国土空间多源时空数据融合关...庄国土空间基础信息平台为例_武梦瑶.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：武梦瑶（），女，山西大同人，工程师，硕士，年毕业于香港理工大学测绘及地理资讯学专业，主要从事 基础软件技术研究和行业应用研究工作。国土空间多源时空数据融合关键技术研究与应用 以石家庄国土空间基础信息平台为例武梦瑶，王占林，李少华，张亚峰，马 亮，石伟伟（北京超图软件股份有限公司，北京；石家庄市自然资源和规划局，河北 石家庄；自然资源部第四地形测量队，黑龙江 哈尔滨）摘要：在地理空间框架基础上，国土空间信息平台充分运用移动互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能、空间信息等新一代信息技术，探索基于多源二三维一体化的城市时空基础数据，融合自然资源业务数据、横向获取各政务数据等特点的高效融合模式，旨在建成全域统一的国土信息数据一张图，同时需要结合国土空间典型业务需求，通过 处理自动化（，）技术为海量二三维一体化数据的高效信息挖掘提供建设性方案。最后以石家庄国土空间基础信息平台为例，对文中探究的国土空间多源数据管理与应用方法进行实践。关键词：国土空间信息平台；二三维一体化模型；多源数据融合；空间分析；处理自动化建模中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，（），：；引 言目前，国土空间治理体系加速构建，国内关于国土空间用途管制制度的理论研究内容较少，实践则主要为 年开展的 个自然生态空间用途管制试点，对于国土空间用途管制的统筹研究有待完善。而在部分发达国家，国土空间规划与用途管制开展较早，实践经验比较丰富。在日本、美国、英国、法国等的国土空间用途管制实践中，均对农业用地保护给予了极大重视，并将其作为土地管理的重点工作，通过一系列措施保护农业用地，抑制城市扩张速度与规模。当前，自然资源部办公厅下发的自然资源调查监测体系构建总体方案自然资源三维立体时空数据库建设总体方案实景三维中国建设技术大纲（版）等，更加明确了自然资源数字化建设任务的技术路线。通过新一代三维 为核心技术的国土空间信息化建设，挖掘国土空间数据潜力，按照“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的管理新机制，建立覆盖全空间、全要素的国土空间基础信息体系，以及覆盖全过程的国土空间规划监测评估预警管理系统，形成全过程的数字化国土空间治理体系，如图 所示，提供资源环境承载力评价、国土空间开发适宜性评价、交通分析、城市空间格局分析等专题分析以及主要控制线检测等，为规划编制提供科学依据，缓解了国土空间信息数据多元化信息难以整合、维度不统一、数据采集冗余、归一化等应用局限性。图 全域、全要素国土空间数据 总体架构针对以上维度所需要整合的国土信息数据资源体系，本文提出了海量国土空间信息结合自然资源业务要素的高效多源异构数据融合应用体系，在分布式关系型数据库、分布式非关系型数据库以及分布式文件系统引擎的支撑下，快速实现大规模国土空间数据资源高效建库融合和原子级空间分析。利用 处理自动化（）技术将国土空间数据处理、入库、管理、分析、应用等业务流程按需进行算子编排。国土空间融合存储以二三维一体化 技术为基础框架，按照现状数据、规划数据、管理数据、社会经济等类别，将覆盖城乡、地上地下的基础测绘成果、国土调查成果、地理国情普查成果、矿产资源调查成果、各类规划成果以及社会经济大数据等与国土空间相关的数据进行汇聚，利用地形级矢量、影像、地形、地质等数据，城市级倾斜摄影、激光点云等新型测绘数据，部件级、精模等精细化数据的无缝接入，不规则四面体网格和体元栅格等 场模型对物联网 互联网数据的具象化表达，通过 技术手段将上述不同采集形式、数据结构的信息进行统一融合，形成覆盖全域、全要素的相互关联、相互衔接、相互协同的自然资源一张图。根据开源及国产化数据库系统的特点和优势，结合国土空间异构时空数据类型，国土空间基础数据宜采用差异化的存储机制来进行高效数据管理，如图 所示。基础库针对未切片的国土空间基础地理信息数据，基于 数据引擎管理。它以集群方式进行分布式存储，具有横向扩展能力，是开源 数据库集群，具有足够的灵活性来处理不同的数据库任务。数据库通过集群进行数据库的分库分表来存储管理海量国土空间信息数据，并利用空间索引分区技术，实现快速查询。例如在国土空间基础信息管理中，空间数据引擎支持单图层亿级对象（矢量数据，）的高效存储以及秒级响应交互。缓存库可基于 数据引擎机制管理，主要用来存储国土空间信息生成的栅格瓦片、矢量瓦片及三维瓦片（）等自然资源海量数据，为国土空间信息基础数据仓库建设提供技术支持。其中，矢量瓦片主要为 格式，三维瓦片（）为开源的三维瓦片存储规范，也可以进行矢量点线面的存储，内置 扩展支持空间索 测绘与空间地理信息 年引和空间查询。图 国土空间信息存储机制 主题库可基于 数据引擎机制管理，国土空间信息管理支持通过空间数据库引擎直接将矢量数据（如、等）导入导出到 中，同时将存储的矢量数据注册到云 服务器的数据目录服务中，可为国土空间基础信息平台中各个应用子系统提供基础数据源服务。支持非结构化空间大数据的存储，主要用来存储更新较少的存量数据。在国土空间基础信息平台中，基于 数据库可实现亿级记录的存储和索引。模型库可基于 数据引擎机制管理，具有超高效的数据读写能力。支持国土多源数据存储，包括栅格数据（如）、矢量数据（如 、等）和各种文件数据。基于 数据库实现了时空数据的高性能存储，如在实际用于中，支持矢量数据 亿条线与 亿个面的迅速存取。支持 、等多种空间坐标系，为海量国土空间数据统一时空基准问题提供技术支撑。动态库可基于 的数据引擎管理，主要用来进行国土空间各类流数据的高效存储，提供了分布式多用户能力的全文搜索引擎，主要应用于云计算环境中，能够达到海量动态物联网数据的实时搜索、稳定、可靠、快速的功能需求。基于，国土空间基础信息平台可实现数十亿规模的轨迹数据实时生成聚合图，广泛应用于规划、自然资源等各个业务领域。国土空间融合分析基于上述完整的模型体系，国土空间基础信息平台可实现对现实城市的全空间数字化表达，在此基础上，需要高效的城市计算能力来挖掘数据背后的价值，实现对区域内人流、物流以及事件流的分析计算，为城市管理及决策提供科学支撑。平台提供海量国土空间计算因子，如图 所示，包括二维空间分析、三维空间分析、智能运算以及复杂空间运算。图 国土空间数据分析体系 第 期武梦瑶等：国土空间多源时空数据融合关键技术研究与应用 传统二维空间分析主要是指对城市地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息进行分析计算的过程，主要包括空间统计分析、矢量分析、栅格分析以及网络分析等。利用该二维空间分析算子，为城市规划如学校、商场、交通站点选址，交通出行，住宅区采光效果及噪声影响，以及面临地震、洪水、泥石流、山体滑坡以及交通破坏等灾害事件时应急决策制定提供科学决策支撑。然而，随着城市海量数据的指数型暴增，平台可通过内核计算与分布式计算一体化的高性能计算模型，从内核扩展了 空间数据模型，构建了多层次多粒度的大数据 分布式计算框架，提供了的城市级经典空间数据的分析算子，主要包括矢量大数据算子和栅格大数据分析算子等。此外，平台可提供人工智能领域的空间机器学习、空间深度学习以及空间统计学相关的多类智能分析算子，主要包括遥感图像处理、空间数据处理、时空分布预测、轨迹分布与空间优化以及扩展新的分析模型等，为基于多源异构时空数据的城市价值信息挖掘提供了更加广泛、更加智能高效的应用，广泛应用于生态环境、国土资源、城市应急、旅游资源、农林资源等等相关领域。在现实应用中，往往是各类典型的复杂国土空间应用场景，将多算子按需组装、综合计算、输出最终结果。因此，将平台提供的二维空间分析、三维空间分析以及大数据分析、人工智能分析等类型的海量算子按需灵活编排，以满足复杂业务场景，如规划红线、用地决策、通风廊道、生态敏感性等业务需求。国土空间融合应用国土空间基础信息平台可提供处理自动化（）服务，利用可视化算子组合工具，用于构建国土空间时空数据处理工作流。处理自动化模型用于对空间分析和数据管理流程进行自动化运行、处理并记录。服务可创建并修改处理自动化模型，其中，模型表示为将一系列流程和地理处理工具串联在一起的示意图，并将一个流程的输出用作另一个流程的输入。此外，所有工具提供，方便开发与扩展，同时可创建自定义工具。处理自动化工具解决了多种空间分析与处理算子串连使用、内存共享的难题，推动了国土空间各类数据应用可以对领域模型进行自定义化的构建和跨系统的流转。耕地质量分析近年来，耕地质量分析在国土资源行业中的出现频率越来越高。通过 建模工具进行耕地质量等级评定分析，可以为耕地进行综合治理提供科学高效依据。在国土空间基础信息平台中，工具为耕地质量分析功能提供了叠加分析等预定义工具，而调查分析业务计算和耕地质量等级情况分析等工具则根据耕地数据的实际情况和运算要求进行自定义的扩展开发。为了提升分析性能，平台还能扩展开发自定义的数据库读取工具，与预定义的根据索引构建 等工具相衔接，将数据库的数据读取并转化为地理分区要素数据集（），这种经过分布式计算优化过的数据集格式，能够显著提高大数据的计算性能，高效进行千万级及以上的矢量叠加运算。同时，利用新增的高性能内存缓存机制，使用缓存 数据集等工具对中间结果进行内存缓存，避免数据落盘和冗余，分析性能得到进一步提升。通过扩展开发的自定义工具与预定义工具共同参与业务模型的构建，互相衔接，最终完成整个耕地质量分析流程。退道路红线分析道路红线是城市道路规划中一项核心规则，各项目建设需严格遵守。依照国土空间规划相关规定，红线范围内不允许规划永久性建筑，沿街建筑结构如阳台、外墙、楼梯等立体对象不能占据道路的立体空间。平台支持将道路红线拉伸构建为实体模型与建筑模型进行布尔运算，不但能判断建筑物是否超侵占道路，而且能够准确计算出超限部分的面积与体积。通过道路红线结合退线距离进行缓冲区构建，基于缓冲区的面进行线状拉伸生成基于体对象的控规盒子，再与沿街对象做三维空间关系判断，就可以判定哪些建筑不符合规则，可以高效应用于城市规划与建设领域快速自动审查。研究实践研究以石家庄国土空间基础信息平台建设为对象，针对以往土地、矿产、水、湿地、森林等自然资源分头管理的过程中，存在的数据标准不一、质量不齐，信息系统相对独立、架构不一、缺乏关联等问题，在 各类产品技术支持下，按照上述研究的数据管理体系中的关键技术，将数据获取成果包括 面积的 分辨率正射影像、全要素 数字线划地形、地名地址数据、国土空间业务数据（包括现状数据、规划管控、管理数据、社会经济数据等，共计 类）等汇聚，对自然资源现状与规划数据、业务系统中的自然资源管理类数据等进行统一治理，形成了全域全要素的二三维一体化数字孪生底板，实现了完整、准确、实时的自然资源一张图。在此基础上，将海量空间分析算子进行整合与封装形成丰富的算子库工具集，通过基于地理处理建模工具形成一站式服务。基于国土空间规划编制成果，将容积率、建筑密度、绿地率等开发强度指标，根据指标要求数字化转译为分析算子，编排组成模型，扩展为边界型、指标型、结构型、位置型、名录型等多类模型库，在项目选址、用地报批、规划许可和规划核实等环节植入智能审查算法模型。此方法广泛应用于自然资源开发利用、国土空间生态修复、自然资源调查监测、耕地保护、国土空间规划等 大类业务，根据不同的分析场景调用异构数据和算法模型，高效实现了具有无人值守、触发式分析、自动导出等特点的业务全流程一体化。（下转第 页）测绘与空间地理信息 年定图层追加至输出数据库下的同名图层 标识码字段自动递增填充利用全局变量 作为计数器，步长为 即可实现标识码字段名的自然数填充。在 语句中定义（）为计数函数，利用赋值给标识码字段名来实现。调用的 语句如下：（）：（）：标识码字段名（）调用 实例应用 数据分析第三轮矿产资源规划数据库建设工作中经常需要批量合并不同行政区划的成果数据，各地的成果数据文件名、图层名前缀含有行政区代码。如果人工依次合并，采用的方法一般为 平台的通用导入、导出功能，或是 目