保定市高铁片区自然资源一体化建设示范关键技术研究

冯仕超FENG Shi-chao；韩彦伟HAN Yan-wei；郭兴平GUO Xing-ping；梁彦平LIANG Yan-ping；张旭敏ZHANG Xu-min

（华北地质勘查局五一九大队（河北九华勘查测绘有限责任公司），保定 071000）

0 引言

随着社会治理的精细化发展，社会各界各部门对自然资源相关数据的要求越来越高，测绘技术与互联网、大数据、云计算等高新技术不断融合发展，测绘新技术不断涌现，信息化测绘体系和新型基础测绘体系逐步形成。同时，城市建设及资源开发的不断进度，对地下空间及地质结构信息的需求也越来越高，现有的服务模式已不能完全满足信息化时代的要求[1-3]。如何高效整合与集成自然地理、地质、矿产、河流湖泊、测绘地理信息等各类数据库，构建“地上地下、水陆相连”的自然资源一体化管理体系显得尤为重要。

河北省保定市目前已完成了数字保定地理空间框架建设，初步建立了地理信息的基础数据库，但未升级到“智慧城市时空大数据”。因此，建立智慧城市时空数据库的试点势在必行。本研究以保定市高铁片区为试点，探索多源异构时空大数据的快速融合方法和数据库标准，为全市测绘地理信息方面工作、智慧城市建设以及城市发展规划提供决策依据，为保定市全市的自然资源信息化建设和管理应用探索出一条技术路线。

1 研究区域概况介绍

本项目的研究区域位于京石高铁以西，白洋淀大道以南、东风路以北、东三环以东，研究区域内有高铁站（保定东）、学校（河北大学、保定学院、保定市外国语中学等）、企业（民营科技园）、村庄（大堤口等）、小区（博士园、卓正东璟等）、交通设施（京港澳高速、京石高铁、巨力大桥等）。其中保定东站引入京广高铁、津保高铁两条线，正在建设的京雄城际和雄忻铁路也将引入保定东站。根据相关规划，保定东站将接入雄安至大兴机场快线、雄石高速铁路及廊涿固保城际铁路，因此以该区域作为试点，具有地域代表性。

2 研究内容与研究方法

2.1 主要研究内容

本研究中首先通过对资料的整理分析，基于外业测量与航空摄影等工作，进而生成实景三维模型、DOM、DSM；根据实景三维再加工生成地形图并入库；根据研究区范围内的相关地质勘查报告生成地层结构三维模型、根据地下空间图纸生成站前广场地下空间三维模型；收集和梳理研究区域内相关的基础地理信息、遥感、地下空间、地质、建筑物相关等数据资料，对现有数据资料的属性与格式进行分类；对社会公共专题信息（法人、住户）进行位置信息挂接；根据数据管理需求，对数据进行整合并检查；在此基础上利用FME 编写模板，以供后期大数据量的批量化处理；对已加工好的多源数据添加“三域标识”（时间、空间、属性）；根据国家相关规范，建立多源异构数据的统一标准体系。

2.2 关键技术研究方法

多源异构数据融合要对各类数据有清晰的数据类型结构认识、空间构造形态认识和融合应用示范认识，从而对各类数据进行有目的的处理[4，5]。多源数据融合是近年来兴起的一门数据处理技术，起源于军事领域，又叫做多源信息融合，主要是一种多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据进行检测、相关、组合和估计，从而提高状态和身份估计的精度，以及对战场态势和威胁的重要程度进行适时完整的评价。多源信息融合是在多个不同层次上信息处理过程，其中每个层次反映对原始观测数据不同级别的抽象。在本研究中，多源异构数据融合是本项目中一个关键技术。

2.2.1 多源数据处理

本项目中以实景三维模型为核心，在统一空间参考的前提下，对专题点、线、面类型数据进行层次和数据结构一体化定制处理，主要包括：根据点、线、面各类数据的几何结构和专题属性特点，建立专题图层组，图层组内按照数据几何特征划分独立图层，使应用数据结构清晰；优化空间数据结构，设计满足第三范式的非空间数据的数据模型和数据表结构，目的是将空间数据和非空间数据在系统应用时进行图形绘制，查询索引，调用压力的分流；非空间数据的面向对象化改造，在专题化的应用中，非空间数据要建立与空间数据的对应关系。

2.2.2 多源数据融合

本项目中多源数据的融合关键是要解决以实景三维模型为核心的多维空间数据融合可视化及数据操作的问题，在以Cesium 为内核的可视化平台中，影像、地形数据主要是通过与实景三维模型进行坐标匹配后进行服务发布，通过调用服务叠加于实景三维模型之上，成为智慧城市建设的地理底图，实现数据的融合。对于矢量数据与实景三维模型的融合，需针对0 维点数据、一维线数据和二维面数据分别制定与实景三维数据融合的方法。

2.2.2.1 点、线数据与实景三维融合

0 维点数据和一维线数据在空间数据结构上相对简单，两类数据在实景三维空间上的占有度和表面较小。0维点数据，特别是地名地址等数据，可以直接在空间位置上进行落点可视化。

一维线数据能够通过主要是通过以下两种方式解决与实景三维的融合可视化问题：

①体贴合落位法，即一维线如道路、边界等线要素直接与实体三维表面贴合，灵活设置线宽度、线性。该方法优势在于与三维实景的贴合度高，地理空间实体化表达清晰，缺点是线经过实景三维中异状面体结构时出现一维线异形现象。

②浮空法，即一维线不与实景三维进行贴合，悬浮在实景三维模型一定高度上。该方法优势是一维空间要素完整，空间形态与原数据基本一致，缺点是在三维视角调整过程中，随着视角的降低，越接近平视，视域越深，视野内的一维线要素越多，视觉效果较为杂乱。

矢量数据中的特殊点、线数据如钻孔、管道数据通过直接加载显示不能直观的体现数据的特征，因此可以通过读取二维shapefile 数据来创建对应三维实体进行可视化展示，从而得到更直观仿真的点、线加载效果。

2.2.2.2 面数据与实景三维融合

二维面与实景三维模型在面域空间里具有较高的重叠，即简单叠加会产生交叉冲突，点线和实景三维的融合方法不适用于面和实景三维的融合。为了充分发挥实景三维视觉真实性的优势，并提高模型的空间应用深度，通常会利用二维面数据对实景三维模型进行单体化，实现面数据与实景三维数据的融合。根据实景三维模型的表面起伏度和二维面的大小，将同一空间域内的二维面进行三维升维，形成贴合实景三维模型表面的三维实体包围盒。

2.2.3 基础测绘数据的地理实体改造方法

本项目中地理实体数据生产主要是通过采集测绘的方式获取，通过数据转换生产形成符合标准的地理实体数据。相较于实体数据采集方法，基础测绘成果数据改造工作在数据编辑前需要进行数据的抽取转换，主要是将基础测绘成果继承的部分抽取转换为地理实体数据或者可通过编辑加工转变成地理实体的预处理数据。由于基础测绘数据与地理实体在语义和内涵上的差别，传统基础测绘数据转换为地理实体时存在一定的难度。

2.2.3.1 语义映射

①数据源确定。本项目依据地理实体数据分类、组织等要求，对基础测绘数据进行分析，选取地理实体生产所需的生产数据源和参考数据源。生产数据源为地理实体数据生产提供图形基础和属性参考，参考数据源为地理实体数据生产提供参考依据。

②创建实体库模板。主要过程如下：1）创建地理实体库。2）创建地理实体数据集，数据集分类、空间参考依据标准。3）创建地理实体图层，图层名、字段名等依据标准。

③数据映射抽取方案定义。数据抽取方案，就是将数据映射的内容用方案的形式固定下来，目的是提供给软件执行提供依据。在数据抽取过程中能将生产数据源的数据抽取到地理实体模板库中，如表1 所示。

表1 数据映射转换过程设计

2.2.3.2 数据抽取

首先，将源数据进行预处理，主要是指将生产数据源提供的源数据进行格式统一和坐标转换，使其满足实际生产需要和相关数据规定。其次，将生产数据源中的数据抽取到地理实体模板库的过程，抽取的依据是通过数据抽取方案，具体流程如图1 所示。

图1 数据抽取流程

2.2.3.3 实体编辑

按照统一提取和编辑原则，从数据源中提取、编辑生产地理实体数据，对地理实体数据进行检查和入库。数据编辑与处理的内容包括图形的编辑和属性的编辑：

①抽取的数据通过数据绘制、编辑生产成为符合标准的地理实体数据。

②对生产的数据成果进行质检与修改。

③对通过质检的成果数据进行地理实体唯一编码。

④将地理实体最终成果数据入库。

2.2.3.4 空间处理

本研究对结构化、非结构化的时空大数据进行空间处理，主要包括：统一格式、一致性处理和空间化。

统一格式：不同数据能够基本实现无损格式转换，对于无拓扑关系图形数据要能够转换至基础时空数据，并建立拓扑关系。格式统一后的基础时空数据合并、接边，数据表格能够实现自动属性赋值。

一致性处理：对于存放的矢量数据、影像数据和实体数据，将更新后的数据快速及时进行地图综合，利用综合的结果联动更新相应范围数据，原内容自动变成历史数据。

空间化：汇聚的数据，有些带有空间位置坐标信息，经过了统一时空基准后，即可匹配集成；部分自身没有空间坐标信息，但在属性项中蕴含了地名地址；还有一部分只是蕴含了一些地名基因，要通过基于语义和地理本体的统一认知，提取地名谱特征。

2.2.3.5 数据标准体系建立

通过数据汇聚与空间化处理后，对多源数据的引入格式建立通用模板，在此基础上编写FME 程序，进行快速的定位匹配，利用程序形成自动化的三域标识添加。根据统一空间化后的数据，制定数据标准，形成统一规范的数据体系，供后续平台调用。

3 自然资源一体化的成果展示与应用

本研究实现了保定高铁片区的自然资源时空一体化建设示范，具体完成了保定高铁片区的实景三维模型、DOM、DEM、DSM 等数据的生产、地形图制作入库、地层三维模型、地下空间三维模型的制作工作；多源数据分类处理及与实景三维的融合工作以及保定高铁片区内基础测绘数据向地理实体转换工作。项目部分成果效果如图2-图5 所示。

图2 地形数据与实景三维模型融合效果

图3 实景三维模型

图4 点、线数据与实景三维模型融合效果

图5 地理实体改造成果

4 结论与展望

本研究通过收集保定市高铁片区内地上与地下的各类自然资源数据，建立统一的数据整合标准，对包含遥感影像、实景三维、地下空间、地质结构、地形图、地下管线及人口等多源异构数据进行融合，初步建立多源异构的自然资源时空数据快速融合的方法体系，为保定市自然资源管理的信息化建设和应用提供一定参考。

目前，新型智慧城市建设目前已在全国陆续展开，开展基础时空数据、公共专题数据，甚至物联网实时感知数据、互联网在线抓取数据、根据本地特色扩展数据的获取、存储、处理、共享、集成、挖掘分析、泛在服务的研究探索，既是对当前数据的综合运用，也是对今后工作开展打下了坚实的基础，进而为智慧城市建设打下良好的基础。