新型基礎測繪與時空大數據平臺建設的思考

◎ 自然資源部國土測繪司司長 武文忠

為什么推行新型基礎測繪？如何構建新型基礎測繪體系？新型基礎測繪“新”在 哪里？切入點是什么？新型基礎測繪產品應該具備哪些特點？新型基礎測繪與智慧城市建設有何關系？日前，在智慧平頂山時空信息云平臺建設國家試點項目成果匯報會上，自然資源部國土測繪司司長武文忠圍繞新型基礎測繪與時空大數據平臺建設作了專題報告，詳細解答了這些問題。本期《特別關注》欄目特將武文忠司長的專題報告摘要刊出，以饗讀者。

一、為什么要推進新型基礎測繪？

測繪是對自然資源、自然地理單元及人工設施的空間位置、形狀、大小、面積及其屬性進行測定、表達的科學和技術。通俗地說，測繪就是對事物在哪兒、是什么、向哪兒去這三點進行表達的一門科學和技術，實際上是在獲取事物的數據。政府決策、百姓生活等等，都需要數據來支撐，而幾乎所有的數據都是通過測繪手段獲取的，可以說沒有測繪，就沒有數據。

（一）基礎測繪

按照性質劃分，測繪分為基礎測繪和商業測繪，或者說是市場測繪。測繪資質單位通過市場承包方式，對項目、工程進行施測，上交成果，這一部分屬于市場測繪行為。而另外一部分由國家統一規劃、國家公共財政支持，屬于法定性的基礎測繪。

《中華人民共和國測繪法》（2017 年修訂）第三章第十五條規定：“基礎測繪是公益性事業。國家對基礎測繪實行分級管理。本法所稱基礎測繪，是指建立全國統一的測繪基準和測繪系統，進行基礎航空攝影，獲取基礎地理信息的遙感資料，測制和更新國家基本比例尺地圖、影像圖和數字化產品，建立、更新基礎地理信息系統。”

這段內容可以概括為三個層次，即“三基”：第一是建立國家測繪基準；第二是進行國家基礎航空攝影；第三是建成國家基礎數據庫，或者叫國家基礎地理信息數據體系。

我國基礎測繪經過幾代人幾十年的努力，取得了長足發展，為國民經濟和國防建設提供了強有力的服務保障。

（1）國家測繪基準

國家測繪基準主要有平面基準、高程基準和重力基準。

什么是國家測繪基準？在平時生活中，很多人都知道，鄭州在平頂山什么方向，相距多少公里，但距離是如何確定的，可能沒有仔細考慮過。使用手機軟件時，經常會要求使用用戶的位置信息，這個位置信息，就是用戶所在位置的坐標。坐標從何而來？實際上就是通過國家測繪基準推算出來的。

國家測繪基準的作用是什么？舉個例子來說，被子里面是網套，做被子要先用線打很多格子，利用這些格子將棉花固定起來，才能形成一個網套，被子才能蓋。基準，就是用線繃起來的那些格子。若想獲取任意一點的坐標，需按照一個相對均勻的方式建立若干個點，將這些點的位置固定，然后通過這些點推算其他點的坐標。這些點，就是國家的平面基準，是全國衛星導航定位基準站所在的點。

全國衛星導航定位基準服務系統于2017 年5 月建成啟用。該系統以420 個國家級衛星導航定位基準站為骨干，包括2716 個省級基準站，形成了覆蓋全國的衛星導航定位服務“一張網”，可以提供覆蓋全國的米級、分米級、厘米級導航定位服務。

全國范圍內還建設有4503 點規模的國家衛星大地控制網，是國家平面基準的加密，替代原有天文大地網，實現國家大地坐標框架傳遞，滿足各類工程應用。

空間坐標有三個方向，平面基準解決平面上的x、y坐標，z方向指的是高程基準。我們都知道珠穆朗瑪峰的海拔是8844.43 米，那么，這個海拔指的是什么？實際上，就是基于黃海的平均海水面，推算出水準原點的高程，我們把它叫作1985 國家高程系統，以這一水準原點為高程起點，可測量其他點位的高程與海拔。

我國目前已經構建了國家高等級水準網，包含全里，實現全國范圍高程基準成果的更新與傳遞，以這些一等水準點為最高水準的起算點，均可推算其他點位的高程。我國還于2000 年完成全國大地水準面，精度達到分米級（30 ～60cm）；2003 年至今完成區域大地水準面精化，精度達到厘米級（5 ～10cm），解決了導航定位技術直接獲得地面海拔高程問題，已逐步替代低等級水準測量。

此外，我國還建設了2000 國家重力基準網，有71 個國家重力基準點、126 個國家重力基本點，精度基準點優于5 微伽、基本點優于10 微伽。

國家重力基準網的構建對我國經濟建設和國防建設有著重要作用。地球內部物質密度不一，對物體的吸引力不同，同樣的物體在地球不同的地方重力不一，即重力加速度g 值不一樣。通過測算地球上不同點的重力加速度g 值，就能夠反映出地球內部物質的密度，進而推算地球內部的礦產資源。再比如，衛星時刻受到地球引力作用，若要維持衛星軌道的精度，就需要有精確的重力做支撐。

（2）基礎航空攝影

如果要了解城市的違法用地、違法開礦等，可以通過高清影像進行監督，這些基礎影像就是國家基礎測繪工作中的一個重要組成部分。

我國的基礎航空攝影分辨率可以達到0.02 米，也就是說，地面上2 厘米大小的物體，就可以通過影像平臺監測到。數字航空攝影手段主要包括無人機數字航空攝影、高精度機載三維激光探測與測距（LiDAR）、傾斜航空攝影、機載合成孔徑雷達（SAR）等，航空影像分辨率高，但是效率較低，如果要大范圍進行監測，則需要通過衛星進行周期性的全覆蓋。近年來，我國通過發射高分衛星系列、資源衛星系列等，不斷提高地面分辨率和時間分辨率。目前，我國衛星的地面分辨率可以達到0.5 米。時間分辨率，即衛星飛行過程中，對同一地區的覆蓋周期，亦叫重返周期，周期越短，時間分辨率越高，就越能及時發現地面變化情況。

目前，我國每年大約可獲取50 萬～100 萬平方公里的航攝影像數據，2 米左右分辨率的衛星影像數據可對全國陸地實現3 ～4 次覆蓋。此外，2015 ～2019年間采購高分辨率衛星影像約370 萬平方公里。

（3）基礎數據體系

我國通過分級或者分尺度、分比例尺來建設基礎數據體系。中央財政負責1∶5 萬比例尺的基礎數據建設，省級財政負責1∶1 萬、1∶5000 比例尺的基礎數據建設，市級財政則負責1∶2000、1∶1000、1∶500比例尺的基礎數據建設。比例尺越大，數據越精細，這與國家城市管理尺度相匹配。國家層面是宏觀性管理，數據的比例尺相對較小；省級層面進入中間的管理程度，數據相對精細；市縣層面屬于精細化管理，數據的比例尺就要更大一些。

目前，我國通過1∶5 萬數據庫動態更新、西部測圖、海島（礁）工程等，已經實現1∶5 萬比例尺數據全國陸地范圍全覆蓋，距我國大陸80 海里范圍內海域以及西沙群島和南沙群島海域的數據全覆蓋。

1∶5 萬數據庫動態更新任務范圍是760 萬平方公里，合計19150 幅，在全國范圍內實現了1∶5 萬數據庫一年一更新，使1∶5 萬數據的現勢性由5 年提升到1 年，實現1∶5 萬數據庫由定期更新向動態更新轉變。

西部測圖工程，任務范圍是200 萬平方公里，合計5035 幅，我國西部約20%陸地國土面積的1∶5 萬數據“從無到有”，1∶5 萬數據實現覆蓋我國全部陸地國土。項目于2011 年8 月通過驗收，對外發布1∶5萬數據庫成果。

海島（礁）工程由原國家測繪地理信息局牽頭，原總參測繪局、原國家海洋局、海軍司令部航海保證部共同組織實施，一期工程于2009 年開工建設，2014年1 月竣工，合計9 幅。

（二）存在的問題

基礎測繪成果雖然持續更新，并逐漸豐富化、精細化，但仍然存在一些問題。

（1）基礎測繪成果不好用

一是數據標準執行的還是紙質地形圖的標準，并非數字化、信息化時代的標準。

二是基礎測繪成果每次使用，都要重新進行對象化、實體化處理。按照不同的比例尺，地圖都是分幅的，一幅一幅覆蓋。全國1∶5 萬比例尺地圖要分24000余幅，才能覆蓋全國陸地范圍。一幅地圖不能完整表達一個地面實體，比如，黃河分散在各個圖幅當中。實際空間表達時，黃河是一個完整的實體，但在地圖上表達時，則把黃河拆分成若干個不同的段。即便將數據數字化，建成數據庫，計算機也不懂得這些不同的段就是一條完整的黃河。這種情況下，如果要計算黃河長度，就需要將黃河實體化，把分散在不同圖幅里不同段的黃河連接起來，告訴計算機這些不同的段是一個整體，然后計算機才會計算出黃河長度。由此可見，基礎測繪成果都是以分組分段形式分散在不同圖幅里，每次使用都需要進行實體化處理，增加了許多工作量。

三是五和十進制的比例尺不適應計算機縮放和統計分析。1∶5 萬、1∶1 萬、1∶5000、1∶2000……這些比例關系都是5 或者10 的倍數，這是因為以5 和10 作為比例，人腦最易計算。比如，1∶1 萬在地圖上是1 厘米，在實地就是1 萬米，非常便于人腦計算。但是如今，電腦是二進制，按照2 的倍數來算，把1變成2，把2 變成4……對于電腦來說計算最為方便。在信息化時代，五和十進制的比例尺已經不適應電腦運算。

四是多尺度分級造成重復測繪。國家、省級、市縣，同一個地理實體要測三次，重復測繪造成財政投入的重復浪費。

五是基礎測繪成果的要素分級分類標準與自然資源登記管理的標準不一致。

（2）生產組織結構不適應

一是測繪技術與互聯網、大數據、人工智能等高新技術的深度融合，測繪專用技術趨向消失。二是當前的基礎測繪技術體系基本上還是以3S 為代表的上一代技術為架構。三是當前的基礎測繪生產組織基本屬于3+4 結構，即以3S 做分工、以4D 成果為目標。四是基礎測繪管理體制強調了“分級”、忽略了“統籌”，國、省、市縣數據難以共享，做不到協同更新和服務。

（三）升級轉型

2018 年3 月，根據國務院機構改革方案，原國家測繪地理信息局的職能全部融入自然資源部，測繪在體制與機制上發生了重大變革，測繪的服務模式已由原來面向全社會的“普適性服務”，轉化為“圍繞中心、全面服務”的方式 。

2019 年1 月，陸昊部長在全國自然資源工作會議講話中明確提出：“加快基礎測繪轉型升級，增強測繪地理信息公共服務能力，促進地理信息產業高質量發展。”

構建新型基礎測繪體系從技術邏輯和行政邏輯上都成為我們的必然選擇，這是在新時代、新形勢、新任務、新需求下必須要完成的目標。

二、思考與探索：如何構建新型基礎測繪體系？

國際通用概念下，新型基礎測繪體系應該包括產品體系、技術體系、組織體系和政策標準體系。過去一段時間，我國在新型基礎測繪方面做了很多試點，但也存在一個認識盲區：用新技術測制“舊成果”，實際上是“新瓶裝舊酒”。

現有的新型基礎測繪試點工作，是采用新技術生產傳統的基礎測繪成果，只是用更新的技術，更有效率地生產成果，但這并非新型基礎測繪體系。要構建新型基礎測繪體系，必須對產品體系、技術體系、組織體系和政策標準體系進行全面創新。技術體系、組織體系、政策標準體系是支撐性、保障性體系，最終目標是要完成產品體系的創新。因此，要實現四個體系的全面創新，必須抓住一個切入點，即以產品模式轉型升級帶動技術體系、組織體系、政策標準體系的創新和轉型。

那么，應如何創新產品體系？以上述基礎測繪成果存在的問題為導向，新型基礎測繪產品應具備以下特點：

一是實體化：以獨立地理實體為對象，突破地圖分幅和投影的限制，由原來的按要素劃分轉變為實體化劃分。

二是三維化：線劃數據三維化，三維數據實體（單體）化+實景化。

三是非尺度化：不同實測精度數據的集成，取消或模糊比例尺概念。

四是非結構化：在屬性信息的表達上，引入大數據的理念，盡量保持其豐富度和原始狀態。結構化數據，即對原始數據按照一定規則進行加工后的數據，使用起來方便快捷，但最大的缺點就是損失了很多信息。非結構化數據就是指數據的原始狀態，保留了信息的原貌。

五是全空間覆蓋 ：由陸地向海洋、地下、水下延伸。

針對上述五個特點，可以進行產品模式設計，在地理實體模型的基礎上，實現多源、不同精度地理實體數據的整合；以地理實體及其空間身份為索引，掛接集成三維線劃、多種影像、三維模型等多樣化數據；構建“分布式存儲、邏輯式集中、一站式服務”的國家、省、市縣多級地理實體基礎時空數據庫系統（非尺度的地理信息數據庫）。

要通過實踐不斷地探索、完善產品模式設計，可以在全國開展分級試點，選擇原有基礎較好，且對新型基礎測繪構建工作有充分認識的省、特大型城市和中小城市，在構建思路的某一個方面或某幾個方面開展試點工作，研究地理實體定義與概念、粒度與編碼、精度與技術、政策與標準、服務與方向等問題。

在相關技術支持單位的指導下，各試點單位要在批復的試點方向上，按要求開展示范工程建設，并及時總結凝練試點建設的經驗和成果，研制新型裝備，構建技術體系，完善標準規范，形成可復制、可借鑒、可推廣的經驗和模式，為全國新型基礎測繪建設奠定基礎。

今后五到十年的時間，將爭取通過全球化、一體化測繪基準體系構建，海洋測繪工程、實景三維中國建設，國家地理實體時空數據庫建設等國家專項工程推動新型基礎測繪目標的實現。

三、新型基礎測繪與智慧城市

（一）時空大數據平臺和智慧城市的關系

目前，我國的智慧城市建設如火如荼，但是智慧城市究竟該怎么建？仁者見仁，智者見智。建設智慧城市，有些關鍵點，各方應該形成共識。

首先，一個智慧體必然具有發達的“大腦”。否則，何以談智慧體？比如，一個人如果無腦，還能是一個完整的人嗎？還能成為一個智慧的人嗎？

其次，一個發達的大腦必須要有敏銳精確的“空間感”。青少年往往動作敏捷，反應迅速，是因為這個時期的人大腦空間感最強；人慢慢老去，走路逐漸不穩，也是因為空間感在逐漸變弱。因此，一個智慧體的“大腦”，肯定要有精確的“空間感”。

再次，大腦的“空間感”來自其中的“定位器”。人天然能感覺到，信息、事件發生在身體的哪一個部位，這是因為大腦當中有一個天然的“定位器”。而智慧城市大腦的“定位器”是什么？就是“時空大數據平臺”。“智慧平頂山”就是從時空大數據平臺開始建設，先建立起“大腦”的“定位器”，讓它有精確的“空間感”，這個智慧體才是一個有生命力的主體。

通過分析可以得出結論，無論通過何種路徑建設智慧城市，都必然要建設“時空大數據平臺”，否則這個城市會得“腦癱”。如今，有些城市就出現了這樣一種現象，或者是一種隱患，即重視智慧城市的“四肢”建設，找網絡公司，建網絡、通信系統等，但是并不注重對城市“大腦”的建設，不重視對城市“大腦”空間定位器的建設。事實上，沒有定位器，沒有時空大數據平臺，這些建設充其量就是“四肢發達、頭腦簡單”，甚至是空談。

當然，也有一些城市認識到了定位器的重要性，但是并不明白定位器該由誰來建。實際上，國家在時空數據領域已經形成一套完善的法律法規體系，基礎測繪是自然資源部門的法定職責，對基礎測繪成果的管理和使用，國家也有明確的法律規定。因而，智慧城市建設，也要依法行政。

（二）基礎測繪成果與智慧城市時空大數據平臺

智慧城市時空大數據平臺實際上由兩部分數據構成，即基礎測繪成果和專題、感知、抓取等大數據。基礎測繪數據是其他數據的基礎，其他數據是整合或者搭載在基礎測繪數據上的，兩者不在一個層次，也并非并列關系。如果缺少某一個專題數據，比如礦產數據，是缺了一個洞，但是如果缺少基礎測繪數據，則是缺了一整個“底板”。

時空大數據平臺的數據，是在以基礎測繪成果為空間定位的前提下，整合疊加其他專題數據、城市感知數據、抓取大數據等構成的。在自然資源調查監測體系的構建方案里，亦明確提出要以基礎測繪成果為依托，以地理、數字高程模型為基底，以高清影像為背景，來構建自然資源調查監測體系。

因此，我們要在打好基礎測繪這一前提下，通過智慧城市時空大數據平臺建設，服務自然資源管理和城市高質量發展，解決好面向應用的“最后一公里”問題 ，形成可借鑒、可復制、可推廣的經驗和示范。要提供“一套數據”+“一個平臺”，構成全市“一個底板”，建立投入機制、更新機制、共建共享機制等長效運行保障機制措施。

目前，全國已遴選55 個試點城市，其中11 個試點城市已經完成建設并驗收，形成了部分典型應用。

新型基礎測繪成果可以服務國土空間規劃，實現國土空間數據一張圖管理，跨部門聯動共享；快速監測土地利用變化，原來1 到2 名專家需要耗時3 個多月才能人工提取變化情況，如今，僅需短短幾分鐘機器自動化處理即可完成，不僅大大提高了變化發現的效率，還將國土監察模式由事后處罰轉變為事中干預。

基于新型基礎測繪成果，可以服務城市“兩違”查處，構建城市“兩違”監管平臺（違法用地、違法建設），提供一張包括時間、位置、面積、照片、違法違章人等信息的檢查圖，快速精準地發現“兩違”信息。

扶貧指揮部門利用新型基礎測繪成果，將扶貧機構、扶貧對象和扶貧項目進行空間化，并結合人口、企業、車輛登記等信息，聯動挖掘，解決了扶貧精準化問題。

商務部門利用新型基礎測繪成果，構建智慧物流平臺，實現商貿物流的狀態信息、路線規劃、店鋪實景等綜合管理，為物流科學布局、優質服務等提供決策支持。

城管部門利用新型基礎測繪成果，構建城市管理系統，將城市各類部件信息的實時狀態疊加到基礎數據之上，實現城管信息和指揮的可視化、立體化，提高城管監察的時效性和精準性。