自然資源調查監(jiān)測三維立體一張圖建設研究
——以寧波梅山島為例

柳婷，嚴立，王超

(寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

2019年11月，自然資源部發(fā)布《自然資源部信息化建設總體方案》，提出建立面向國土空間的全天候調查監(jiān)測與預警感知機制，不斷提高三維數據獲取的能力。2020年1月，自然資源部發(fā)布《自然資源調查監(jiān)測體系構建總體方案》，進一步明確了建設自然資源調查監(jiān)測三維立體時空數據庫，及時掌握自然資源基礎數據及變化情況，有效支撐國土空間規(guī)劃和自然資源各項管理的業(yè)務需求。2021年2月自然資源部印發(fā)《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》，為實現自然資源調查監(jiān)測數據成果在中央一級的立體化統(tǒng)一管理、形成一整套滿足應用的自然資源調查監(jiān)測數據服務提供支撐。2019年以來，寧波市持續(xù)探索自然資源調查監(jiān)測體系構建，提出建設以“一張清單、一張底圖、一個平臺、一套體系”為核心的“四個一”工作布局，為進一步強化信息化支撐，推動二維調查走向三維調查[1]提供了體系保障。

目前，山東省、重慶市等多地構建了三維信息化平臺，建成了“實景三維山東”“實景三維重慶”[2～5]，實現了精度高、種類多、覆蓋廣的三維場景覆蓋，探索了地上三維實景模型數據的構建和大場景三維模型的加載與展示，圍繞自然資源管理進行了有關專題化分析。本文旨在以寧波港口城市的地域特色為切口，以陸海自然資源要素豐富的梅山島為試點，在寧波市三維數據標準體系框架下，形成覆蓋地上地下地表、陸地海域的自然資源調查監(jiān)測數據庫，直觀反映自然資源的空間分布和變化特征。基于自主開發(fā)的三維系統(tǒng)，探索調查監(jiān)測三維平臺建設的總體框架設計、應用場景設計和關鍵技術，為建立立體空間自然資源和規(guī)劃調查監(jiān)測評價體系奠定基礎，在全市范圍內形成可推廣可復制的調查監(jiān)測模式。

2 總體思路

2.1 系統(tǒng)架構

面向多源異構的自然資源數據體系，按照“邏輯統(tǒng)一、物理分散”的原則，依據調查監(jiān)測數據標準，向下提供數據清理整合提取，向上提供數據應用服務。平臺依次分為基礎環(huán)境層、數據層、服務層和應用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構框架圖

基礎環(huán)境層：依托寧波市城市大腦，基于政務云為平臺運行提供網絡環(huán)境、軟硬件支持，同時基于現有的國土基礎信息平臺，可實現基礎自然資源數據、社會經濟數據共享，為平臺的提供基礎數據支撐。

數據層：將現有的多源異構數據進行整理處理，構建二三維一體化的調查監(jiān)測數據庫，針對空間數據進行轉化提取，針對非空間數據進行結構轉化。

服務層：作為應用層和數據層的橋梁，通過構建應用服務的形式為應用層提供調用接口，對數據層進行資源整合、集成、處理，主要包括基礎地圖服務、數據統(tǒng)計分析服務、三維分析服務和空間計算服務等。

應用層：實現調查監(jiān)測成果立體化應用展示，包括地上地下三維立體化場景展示、計算分析、專題應用，提供決策輔助支撐。

2.2 數據組織和數據庫設計

(1)數據組織

根據《自然資源調查監(jiān)測體系構建總體方案》，試點區(qū)以三調成果和調查監(jiān)測業(yè)務數據為核心內容、以數字高程模型(DEM)為三維基底，以高分辨率遙感影像為背景，按照梅山島陸海資源三維空間位置，疊加行政界限、永久基本農田保護線、生態(tài)管控區(qū)等管理數據，分層分類后形成覆蓋地上、地表、地下的自然資源立體時空數據模型，各類數據層內容如表1所示。

表1 梅山島自然資源數據空間組織內容

(2)數據標準化整合與建設

已有資料中空間坐標系和格式不統(tǒng)一，首先對數據進行清洗整理，利用ArcGIS軟件將所有數據坐標統(tǒng)一為2000國家大地坐標系(CGCS2000)。

按照自然資源部印發(fā)的《地表基質分類方案(試行)》[3]4類3級分級體系要求，通過標準地層編碼映射，對地表基質模型的分層進行標準化組織，并對地下管線數據的管線編號和管點編號進行編輯修復，剔除掉重復編號，增加缺失編號。

2.3 系統(tǒng)功能設計

平臺的主要功能包括立體空間數據瀏覽、查詢、分類統(tǒng)計等模塊。目前已實現桌面端，今后將對移動端進行進一步的開發(fā)和完善。

(1)立體瀏覽：提供三維場景的放大、縮小、漫游、旋轉、重定位、視角切換等工具，通過對地面透明和矢量透明，可以瀏覽地表基質數據、地下管線數據等地表及地下資源(圖2)，并根據用戶瀏覽視角實時顯示地理坐標。

圖2 地下視角瀏覽地下管線數據

(2)查詢功能：點擊三維模型進行屬性查詢，通過空間范圍、屬性字段等進行數據模糊搜索查詢(圖3)。

圖3 三調數據按照土地權屬模糊查詢

(3)剖切功能：對地表基質模型進行任意位置和角度的剖切，立體展示地表不同高度不同類型基質的空間分布，并且可進行屬性查詢顯示，如圖4所示。

圖4 剖切立體顯示

(4)統(tǒng)計功能：主要針對三調數據，以街道或管理線為統(tǒng)計單元進行數據分類別統(tǒng)計，并在三維視角下聯(lián)動展示，統(tǒng)計分析結果可生成餅圖(圖5)，并生成Excel表格導出。

圖5 三調數據按照土地權屬模糊查詢

(4)計算評估：圍繞自然資源管理需求，實現三維場景下三調成果分析評估，并基于地形三維精確計算，實現淹沒分析和水庫庫容計算，針對耕地資源、海洋資源探索實現旱改水分析和海岸線變遷分析。

3 關鍵技術研究

3.1 多源異構數據立體化展示

目前三維數據展示主要有兩種方式，第一種通過直接加載模型文件并進行前臺渲染，第二種采用三維瓦片數據服務的形式進行數據發(fā)布后再于前臺渲染。由于前者方式需消耗大量資源，僅支持小范圍模型展示，主流的方式主要采用后一種，如基于WebGIS開發(fā)的框架Cesium，利用3D Tiles技術，實現三維瓦片服務發(fā)布。

本系統(tǒng)集成了多種多源異構數據，主要包括傾斜模型數據，三維地形數據，無人船水下點云數據、基于基質采樣點的地質擬合數據、三維地下管線等。由于Cesium僅滿足三維數據加載，無法實現三維動態(tài)擬合、三維空間分析等要求，本文采用自主研發(fā)的阿拉圖三維平臺，采用不同工具進行不同空間數據的立體展示，基于TerrainBuilder將地形數據發(fā)布成三維地形瓦片；基于ObliqueModel工具將原始的三維傾斜(.osgb)、點云數據(.las)發(fā)布成三維瓦片；基于PiplelineBuilder將二維的管線數據，直接成生三維模型，并發(fā)布成三維切片服務；基于GeologicBodyTool直接基于不同深度的采樣基質點實時擬合生成不規(guī)則三維地質體。

3.2 二三維數據一體化融合

一般通過圖層開關控制三維數據層和矢量數據層的加載和展示，由于矢量數據貼在地形表面，而三維數據的高程往往高于地形，存在三維數據壓蓋地形的情況，無法同時展示。本文通過實時紋理貼圖方式，將矢量數據作為三維數據的紋理，加載到三維數據表面上，同時通過獲取二維數據的屬性，即可關聯(lián)到對應三維信息，解決三維數據無法屬性查詢、單體化等問題，實現二三維數據的數據和屬性融合。

3.3 基于地形的三維精確計算

基于地形的三維空間計算是三維場景分析的重要支撐，本文研究的三維精確計算包括三維剖面計算、水庫容積計算等，本文設計基于三維地形數據計算方法，主要步驟包括點位采樣、獲取高程、構建三維三角格網、計算求和等：

(1)點位采樣，將平面查詢范圍內按照格網大小進行劃分，并獲取每個點平面坐標信息(x，y)；

(2)獲取高程，將采樣點與地形數據進行相交計算獲取點位高程；

(3)利用Turf.js工具，進行三角格網擬合；

(4)基于三角格網計算單元表面積，或者基于截面高度生成單元體塊；

(5)對每個單元進行累計求和。

3.4 淹沒分析

寧波幾乎每年都有臺風災害，淹沒分析是選取目標點和淹沒緩沖區(qū)，根據目標點的高程值(水底高程)，分析當水位上升超過水底高程時的淹沒情況，計算分析淹沒地類類型和淹沒面積，為臺風應急提供決策支撐，如圖6所示。

圖6 淹沒分析

3.5 旱改水分析

作為耕地資源潛力分析的一種場景，選取一定范圍內的旱地，通過設立附近是否有水源地、是否符合坡度小于25°要求、是否與水源地高差合理等條件，分析該旱地能否作為改造成水田的潛力，如圖7所示。

圖7 旱改水分析

3.6 海岸線變遷分析

海洋資源是寧波市重要的自然資源，通過加載2018年和2019年兩期影像及海岸線數據，分屏設置獨立精細場景進行聯(lián)動操作，對不同時期的海岸線變化情況進行展示和分析對比，如圖8所示。

圖8 2016年和2019年海岸線變遷分析

4 結 語

本文以梅山作為試點，建設了自然資源三維“一張圖”，搭建了自然資源三維可視化立體系統(tǒng)，探索了多源異構數據三維立體化展示，實現了專題三維場景分析，能夠對自然資源立體化調查監(jiān)測、災害應急、資源潛力保護與利用提供信息化支撐，對提升自然資源現代化治理能力和治理水平具有重要意義。下一步將探索研究制定符合寧波實際的三維立體時空數據庫建設方案和數據分類體系，持續(xù)完善自然資源調查監(jiān)測數據庫，并探索形成以“行政管理+技術手段”聯(lián)動動態(tài)更新機制，保障自然資源三維立體時空數據的鮮活性，進一步深化三維分析功能，結合實際業(yè)務需求實現自然資源三維分析、時空演變與趨勢預測等應用，在全市范圍內形成可推廣可復制的調查監(jiān)測模式。