國土空間規劃與實景三維融合納入“三維立體自然資源一張圖”的技術路徑與難點

摘要：“三維立體自然資源一張圖”是國土空間基礎信息平臺及各類應用服務體系的數據基礎，也是“數字中國”建設的重要基石。本文探討的國土空間規劃與實景三維僅是“一張圖”的組成部分，但依然有著復雜的數據構成。實景三維是三維空間構架和底座，國土空規劃是用地管控和實施監督的基礎。二者的融合需從數據庫最底層的邏輯設計和物理設計入手，逐步解決數據生產、歸集、入庫、應用各階段的諸多難題。首先，對國土空間規劃進行時空維度的“兩級升維”，結合無人機逆向建模技術獲取地理實體實景三維數據，通過數據歸集初步建立“協調共享、上下聯動、時點追溯”的空間大數據;其次，按照“統籌設計、邏輯集成、物理分散”的原則結合數字孿生、人工智能技術橫向聯動城市信息模型搭建“一張圖”主數據庫，構建“全域時空模型”，開展仿真模擬、態勢預測、推演驗證等工作;最后，以場景應用為開發導向形成前端管理平臺，最終實現城市高質量和精細化治理的目標。

關鍵詞：國土空間規劃 實景三維 城市信息模型 城市數字孿生 數字中國

1 背景概述

黨的十九大報告提出創新引領建設數字中國。《自然資源部信息化建設總體方案》[1]指出，自然資源數據是基礎性、戰略性信息資源，自然資源信息化是“數字中國”建設的基礎支撐，“三維立體自然資源一張圖”是國家自然資源“一張網、一張圖、一個平臺和三大應用體系”的核心構成部分。

回望“一張圖”的前世今生，是為解決國土與城規部門數據的互通障礙、打破規劃設計與審批監管的隔閡而提出的。原國土部“土地二調”（2007）和原住建部“城鄉規劃法”（2008）出臺之后，各自啟動了基于自身規劃事權的“一張圖”系統的工作。自然資源部成立后，“建立國土空間規劃體系并監督實施的意見”（2019）提出了建設全國國土空間規劃“一張圖”的要求，伴隨著國土空間規劃的推進“一張圖”實踐進入快車道，業界普遍認為這是根源上破解傳統規劃弊端的關鍵[2]。《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》和《實景三維中國建設技術大綱》（2021）的印發，標志著“一張圖”進入“三維立體”階段，對打造數字中國統一的空間基底具有重大意義[3-4]。

按照當前主流理解，國土空間規劃“一張圖”尚停留在“二維平面”階段，下文所探討的“一張圖”特指“三維立體自然資源一張圖”，作為國土空間基礎信息平臺及各類應用服務體系的數據基礎，是運行在保密內網上的龐大數據庫集。筆者認為，“一張圖”應該是以地理實體和地理場景的實景三維為基礎，搭載其他實體和物聯感知數據，疊加自然資源、國土空間規劃和用途管制、社會經濟、測繪地信等數據，跨部門協調共享、上下聯動、時點追溯的空間大數據體系。

2 自然資源信息化總體框架

2.1 “一張圖、一平臺、一張網”總體構架

“信息化建設總體方案”提出了“一張圖、一平臺、一張網”總體構架。“一張圖”匯集多部門數據，是陸海相連、集成融合、持續更新的大數據體系;“一平臺”是以一張圖為支撐的、統一的國土空間基礎信息資源與自然資源業務信息化管理服務體系;“一張網”是跨部門、跨區域、跨層級的海量數據處理和業務應用的基礎網絡系統和設施;“三大應用服務體系”是基于一張圖和一張網構建的自然資源調查監測評價、監管決策和互聯網政務服務體系（見圖1）。

2.2 “一張圖”中的國土空間規劃和實景三維

國土空間規劃是空間發展的指南和可持續發展的空間藍圖，是各類開發保護建設活動的基本依據。其主要任務包括，統籌劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界等管控邊界，統籌生產、生活、生態空間，實施最嚴格的耕地保護制度，建立水資源剛性約束制度，建設與資源環境承載能力相匹配、重大風險防控相結合的空間格局。實景三維是對生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化表達的數字虛擬空間，是新型基礎測繪標準化產品，其數據由空間數據和物聯感知數據兩部分組成。

縱觀信息化總體框架，自然資源監測九大庫是“一張圖”的基礎數據底圖，以實景三維為代表的數據庫是“一張圖”的三維空間基底，而國土空間規劃數據庫側重用地管控和實施監督。不難看出，國土空間規劃和實景三維數據都是“一張圖”核心數據庫的重要組成部分，但是，如果把“三維立體自然資源一張圖”看作數字中國空間數據的“星辰大海”，那本文所探討的國土空間規劃與實景三維僅僅是其中的“星海一粟”。即便如此，二者依然各自擁有復雜的構成和數據集。

2.3 實景三維與城市信息模型、城市數字孿生

國家“十四五”規劃對“數字中國”目標提出了更為具體的要求，“建設智慧城市和數字鄉村，以數字化轉型驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”。在此目標指導下各部委都提出信息化建設的要求，空間建模領域除了自然資源部的“實景三維”外，住建部印發了《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》，工信部信標委發布了《城市數字孿生標準化白皮書（2022版）》。

城市信息模型[5]強調對城市物質空間對象的數字化表達，以數字三維模型為載體關聯社會實體、建設行為、監測感知等信息構建城市信息的有機綜合體。城市數字孿生[6]則是運用數字化技術融合城市物理空間、社會空間和數字空間，創建城市物理實體的虛擬映射，借助歷史數據、實時數據、空間數據以及算法模型進行仿真、預測、交互和控制城市物理實體全生命周期過程。

由此可見，城市信息模型和城市數字孿生都是“城市”為工作對象，以智慧城市為專業目標的，這與“實景三維”還是存在著較大差異。不管是進展進度、囊括信息，還是終極目標，融合實景三維的“一張圖”顯然擁有更大的理想和完整的數據體系，有望最終真正成為未來“數字中國”的統一空間基底。

3 國土空間規劃和實景三維的數據融合和應用

當下，“一張圖”的構建并非從零開始，自然資源部繼承了原國土部的成果，各職能部門工作中也積累了大量數據，如自然資源監測數據、基礎地理數據、自然資源和不動產數據、遙感影像數據、國土調查數據、測繪地信數據、規劃及管控數據等。“一張圖”的應用會根據場景不同采用B/S或C/S不同模式，對于“公共云”主要通過B/S提供查詢服務和政務服務，地圖API等少量公共服務也會采用C/S模式。對于“私有云”（涉密內網）主要以C/S模式為主來完成數據歸集、查詢比對、聯合審批等工作。

2019年以來，各類數據庫方案和標準密集出臺，為構建統一坐標系、統一標準、統一時點和融合開放的“一張圖”提供了基礎保證。

3.1 數據生產、融合和應用

筆者結合實踐和規程，對“一張圖”數據生產流程進行梳理，主要是通過數據生產、歸集、清洗入庫三步形成核心數據庫、擴展數據庫和業務數據庫，進而針對不同場景提供不同的數據服務（見圖2）。

3.2 數據分類、結構和內容

3.2.1國土空間規劃數據庫

考慮到國土空間規劃數據的實際特點，市縣級國土空間規劃匯交成果數據庫主要由要素表格和要素圖層兩個部分，采用分層的方法組織數據庫成果[7]，因此便于通過WebGIS技術實現數據的查詢、統計和可視化。

國土空間規劃數據包括現狀數據、規劃數據和管理數據3個部分。其中，現狀數據以國土三調和歷年變更調查為基礎，同時融合資源環境承載力評價和國土空間開發適宜性評價的核心結論。規劃數據主要包括三線管控、規劃分區管控等各類控制線及控制要求。管理數據是指涉及用地審批、規劃許可、項目許可、土地供應、生態修復和綜合整治、礦產資源和海洋海島等各類自然資源行政事務和證照庫（見圖3）。

3.2.2實景三維數據庫

實景三維與國土空間規劃的數據生產方式和存儲方式皆不同，首先結合實際需求確定地形級、城市級和部件級實景三維測繪范圍，然后分步實施測繪獲得基礎數據，而后內業完成模型勻色、單體分割、模型細修、標注入庫等環節。實景三維的文件存儲是采用地圖瓦片技術的金字塔文件格式，由此DEM、DOM、TDOM等數據需分層加載、分層管理。通過單體模型庫與城市信息模型的橫向有機結合進行跨部門數據整合，真正實現“一張圖”索引各部門數據（見圖4）。

3.3 國土空間規劃和實景三維的融合路徑

當前，國土空間規劃數據庫結構和設計的要素、類、層和屬性字段已經形成了相對完善的結構體系。而實景三維生產方式和存儲方式決定了還需要后期加工方可入庫，如模型單體化、模型數據化等，對于數據的深化和完善尚有較多細節需探討[5]。

總體思路是，以地形級和城市級實景三維為基底，國土空間規劃、城市信息模型逐層疊加展示，在此思路基礎上進行數據庫邏輯設計和物理設計。數據庫邏輯設計的核心在于用統一的網絡編碼對實體數據進行編碼，主要字段繼承國土三調和自然資源監測數據，統一新增時點（TIME）、狀態（STATE）、來源（SOURCE）等擴展字段，其他字段擴展根據實際業務需求確定。數據庫物理設計需根據數據類型、存儲模式、軟件支撐、硬件環境等要素來綜合確定，國土空間規劃數據主要以矢量數據和柵格數據形式存在，實景三維數據主要采用非關系型數據庫按照LOD分級進行分片存儲，然后采用R-tree空間索引算法與其他空間數據建立關聯以支持二維和三維查詢。

3.4 國土空間規劃和實景三維的融合難點

“三維立體自然資源一張圖”目前整體處于前期探索階段，單就國土空間規劃和實景三維的融合而言也有較多難點尚未完全解決。

3.4.1數據生產階段

隨著無人機的普及，地形級和城市級實景三維數據采集都可以依靠無人機來實現[8]，后期使用大疆智圖、ContextCapture等傾斜攝影建模軟件制作DEM、DOM和實景三維模型，該方法即“逆向建模法”。為實現實景三維B/S網頁端調用還需要對模型進行“切片”處理，將其轉換為金字塔以保障加載的順暢。技術的日臻成熟使得無人機大尺度傾斜攝影建模成為可能，但依然要面臨海量影像采集、運算和存儲難題，后續模型勻色、模型單體化和建庫入庫等需要持續較大的投入，建設過程中要還要解決實景三維數據資源的局部性、滯后性、質量不統一等問題。

前文所述，國土空間規劃多理解為二維空間尺度，與實景三維的融合就需要解決二維信息“升維表達”的問題，一方面是將“二維”轉為“三維”，另一方面是增加“時間維度”。前者通過對二維的點、線、面結合數字高程數據（DEM）轉換為三維點、線、面，后者主要是通過擴展數據庫時點（TIME）字段來實現。因自然資源實體形態、變化周期存在巨大差異，時點數據采用多大的“顆粒尺度”還需要考慮數據獲取頻度來統籌確定。

3.4.2數據歸集階段

城市數據的所有權和使用權界定尚缺法律法規的約定，因事權分工導致部分數據沉淀在不同的部門和企業，跨部門、跨業務的協作機制也未完全建立。實景三維、城市信息模型與城市數字孿生，從數據上來講是存在交叉重疊的。不難設想，以業務為導向采用“統籌設計、邏輯集成、物理分散”原則推動“一張圖”建設是較為務實可行的方案。如何實現數據的縱向和橫向互融共通、協同運作依然是當前亟待破局的難題。

3.4.3數據應用階段

探索階段的“一張圖”對使用場景預判有限，目前主要以靜態分析和可視化展示為主，融合性、動態性、時效性應用較為缺乏。需要以場景應用為開發導向，引入人工智能、數字孿生、動態監測，結合過往時點構建“時空模型”開展仿真模擬、態勢預測、推演驗證方能最大化挖掘“一張圖”在未來城市治理中的價值。

另外，“一張圖”分布存儲技術是物理上分散各數據庫到具體職權部門，依托涉密內網進行集成和整合，形成邏輯一致的“集成數據庫”來實現“一張圖”的跨部門應用。該設計思路必然面臨數據可用和數據安全的考驗，因此需要設計一套專業管理系統來實現數據調度、權限管控和運維監管。

4 “一張圖”構建的思考

“三維立體自然資源一張圖”是龐大的數據體系，也是“數字中國”建設的重要基石。“一張圖”建設不可能一蹴而就，需要經過漫長的打磨過程。

首先，體系構建標準先行。“一張圖”建設工作當前尚處于起步階段，標準和規則缺失現象較為突出。相較于國土空間規劃，實景三維、城市信息模型尚停留在大的構架搭建層次，還有較多技術細節和標準需要不斷完善。若前期數據標準不統一，后期很難實現互聯共通，也會導致重復建設、資源浪費、內耗嚴重等諸多問題，難以形成科技和技術創新合力。其次，應用導向技術創新。“一張圖”整體技術復雜度較高、城市級大數據歸集和跨部門行業應用尚不成熟，算法模型與動態數據融合不夠，數字空間的模擬仿真、態勢預測等價值還未釋放，關鍵技術融合應用亟待加強。

“一張圖”的建設通過融合技術優勢、人才優勢、創新優勢，推動政府、企業等多方參與形成一體化解決方案，定能實現推動城市高質量和精細化治理的宏偉目標。

參考文獻

[1]自然資源部信息化建設總體方案[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-11/23/content_5454833.htm.

[2]羅瑤，莫文波.“多規合一”背景下的國土空間規劃“一張圖”建設[J].湖南城市學院學報：自然科學版，2021，30（1）：40-44.

[3]自然資源三維立體時空數據庫主數據庫設計方案[EB/OL].http：//gi.mnr.gov.cn/202110/t20211013_2684557.html.

[4]實景三維中國建設技術大綱[EB/OL].http：//gi.mnr.gov.cn/202108/t20210816_2676831.html.

[5]城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則[EB/OL].http：//www.fangchan.com/policy/34/2021-06-01/6810406747564741452.html.

[6]城市數字孿生標準化白皮書[EB/OL].http：//www.cesi.cn/cesi/202201/8208.html.

[7]市級國土空間總體規劃數據庫標準[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-04/07/5598163/files/8eaa633aa0bb4905bbf11e1674156e08.pdf.

[8]韓科成，耿玉秀.無人機低空攝影在城市規劃領域中的應用[J].江西建材，2018（3）：24-25，28.

作者簡介：韓科成（1985—），男，碩士，注冊城鄉規劃師，主要從事法定規劃編制工作。