自然資源調查監測數據庫建設探討與實踐

張元杰 劉建軍 高 崟

(國家基礎地理信息中心, 北京 100830)

0 引言

十八大以來,黨和國家高度重視生態文明建設,提出統籌“山水林田湖草”系統治理,并組建自然資源部承擔統一行使全民所有自然資源資產所有者職責、統一行使所有國土空間用途管制和生態保護修復職責[1-2]。自然資源監測評價、生態保護與修復、國土空間規劃、自然資源開發利用等自然資源管理的各項業務工作需要“山水林田湖草”等各類自然資源數據作為支撐,迫切需要開展自然資源調查監測數據庫建設。

2020年1月,自然資源部出臺了《自然資源調查監測體系構建總體方案》,明確了自然資源調查監測數據庫的建設內容等[3]。當前國內學者對于自然資源調查監測數據庫建設相關技術的研究還僅側重于土地、礦產、水資源等單類自然資源數據[4-6],對于調查監測各類數據統籌建庫方面的技術研究相對較少。本文在分析自然資源調查監測數據庫建設需求的基礎上,設計了數據庫建設技術流程,對數據庫系統建設的關鍵技術環節進行了探討,并基于實驗數據開展了建庫技術實驗。

1 需求分析

自然資源調查監測數據庫是自然資源管理“一張底版、一套數據、一個平臺”的重要內容,是國土空間基礎信息平臺的數據支撐。

1.1 一體化集成管理

自然資源調查監測數據涉及土地、礦產、森林、草原、濕地、水、海域海島7類自然資源數據[7],包括自然資源調查、專項監測、專題監測、應急監測、歷史數據等多類成果。各類數據成果按照“誰生產、誰建庫”的原則,由不同單位分別生產和建庫。數據庫主要內容見表1。

表1 自然資源調查監測數據庫主要內容

自然資源調查監測數據庫建設的首要任務是在現有生產組織模式下,面向自然資源各類調查監測數據管理和應用的需要,統籌設計自然資源調查監測數據庫的內容、模型、接口、功能等標準規范,對各類自然資源調查監測數據進行整合與建庫,實現對各類調查監測成果的一體化集成管理。

1.2 三維立體存儲與表達

自然資源調查監測數據涵蓋了地上、地表、地下、陸地和海洋等多層次立體空間位置的各類數據,數據也由傳統的二維平面的點、線、面要素擴展到具有高程信息的三維立體點、線、面、體要素。同時,在國土空間規劃、自然資源登記、確權、用途管制、開發利用和督察執法等各類業務應用也要由二維系統升級為三維系統[8-10],需要更加精細、完整地表達自然資源的立體空間分布、自然資源量等。

因此,自然資源調查監測數據庫建設需要構建統一的自然資源立體時空模型,以立體空間位置作為組織和聯系所有自然資源體的基本紐帶,對多層次立體空間位置的各類自然資源進行三維立體存儲、管理、表達和應用,實現對自然資源的精細化綜合管理[11]。

1.3 成果應用與服務

針對自然資源部門內部管理業務、政府其他行業部門和社會應用對自然資源調查監測各類成果的應用需求,依托自然資源部涉密局域網、電子政務內網和互聯網,需要采用數據接口服務、在線地圖服務、信息服務、知識服務等多種方式,支撐對調查監測成果的數據庫直接調用、統計分析、信息查詢、二次開發、輔助決策等[12-13]。

2 技術流程

根據自然資源調查監測數據管理和應用的需要,針對調查監測數據、管理規劃數據、地理空間框架數據和其他行業數據,對各類數據進行整合處理和統一建模,并以數字高程模型為三維基底,以遙感影像為覆蓋背景,以基礎地理信息為空間框架,以自然資源調查監測成果為核心內容,基于統一的三維立體時空模型,構建“物理分散、邏輯集成”的自然資源三維立體時空數據庫及系統,實現各類自然資源要素時間、空間、語義、管理、服務等一體化表達、存儲與管理。數據庫建設技術流程如圖1所示。

圖1 自然資源調查監測數據庫建設技術流程圖

3 關鍵技術環節

為了滿足自然資源調查監測數據立體化統一管理、三維表達和應用服務的需求,需要對數據模型、數據處理、可視化、數據存儲與管理等關鍵技術環節進行優化與重構。

3.1 自然資源立體時空數據模型構建

在現有自然資源各類調查數據技術標準的基礎上,面向調查監測成果立體化統一管理的需要,通過研究各類自然資源語義描述、空間位置、分布格局、演化過程、屬性特征、要素關系等[14],設計基于自然資源實體的立體時空數據模型(圖2),在全國統一的三維空間框架下,準確表達地上、地表、地下各類自然資源空間關系及屬性信息,為各類自然資源一體化統一建模奠定基礎。

圖2 自然資源立體時空數據模型構建

數據模型構建采用實體關系(entity-relationship,E-R)建模方法,對自然資源實體的分類、粒度、實體空間編碼、空間關系、時空演變等進行設計,構建數據模型,實現各類自然資源實體、管理界線、社會經濟要素等在空間上的分層,在時間上的分期,在地理位置上的分區,在業務上的邏輯關聯。

3.2 多源異構數據整合處理

針對自然資源各類調查監測數據、規劃管理數據、基礎地理信息數據、三維模型數據,以及社會、經濟、人口等其他行業數據,利用基于立體空間關系的要素一致性檢核、自然資源要素分類重組、要素級多時態數據處理、基于要素關系的自然資源實體構建、基于空間網格的實體統一編碼、三維模型數據金字塔構建、三維單體模型與地形模型融合處理等技術[15],對矢量、柵格、三維、表格、動態監測數據等進行整合處理,構建由一個主數據庫、9個分數據庫組成的自然資源調查監測三維立體時空數據庫。技術路線如圖3所示。

圖3 多源數據整合處理技術路線

3.3 三維立體場景構建

針對自然資源調查監測成果不同應用場景的需要,基于多源異構三維數據動態融合、海量影像動態服務等技術,構建地形級、實景級、實體級等多粒度三維立體空間框架。在此基礎上,按照地下、地表、地上等各類自然資源要素的立體空間位置,采用巨量矢量要素三維化動態表達、二維數據三維空間模擬等技術,構建全域覆蓋、空間連續、二維、三維一體的立體可視化場景,并利用WebGL 3D渲染、虛擬現實、增強現實等多種形式,對自然資源實體、要素相互作用以及演變規律加以綜合呈現,實現各類自然資源“宏觀微觀、地上地下、室外室內”等的一體化綜合展示[16]。技術路線如圖4所示。

圖4 三維立體場景構建技術路線

3.4 高效能存儲與管理

圍繞土地、礦產、森林、草原、濕地、水、海域海島7類自然資源,按照一個主數據庫9個分數據庫的數據庫架構,基于自然資源“一張網”,采用“物理分散、邏輯集成”的方式,建設數據庫存儲資源、計算資源、網絡環境、數據安全等支撐環境,并建立數據庫系統,實現對數據成果的統一管理。

在數據存儲環節,針對不同類型數據,采用關系型和非關系型數據庫混合存儲的模式,建立分布式數據庫,利用巨量矢量數據分塊存儲技術、網絡化要素級實時增量更新技術、分庫與主庫數據存儲加密技術等,實現數據的高效能存儲。在數據庫管理環節,采用基于統一空間框架的數據集成技術,實現二維、三維矢量柵格數據一體化管理。

4 建設實踐

利用已有調查監測數據成果開展了自然資源調查監測數據庫建設實踐,對部分關鍵技術路線進行了技術驗證,并建立了數據庫系統,初步支撐了自然資源管理的業務應用。

建庫實踐時,首先通過融合全國10 m格網數字高程模型數據、部分區域2 m格網數字高程模型數據和多版優于1 m分辨率正射影像數據,構建了覆蓋全國范圍、多尺度融合的三維立體空間框架。然后,利用收集的地理國情數據、永久基本農田數據、土地利用變更調查數據、城鄉建設用地增減掛鉤數據、土地整治數據、全國地質災害點數據、森林資源清查數據、全國水利普查數據、濕地資源調查數據、林地一張圖數據等自然資源調查監測數據,開展了多源數據整合處理。最后,對于矢量數據、表格數據等采用關系型數據庫進行存儲,對于三維模型數據、瓦片數據等采用分布式文件數據庫進行存儲,建立了關系型數據庫和分布式文件數據庫融合的混合模式數據庫。

同時,研發了自然資源三維立體時空數據庫系統,實現了自然資源調查監測數據的一體化管理、三維立體表達、空間分析等,為國土三調、空間規劃、耕地保護、自然資源資產清查等自然資源管理工作提供了服務。

5 結束語

本文對自然調查監測數據庫建設的總體技術流程和關鍵技術環節進行了探討,并收集了部分數據進行了數據庫建設技術實驗,受制于實驗數據和實驗條件,數據庫建設的部分技術方法和技術流程還有待進一步優化和完善。

當前,國家、省、市各級自然資源管理部門正在或即將開展摸清自然資源家底、掌握各類自然資源數量、分布、質量等各類調查監測工作,建立各級數據庫,希望本文的建設思路和技術可為各級自然資源調查監測數據庫系統建設提供借鑒。