基于天空地大數(shù)據(jù)的自然資源“一張圖”平臺設(shè)計與實現(xiàn)

韓健 劉斌 任俊儒 董加旺

（華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北承德 067000）

2020 年1 月，自然資源部發(fā)布《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構(gòu)建總體方案》，對建設(shè)自然資源調(diào)查監(jiān)測三維立體時空數(shù)據(jù)庫，掌握自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及變化情況，支撐國土空間規(guī)劃和自然資源各項管理的業(yè)務(wù)提供了指導(dǎo)。2020 年9 月，河北省人民政府辦公廳印發(fā)《關(guān)于支持承德市建設(shè)國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)的若干政策措施》，提出了推動承德市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境、資源節(jié)約利用等方面提供了政策支持。2021年自然資源部制定了《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》，為加強自然資源調(diào)查評價監(jiān)測工作提供了基本遵循。

1 前言

衛(wèi)星遙感信息具有可覆蓋面積大、探測能力強及現(xiàn)勢性強等特點[1]。在中小尺度上，無人機遙感能發(fā)揮更大的作用，可以獲取更精確的地物信息，對自然資源監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重大意義[2]。大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于能夠顯著提升不同部門相互間的開放度、關(guān)聯(lián)度、共享度[3]。通過整合多源、海量的自然資源數(shù)據(jù)及其相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，推動自然資源管理從經(jīng)驗決策向數(shù)據(jù)決策轉(zhuǎn)變[4]。傳統(tǒng)的自然資源管理方式已不符合“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的發(fā)展要求，自然資源主管部門需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)思維方式，主動擁抱“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，積極探索基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的自然資源管理新模式。衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與自然資源業(yè)務(wù)的融合，實現(xiàn)基于天空地立體大數(shù)據(jù)的自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化瀏覽、查詢、統(tǒng)計、分析等實時應(yīng)用，可有效支撐國土空間規(guī)劃和自然資源管理[5]。

目前，自然資源數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展趨向于：標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、定制化、產(chǎn)品價值化。“一張圖”平臺可展示復(fù)雜、龐大的測繪成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自然資源數(shù)據(jù)的高效展示和應(yīng)用。許多學(xué)者針對“一張圖”平臺開展研究，其中：林曉菲等人分析了南京市級規(guī)劃與自然資源機構(gòu)整合后的業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)和信息化現(xiàn)狀以及審批系統(tǒng)建設(shè)面臨的實際問題，提出了基于“一張網(wǎng)”“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺的一體化審批系統(tǒng)建設(shè)主要思路和總體框架[6]。楊俊宴等人在分析了自然資源管理的需求后，提出了時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的技術(shù)路線和時空大數(shù)據(jù)服務(wù)自然資源管理的建設(shè)思路[7]。黎雷等人探討研究了空間數(shù)據(jù)快速處理、發(fā)布、分析的技術(shù)難點及解決思路，提出了應(yīng)用時空數(shù)據(jù)服務(wù)智慧城市解決方案[8]。隨著城市各種成果數(shù)據(jù)的不斷積累，相關(guān)單位實施管理和監(jiān)督監(jiān)察及自然資源的研究編制等工作的愈加繁瑣，研究如何合理的管理和利用這些越來越多、越來越重要的數(shù)據(jù)成果，如何保證這些成果從生產(chǎn)、建庫到更新的過程的順暢，保證信息系統(tǒng)順利推行并高效利用，這些問題能否順利解決關(guān)系到數(shù)據(jù)成果是否能順暢的建庫、更新和應(yīng)用，因此，需要在天空地大數(shù)據(jù)背景下建設(shè)自然資源一張圖項目，以提高工作效率與管理監(jiān)督水平[9]。

2 開發(fā)工具

采用分布式微服務(wù)的方式進行平臺軟件的開發(fā)。使用SpringBoot+SpringCloud+SpringCloud-Alibaba 微服務(wù)的形式進行建構(gòu)與開發(fā)。文件服務(wù)器使用minio作為對象存儲服務(wù)。SpringSecurity技術(shù)作為權(quán)限控制框架，進行登錄用戶的認證與授權(quán)工作。nacos（Dynamic Naming and Configuration Service）作為分布式微服務(wù)架構(gòu)注冊與配置中心，動態(tài)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)與配置管理。Gateway 作為微服務(wù)平臺的網(wǎng)關(guān)采用sentinel來保證微服務(wù)之間穩(wěn)定性。docker 虛擬化容器技術(shù)，一次構(gòu)建、隨處運行，更快的應(yīng)用交付與部署、更便捷的升級與擴容、更簡單的系統(tǒng)維護、更高效的利用計算資源。保證服務(wù)的安全性、可靠性以及高可用性。

圖1 自然資源“一張圖”平臺技術(shù)架構(gòu)圖

圖2 自然資源“一張圖”平臺部署架構(gòu)圖

3 平臺架構(gòu)

自然資源“一張圖”平臺的建設(shè)可提供國土資源利用、森林資源、草原資源、濕地資源、綠地資源、水資源、礦產(chǎn)及地質(zhì)監(jiān)測等專題內(nèi)容，使得自然資源的三維空間立體形態(tài)準(zhǔn)確表達及一體化展示。因此，根據(jù)其他學(xué)者對于一張圖建設(shè)框架，在平臺建設(shè)中充分考慮平臺靈活性和擴展性，自然資源“一張圖”平臺采用面向服務(wù)（Service-Oriented Architecture，SOA）框架[15]，基于B/S架構(gòu)設(shè)計以自然資源數(shù)據(jù)天空地大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用圖形化、可視化、三維化等技術(shù)手段，開發(fā)三維自然資源管理平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)對自然資源基本情況的管理與展示。結(jié)合上述技術(shù)，平臺總體架構(gòu)圖如下所示：

圖3 自然資源“一張圖”平臺

支撐層主要是負責(zé)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、平臺運行環(huán)境、平臺安全體系，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全體系、政策法規(guī)等方面保障平臺的安全和規(guī)范。就平臺的運行環(huán)境而言，從基礎(chǔ)硬件、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)軟件等方面保證平臺的穩(wěn)定性、可用性、可擴展性，為整個信息資源的共享與應(yīng)用提供支撐。

數(shù)據(jù)層負責(zé)對收集到的自然資源數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)化進行分類、整理、入庫。數(shù)據(jù)是一切應(yīng)用的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的合理分類為整個平臺實現(xiàn)共享提供了保證。在數(shù)據(jù)層的設(shè)計中，采用數(shù)據(jù)庫分別存儲元數(shù)據(jù)目錄、基礎(chǔ)地理信息、專題規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、非空間專題數(shù)據(jù)庫、其它專題數(shù)據(jù)庫等。這種分類的存放和管理有利于實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)的更新、發(fā)布等操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理。

服務(wù)層由平臺提供的各類業(yè)務(wù)功能接口和數(shù)據(jù)接口組成。通過組合和封裝服務(wù)層提供的各類服務(wù)接口資源，可以實現(xiàn)資源的分布式交換共享服務(wù)。

應(yīng)用層是自然資源“一張圖”系統(tǒng)的體現(xiàn)形式，依托支撐層、數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，針對實際業(yè)務(wù)需求，設(shè)計與實現(xiàn)國土資源利用、森林資源、草原資源、濕地資源、綠地資源、水資源、礦產(chǎn)及地質(zhì)監(jiān)測功能應(yīng)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)

基于天空地大數(shù)據(jù)的自然資源“一張圖”平臺，需將天空地大數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化、一體化展示，提供時間、空間多維數(shù)據(jù)展示集成，并根據(jù)最新獲取數(shù)據(jù)及時更新數(shù)據(jù)庫，使得全方位、全過程了解對象。

將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)等多源、多尺度、多時相、多格式等特性的海量空間數(shù)據(jù)有機地組織、整合成“一張圖”，必須統(tǒng)一空間基準(zhǔn)、建立時空序列，利用標(biāo)準(zhǔn)的接口方式提供服務(wù)。一張圖平臺建設(shè)的關(guān)鍵是架構(gòu)優(yōu)化，包含基礎(chǔ)構(gòu)架、數(shù)據(jù)庫搭建等，同時還包含數(shù)據(jù)的接口及標(biāo)準(zhǔn)化處理。

5 平臺應(yīng)用及特點

依托自然資源“一張圖”數(shù)據(jù)集成、動態(tài)統(tǒng)計分析及展示等關(guān)鍵技術(shù)，自然資源“一張圖”平臺具有六大特點：①衛(wèi)星遙感與無人機遙感、物聯(lián)網(wǎng)及地面實測相結(jié)合；②專題內(nèi)容與綜合監(jiān)測相結(jié)合；③二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)相結(jié)合；④地上數(shù)據(jù)與地下數(shù)據(jù)相結(jié)合；⑤地理要素與地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合；⑥人工解譯與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合。

圖4 自然資源“一張圖”登陸界面

圖5 自然資源“一張圖”三維基底

自然資源“一張圖”分為專題模塊、展示大屏模塊、運維管理模塊的建設(shè)。

專題模塊集成了電子地圖、遙感影像、數(shù)字高程模型、三維傾斜攝影模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參照《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構(gòu)建》中自然資源數(shù)據(jù)空間組織結(jié)構(gòu)（圖6）進行數(shù)據(jù)梳理，將多源數(shù)據(jù)匯聚于同一平臺，包含土地資源、森林資源、草原資源、濕地資源、水資源、地表基質(zhì)、地下資源和自然資源綜合看板等專題，可實現(xiàn)對山水林田湖草單項的專題數(shù)據(jù)展示，同時使得自然資源的三維空間立體形態(tài)地準(zhǔn)確表達及一體化管理。

圖6 自然資源空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖

專題模塊基礎(chǔ)功能包含：搜索、底圖切換、底圖透明度設(shè)置、是否加載地形設(shè)置。工具類功能包含：測距、測面、測高、全圖、全屏、清除、開挖、截屏、視角管理、獲取視角。分析類功能包含：地下模式、開挖分析、影像對比、地質(zhì)剖切、剖面分析、查詢分析、無人機巡查、刀架剖切、地質(zhì)裁切、土壤質(zhì)量、全景。

展示大屏模塊是由山水林田湖草等重點關(guān)注專題及地圖數(shù)據(jù)構(gòu)成。通過提取土地資源、森林資源、草原資源、濕地資源、水資源、地表基質(zhì)、地下資源等專題統(tǒng)計信息、變化信息匯總于展示大屏，可更加直觀展示管理者所關(guān)注的關(guān)鍵點信息，展示自然資源組成、分類、權(quán)屬分布情況。

運維管理模塊實現(xiàn)用戶權(quán)限管理、平臺日志管理及平臺各項參數(shù)配置管理等，實現(xiàn)平臺的調(diào)度與監(jiān)控。

6 結(jié)論

本文基于天空地大數(shù)據(jù)的自然資源“一張圖”平臺設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究，通過平臺架構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的研究，探索了三維自然資源管理平臺原型系統(tǒng)，實現(xiàn)專題模塊、展示大屏模塊、運維管理模塊等功能模塊的開發(fā)，為實現(xiàn)自然資源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同體管理能力和管理體系的現(xiàn)代化提供了平臺支撐，同時也為國土規(guī)劃、智慧城市等領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。