模型

上述分析表明,建設(shè)用地專題分析中業(yè)務(wù)邏輯及數(shù)據(jù)協(xié)同關(guān)聯(lián)復(fù)雜。為優(yōu)化時(shí)空數(shù)據(jù)管理模式,本文提出了面向?qū)ｎ}分析的建設(shè)用地實(shí)體模型,以支持專題分析中多源數(shù)據(jù)的協(xié)同關(guān)聯(lián),可支持一鍵生成專題分析結(jié)果。

圖4為建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)實(shí)體模型。建設(shè)用地實(shí)體是一個(gè)抽象類,建立在統(tǒng)一的地理網(wǎng)格單元上,便于對建設(shè)用地實(shí)體進(jìn)行編碼和索引。農(nóng)轉(zhuǎn)用與土地征收項(xiàng)目、臨時(shí)用地項(xiàng)目、閑置土地項(xiàng)目、監(jiān)測圖斑和調(diào)查建設(shè)用地等實(shí)體類作為建設(shè)用地實(shí)體的子類可以繼承父類建設(shè)用地實(shí)體的屬性和方法。同時(shí),由于上述建設(shè)用地實(shí)體數(shù)據(jù)又分別用于支持不同的專題分析(如圖3所示),因此,又各自有特定的專題屬性與方法。實(shí)體幾何、時(shí)空演變和業(yè)務(wù)聯(lián)系主要用于描述建設(shè)用地實(shí)體的幾何屬性,基于空間位置的時(shí)間、形態(tài)和地類信息變化的跟蹤信息,以及基于土地生命周期過程的業(yè)務(wù)場景對實(shí)體關(guān)系的定義和描述。

圖4 建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)實(shí)體模型

3 專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境及一鍵式分析

3.1 建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境構(gòu)建方法

建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境主要通過梳理實(shí)體與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的業(yè)務(wù)語義關(guān)系,構(gòu)建建設(shè)用地實(shí)體數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系得到。

首先,面向本文研究的5個(gè)專題分析場景,建立支持各專題分析的建設(shè)用地實(shí)體及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系信息,見表1。

表1 專題-實(shí)體-業(yè)務(wù)語義關(guān)系

然后,基于空間疊置建立實(shí)體間的空間關(guān)系,并利用實(shí)體與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的語義關(guān)系整合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)生成基礎(chǔ)分析表,建設(shè)用地實(shí)體與基礎(chǔ)分析表之間通過唯一標(biāo)識實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián),如圖5所示。

3.2 支持時(shí)空演變分析的數(shù)據(jù)環(huán)境構(gòu)建方法

時(shí)空演變信息記錄建設(shè)用地實(shí)體的產(chǎn)生時(shí)間和消亡時(shí)間,以及建設(shè)用地實(shí)體的形態(tài)、拓?fù)浜蛯傩缘忍卣麟S時(shí)間流逝而變化或維持原狀的過程,具備表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的連續(xù)變化或離散變化的能力,支撐對建設(shè)用地實(shí)體全生命周期地類信息進(jìn)行跟蹤管理。本文定義建設(shè)用地實(shí)體A的時(shí)空演變模型公式為

A={UID,T(Ta),P1(Ta),P2(Tb),…}

(1)

式中,UID為建設(shè)用地實(shí)體唯一對象標(biāo)識碼;T(Ta)為變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的時(shí)間,即產(chǎn)生時(shí)間;Ta、Tb、Tc為時(shí)間以地類變化為例;P1(Ta)、P2(Tb)、P3(Tc)表示建設(shè)用地實(shí)體產(chǎn)生前的地類特征集合,選取從Ta到Tb中最晚的時(shí)間作為建設(shè)用地實(shí)體的產(chǎn)生時(shí)間。

以某一建設(shè)用地實(shí)體的時(shí)空演變?yōu)槔?如圖6所示,2018年,存在耕地實(shí)體①、園地實(shí)體①和建設(shè)用地實(shí)體①;2019年,園地實(shí)體①、建設(shè)用地實(shí)體①消亡,合并為一塊建設(shè)用地②;2020年,建設(shè)用地實(shí)體②、耕地實(shí)體①消亡,再次合并為一塊建設(shè)用地實(shí)體③。

圖6 時(shí)空演變過程

3.3 一鍵式專題分析實(shí)現(xiàn)

由于本文的建設(shè)用地實(shí)體模型已經(jīng)考慮了專題分析的數(shù)據(jù)要求,因此,依據(jù)該模型整合集成的建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)環(huán)境,可以隱藏建設(shè)用地專題分析的復(fù)雜計(jì)算過程,支持一鍵式專題分析。

在建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境基礎(chǔ)上,構(gòu)建一鍵式專題計(jì)算模型,如圖7所示,實(shí)現(xiàn)以建設(shè)用地實(shí)體為基礎(chǔ),按照時(shí)間、空間、項(xiàng)目類型等不同維度生成分析結(jié)果。

圖7 一鍵式專題計(jì)算模型

4 應(yīng)用及結(jié)果討論

4.1 應(yīng)用區(qū)與數(shù)據(jù)

選取廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)為示范應(yīng)用區(qū)域,建設(shè)用地面積為1333 km2(番禺530 km2,南沙803 km2),范圍上的14個(gè)街道(番禺11個(gè),南沙3個(gè))、11個(gè)鎮(zhèn)(番禺5個(gè),南沙6個(gè))共564.26 km2(番禺294.12 km2,南沙270.14 km2),對所構(gòu)建的實(shí)體模型、分析型數(shù)據(jù)環(huán)境和一鍵式專題分析進(jìn)行示范應(yīng)用。

為對本文提出的面向建設(shè)用地專題分析的實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)證,從廣東省自然資源一體化數(shù)據(jù)庫及業(yè)務(wù)系統(tǒng)中收集了覆蓋廣州市番禺區(qū)和南沙區(qū)的歷年調(diào)查數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等,見表2。

表2 數(shù)據(jù)源情況

4.2 應(yīng)用結(jié)果

基于本文的建設(shè)用地實(shí)體模型,以及根據(jù)本文提出的專題-實(shí)體-業(yè)務(wù)語義關(guān)系(見表1)及建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境整合集成方法(如圖5所示),面向?qū)ｎ}分析場景,從地類圖斑、臨時(shí)用地、基本農(nóng)田保護(hù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中提取專題分析信息,通過空間疊置和屬性關(guān)聯(lián)(如圖8所示)構(gòu)建形成建設(shè)用地實(shí)體數(shù)據(jù)環(huán)境,作為一鍵式專題分析的基礎(chǔ)。

圖8 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

按照上述方法構(gòu)建形成的數(shù)據(jù)環(huán)境包括:256個(gè)農(nóng)用地轉(zhuǎn)用與土地征收項(xiàng)目實(shí)體,用于批而未供數(shù)量核算;128個(gè)臨時(shí)用地項(xiàng)目實(shí)體,用于臨時(shí)用監(jiān)測監(jiān)管分析;110個(gè)閑置土地實(shí)體,用于分析研究區(qū)域閑置土地情況;3447個(gè)監(jiān)測圖斑實(shí)體,用于疑似違法用地識別;3484個(gè)現(xiàn)狀調(diào)查圖斑實(shí)體,用于記錄建設(shè)用地回溯信息。

在所建立的建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境支持下,本文研發(fā)了一鍵式智能專題分析工具。該工具隱藏了復(fù)雜的人工干預(yù)和模型細(xì)節(jié),可實(shí)現(xiàn)一鍵式快速專題分析結(jié)果。其中,批而未供數(shù)量核算結(jié)果可獲取任意一個(gè)農(nóng)用地轉(zhuǎn)用與土地征收項(xiàng)目的已批已供、批而未供的數(shù)量和空間分布信息。

臨時(shí)用地監(jiān)測監(jiān)管分析結(jié)果支持以項(xiàng)目為單位查看是否到期未復(fù)墾,并獲取其占用耕地和永久基本農(nóng)田的面積、空間分布。

閑置土地分析結(jié)果如圖9所示,支持按土地利用類型、閑置原因、受讓人等不同維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖9 閑置土地分析結(jié)果

疑似違法用地識別專題分析結(jié)果如圖10所示,通過關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù),可快速甄別遙感監(jiān)測圖斑中新增推填土、建(構(gòu))筑物和線形地物的違法情況,計(jì)算違法面積。

圖10 疑似違法用地分析結(jié)果

地類回溯專題分析結(jié)果可查看任意一塊建設(shè)用地變更前地類及由耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的具體時(shí)間。

4.3 結(jié)果討論

本文構(gòu)建的面向?qū)ｎ}分析的建設(shè)用地實(shí)體模型及數(shù)據(jù)整合方法能夠基于建設(shè)用地專題分析場景整合集成分布于不同系統(tǒng)的異構(gòu)土地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),形成建設(shè)用地專題分析型數(shù)據(jù)環(huán)境。同時(shí),一鍵式智能分析專題工具的研發(fā)及應(yīng)用也表明,在分析型數(shù)據(jù)環(huán)境支持下,一次建模、多專題分析能夠很大程度上隱藏分析模型的細(xì)節(jié)和復(fù)雜度,降低人工干預(yù),提升建設(shè)用地專題分析的智能性。

5 結(jié) 語

本文對建設(shè)用地實(shí)體模型進(jìn)行了研究設(shè)計(jì),構(gòu)建了實(shí)踐區(qū)分析型數(shù)據(jù)環(huán)境,并實(shí)現(xiàn)了一鍵式智能專題分析,取得了一定的成果。

(1)圍繞調(diào)查監(jiān)測、用地審批和土地供應(yīng)等業(yè)務(wù)需求,協(xié)同空間、時(shí)間、業(yè)務(wù)和管理維度的關(guān)聯(lián)關(guān)系,細(xì)化形成了建設(shè)用地實(shí)體數(shù)據(jù)模型。

(2)面向業(yè)務(wù)場景構(gòu)建了分析型建設(shè)用地集成化數(shù)據(jù)環(huán)境,解決了操作型數(shù)據(jù)處理向分析型數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變的技術(shù)問題。

(3)提出了一次建模、多專題、可持續(xù)應(yīng)用的建模分析技術(shù)思想,研發(fā)了建設(shè)用地智能專題分析模型工具,建立了系列可彈性配置的分析路徑,實(shí)現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)專題的一鍵式分析和專題產(chǎn)品生成。