面向國土空間規劃的地理實體數據庫關鍵技術研究

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

建立全國統一、責權清晰、科學高效的國土空間規劃體系，整體謀劃新時代國土空間開發保護格局，科學布局生產空間、生活空間、生態空間，是加快形成綠色生產方式和生活方式、推進生態文明建設、建設美麗中國的關鍵舉措，是建設美好家園的重要手段，是保障國家戰略有效實施、促進國家治理體系和治理能力現代化的必然要求。地理實體關系是語義表達地理信息的重要方式，包括地理實體語義關系和空間關系[1]，因此，地理實體是國土空間規劃時空信息的高效載體和聯結紐帶，地理實體數據具有面向應用對象分類、易于機器標準化解讀、具有標準化聚合與組合的結構特點，滿足無級制圖、按需組裝產品的需求，是適應大數據、云計算、物聯網新時代高效的地理信息數據組織形式。

原有支撐各類國土與空間規劃的基礎地理信息數據，仍沿用以“3S+4D”為基本特征的技術模式，時空地理信息集約生產與整合存在難題，二是新時期國土空間規劃需統籌整合跨部門相關專題信息，而以往條塊化管理下普遍存在數據多源異構、屬性語義不一、時空基準不同等問題，空間分析與決策局限性較大，三是各層級國土空間規劃有不同層次、不同尺度、不同維度、不同業務規則的測繪地理信息服務需求，多業務應用數據庫與地理實體數據庫存在聯動更新與共享服務難的問題。因此，開展面向國土空間規劃的地理實體數據庫關鍵技術研究，具有重大的實踐意義。

2 總體思路與技術路線

研究瞄準建立國土空間規劃體系的國家戰略目標，綜合國土空間與城鄉規劃管理的地理實體分類與對象化需求，以地理實體集約生產→時空信息高效聚合→專題服務智能定制為主線，重點研究地理實體時空數據集約生產與管理技術、基于優化網格的地理數據二三維坐標自動轉換技術、一體化精準化的地理實體時空信息服務技術，建設面向國土空間規劃全周期管理的地理實體時空專題數據庫，構建一體化、精準化的國土空間規劃時空信息服務，充分發揮測繪地理信息對國土空間規劃管控的技術支撐作用。總體技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術路線

3 關鍵技術

3.1 國土空間規劃地理實體的編碼方法與表達模型

(1)地理實體的編碼方法

地理實體編碼是地理實體唯一的身份編碼，是實現地理實體與其他信息關聯的基礎，編碼具有唯一性[2]。地理對象定義和劃分是復雜的，目前地理實體對象編碼尚未有統一的解決方案。文獻[3，4]設計了多種編碼方案。以建筑物地理實體編碼為例，傳統方法存在以下問題：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據編碼與存儲，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劃代碼編制，編碼隨行政區劃代碼變化而變化，極不穩定。研究提出一種基于GeoHash[5]20位數字碼編碼方法，該方法融合建筑物的空間位置、建筑形態、建設時間等時空信息，克服了傳統建筑物地理實體編碼結構復雜、信息單一、穩定性差等缺點，編碼規則如圖2所示。

圖2 建筑物地理實體編碼規則

建筑物的空間碼基于Geohash編碼，與傳統坐標浮點計算相比，在區域劃分、空間索引和鄰近點查詢方面具有較大優勢，即使在海量數據中速度表現也非常優異。根據上述算法，當剖分編碼n次時，緯度/經度左(右)區間長度分別為dB(n)、dL(n)，公式為：

(1)

(2)

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

時間碼為4位，代表編碼單元對應的建筑物竣工的年份信息。類別碼為1位，代表編碼單元對應的建筑物形態。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。此外，也可以增加建筑結構類型碼；其他的如房屋名稱、幢棟號、房屋坐落、使用期限、地上層數、地下層數、建筑高度、基底面積、總建筑面積、各功能總套數、批準的建筑物功能、各功能建筑總面積、勘察單位、設計單位、施工單位、建設單位、有無裙樓、裙樓層數等國土空間規劃關心的信息，則以信息的形式關聯于該碼中。

(2)嵌套式組件化的地理實體表達技術

傳統的各種地理信息系統為了滿足符號化制圖及地理信息管理要求，需要針對性設計大量的輔助點、線、面等專有定制數據，形成數據冗余，給數據分析和跨平臺轉換與應用帶來障礙。基于地理實體編碼，研究提出了嵌套式組件化的地理實體表達方式，基于“符號嵌套式組件化”的技術思路，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”，使用地理實體聚類組合定義信息，引用其嵌套組合邏輯關系，并應用在地理實體編碼中，實現了地理實體動態符號化組織，克服了地圖表達與數據分析的矛盾以及跨平臺數據無損轉換的難題。

3.2 地理實體時空數據一體化生產技術

(1)基于“空天地”一體化的多源地理實體數據采集方法

批量新增數據采用傾斜攝影、激光雷達和地理實體外業采集App相結合的“多源采集”的方法，以地理實體為基本采集單位，多方位采集院落、建筑物及相關要素的地理實體幾何、紋理、類別、屬性等信息，以及與之相關聯的各類社會經濟和人文信息，采集成果整體性好、精度高、紋理真實、細節豐富，對于數據的實地補充調查核實，研究專門的地理實體數據采集移動端，基于地理實體唯一編碼多源地理空間數據融合，實現了面向地理實體對象的多源數據匯聚融合。地理實體數據采集移動端界面如圖3所示。

圖3 地理實體數據采集移動端

(2)存量數據多層級信息映射規則的時空信息聚合、重構與轉換

存量國土空間規劃數據，包括各期各類規劃數據，規劃條件核實、不動產、人防專題測繪數據，以及其他測繪數據，研究多層級信息映射規則的時空信息聚合、重構與轉換技術，通過對多源異構數據的統一轉換，采用面向對象的時空數據模型，對轉換后的數據進行重組，對每個地理實體要素賦予唯一標識，并將包括時間屬性在內的屬性進行封裝，建立以地理實體為中心的空間、時間和屬性特征聚集，實現時空信息的一體化組織。數據結構解析與信息抽取如圖4所示。

圖4 多源異構數據結構解析與抽取

實體匹配是地理空間數據融合的關鍵技術，有文獻[6，7，8]采用從文本中抽取確定實體語義關系、語義切分的名稱等匹配方法，本研究考慮對象的特征差異，設計相應的匹配算法。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，r(A，B)表示對象A、B的空間關系，通過實體的緩沖區重疊面積計算進行衡量。ω1，ω2，ω3為權重值。其中s(A，B)語義相似度衡量指標計算公式如下：

(4)

式中，N為屬性數目，simAk是第k項屬性值的相似程度，ESWAK為第k項屬性的權重。針對國土空間規劃相關的不同年份的地理信息，定制每類地物ω1，ω2，ω3權重值字典表，定義每類地物的1-N項屬性的權重字典，通過優化試驗，取得較好的匹配效果。匹配度閾值以下的數據需要進一步人工干預匹配。

3.3 一體化、精準化的地理實體時空信息服務

(1)新型服務模型DM(R)VC

在當前Web開發技術中，MVC架構[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架構時都難免出現控制器臃腫的問題。結合規則引擎、多層架構、MVC架構的基礎上，研究提出DM(R)VC服務模型：D為數據訪問(Data Access)層，M為模型(Model)層，R指規則引擎(Rule Engine)，V為視圖(View)層，C為控制器(Controller)層。DM(R)VC服務模型如圖5所示。

圖5 DM(R)VC服務模型

遵循高內聚低耦合設計原則，在數據訪問層加入規則引擎技術，在面向行業應用的專題數據服務中使用該規則引擎，基于國土空間規劃地理實體數據倉庫，根據不同的應用需求，智能抽取、適配及組裝，將結果存入各專題應用數據庫，向下支撐數據訪問層，向上服務模型層。

(2)多源動態一體化實體數據聯動更新

實體數據本身帶有全球唯一標識碼，在時間維上，將無序的更新業務，統一成先后有序的更新事件，在空間維度上，按緩沖區疊加多層次分析結果，從實體幾何類型、尺度特征、特征差異、更新類型等方面定義變化信息邏輯關系，指定并記錄數據庫中需要更新的區域，提供選擇下載功能，下載更新區域數據修補測后回傳數據庫至相應更新區域，數據下載和編輯過程中，系統自動記錄要素的“出庫時間”，“修改時間”；數據入庫時，根據對象“修改時間”和“出庫時間”等信息進行檢測，判斷地物是新增、刪除或修改，實現要素級的更新入庫。

4 地理實體數據庫應用

基于上述關鍵技術，“空天地”一體化數據采集，制作實景三維數據并單體化，對各期規劃數據，規劃條件核實、不動產登記、人防驗收測繪專題數據進行數據篩選、抽取，依據定義的地理實體編碼規則以及嵌套式組件化結構規則，進行地理實體編碼與信息關聯融合，從而形成面向國土空間規劃的三維實體數據；同時結合外業調查進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體數據，進而建立二三維地理實體數據庫；對于已有存量DLG數據，應用數據多層級信息映射規則的時空信息聚合、重構與轉換關鍵技術，關聯篩選抽取后的各專題數據，統一編碼，可以獲得二維地理實體數據。數據庫應用新型服務模型DM(R)VC及實體數據聯動更新技術，從而構建地理實體數據標準→地理實體時空數據一體化生產→數據庫、平臺、可視化→時空信息應用服務。地理實體數據生產建庫如圖6所示。

圖6 地理實體數據生產建庫框架圖

國土空間規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、建筑物戶單元設計為四級包含關系的地理實體，各實體是向上匯總的關系；其中二維建筑物實體的空間數據采用外圍輪廓線方式表達，與傳統DLG的有差異；幢/層/戶三維數據采用不動產登記測繪生產的真實三維白模數據，切割方式生產的三維實景建筑物單體數據并行關聯幢實體數據，二三維、實景與白模數據可實時聯動應用。

在地理實體的空間表達方面，建筑物戶實體，按上述建筑物地理實體編碼方法編制唯一實體標識碼。戶實體由戶的各圖元構成，飄板、雨棚等不影響規劃經濟技術指標的，不設圖元，各圖元也同理由計算自動編制唯一標識碼，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，在二維數據中采用的是面狀圖元，在三維數據中采用的是體狀圖元，同理，層、幢實體也是由層、幢各圖元構成；戶、層、幢實體在空間上是純包含關系。

地理實體屬性信息，仍按關系數據庫表進行屬性信息組織，信息關聯唯一的地理實體標識碼。按上述設計的地理實體數據庫，能夠廣泛地應用在市級國土空間規劃實踐中，相比傳統數據，能夠面向應用更加準確、快速、便捷，指向性靈敏，以珠海市香洲區中心城區為例，建筑容積率、密度、高度等用地與建筑物區級專題統計如圖7所示。

圖7 用地與建筑物區級專題統計(高亮區域為高熱力地區)

對院落用地分布、用地功能、綠地率，建筑物批準與實際的功能、公共設施等信息進行專項分析統計，評估國土空間開發現狀，公共服務設施的布局情況和土地開發強度，各類用地規劃經濟指標統計分析如圖8所示。

圖8 各類用地規劃經濟指標統計分析

進而進行土地資源評價，結合引入的經濟發展數據、政務人口統計數據、手機信令及相關熱力數據，進行資源環境承載能力和國土空間開發適宜性雙評價，根據城鎮空間、農業空間、生態空間三種類型的空間，科學輔助劃定的國土空間規劃城鎮開發邊界、永久基本農田保護紅線、生態保護紅線三條控制線。綜合評估分析應用如圖9所示。

圖9 綜合評估分析應用

在中觀尺度，進行規劃單元內城鎮開發強度評估，分析城鎮建設用地開發強度時空格局特征。規劃單元綜合指標分析如圖10所示。

圖10 規劃單元綜合指標分析

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體數據，配合交通與水系等數據，涵蓋了國土空間規劃關注的信息，在微觀尺度方面可對單個用地單元進行精細化輔助管理；并擴展到不動產權利人信息，具備其他政務應用的擴展能力。單個規劃許可分析應用如圖11所示。

圖11 單個規劃許可分析應用

5 結 語

本文以國土空間規劃的地理實體數據建庫為研究方向，在國土空間規劃地理實體的編碼方法與表達模型，地理實體時空數據一體化生產技術，一體化、精準化的地理實體時空信息服務關鍵技術方面作深入研究，建設了面向國土空間規劃的地理實體時空專題數據庫，構建一體化、精準化的國土空間規劃時空信息服務，充分發揮測繪地理信息對國土空間規劃管控的技術支撐作用。