面向国土空间决策的江苏时空大数据情势研究★

杜 萌，石善球

(江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013)

1 概述

结合目前自然资源管理的新形势，自然资源管理的重点工作主要包括资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价[1]、国土规划实施监督评估、城市体检、国土空间保护开发利用态势监测乃至预测预警研究等[2-3]，以上不仅是现阶段自然资源管理的重点工作，也是研究的热点和难点。结合新的研究难点，本文展开面向国土空间决策支持的江苏时空大数据情势分析技术研究。

该研究紧紧围绕江苏省“山水林田湖草海”和国土空间开发利用保护情势，基于现有的基础时空数据集，参考国土空间双评价指标体系等技术指标，进行山、水、林、田、湖、草、海等自然资源情势分析表达内容研究[4]，实现自然资源的多样化表达。同时紧扣当前的管理重点和难点，结合自然资源管理新形势和国土空间开发利用评价等工作，围绕全省重要区域以及自然资源、城镇发展、交通变迁等方向，开展时空大数据分析决策模型及指标的研究，并开展系统建设方案研究[5]。通过该研究进行自然资源国土空间深度分析挖掘和分析评价，为自然资源管理和国土空间优化提供一些支撑，为国土空间优化方案提供借鉴和参考。

2 研究内容

2.1 自然资源国土空间情势表达研究

围绕江苏全省“山水林田湖草海”自然资源和国土空间开发利用保护情势，参考国土空间双评价指标体系等技术指标，结合自然资源的禀赋特点和变化特征，进行山、水、林、田、湖、草、海等方面的自然资源情势分析表达内容及方法研究。

2.2 时空大数据分析决策模型研究

在自然资源国土空间情势表达研究的基础上，围绕江苏全省重要区域以及自然资源、城镇发展、交通变迁等方向，确定时空大数据分析决策模型的内容，针对模型开展模型指标内容确定以及分析挖掘方法的研究，实现时空大数据深度分析挖掘和分析评价。

2.3 业务化系统建设方案研究

基于多时点情势数据的对比以及山、水、林、田、湖、草、海的分布特征和变化规律，完成可视化页面配置方案研究；根据不同用户群体，进行不同场景、不同参数的配置方案研究，实现业务系统模型参数化、规则化、定制化，并进行业务化系统的高性能计算研究。

3 研究思路

3.1 自然资源国土空间情势表达研究

3.1.1 综合情势

基于二三维地图对全省时空态势进行全方位呈现，直观展现全省综合概况，通过3D地图、专题图、柱状图、饼状图、仪表盘、词云图、热力图等全面展现全省山、水、林、田、湖、草、海等重要国土空间情势指标内容、资源特征、分布情况等。并建设综合情报板，对全省的重点关注的自然资源数量、面积、长度、覆盖率等整体特征进行综合统计、表达。

3.1.2 专题情势

自然资源国土空间专题情势分别按照山、水、林、田、湖、草、海等模块独立展示，每一个模块在展示自然资源的禀赋特征的基础上，进一步展示自然资源及国土空间的多年份的变化规律、分区分类特征、用地类型的变化流转情况、专题设施的分布特征、名山名水特色名片等，进行专题资源的特色情势表达。根据浏览需求将时空大数据库中的个别数据组合，自定义地理区间、时间区间，将时空数据以多窗口等各种形式加以展现，辅助决策者了解数据变化趋势。

其中在山专题中，所有山体山峰按照江苏省市级范围进行统计分析，并按坡度分级分类统计，同时加入全省的地质灾害点数据进行叠加分析，辅助决策判断，如图1所示；在水专题中，增加词型库内容，进行图库数据的交互，查看全省骨干河流，并定位重点水系，动态叠加重点河流的周边1 km～5 km内的三调土地利用图斑，进行河边土地利用统计分析，并可分析土地流转情况。同时增加全省的流域、湿地、水运枢纽、水利风景区、江苏最美水地标等数据内容，进行重点水系周边的查看及分析；在林专题中，分别展示天然林地、绿化林地，并对重点国有林场、省级林场、森林公园的情势变化进行查看分析，叠加生态红线、自然文化保护区数据进行分析判断，同时可分析重点林地区域多年的覆盖变化，辅助资源决策；在田专题中，增加种植大棚的数据进行分析，叠加基本农田数据，查看农田的变化情况，如图1所示；在湖专题中，增加多年份省管、市管湖泊数据遥感影像、矢量数据，分析湖泊变化，叠加统计湖泊3 km范围内土地利用图斑，统计周边地类的流转情况，如图1所示；在草专题中展示牧草地、护坡草地、固沙灌草地的范围，并进行不同坡度草地的展示及分析；在海专题中，展示江苏省管海岛及海域滩涂，对港口、港区、码头等数据进行叠加分析，并将多年份海岸线进行展示及变化分析。

3.2 时空大数据分析决策模型研究

3.2.1 分析决策模型内容

在自然资源及国土空间情势表达研究的基础上，进一步进行国土空间数据的分析与挖掘，从地形地势、交通通达、城乡格局、生态保护等多个维度，进行国土空间用地态势等方面的深度评估、诊断，研究并设计时空大数据分析决策模型的内容。

本研究基于当前国土分析的政策、时点热点、行业依据，以及现有的时空数据内容，充分结合国土空间双评价指南、地形地势分析、交通通达性分析、国土空间用地态势分析、城乡格局分析、人口流动分析、生态保护分析、公共服务分析等分析内容及要求，最终确定16个国土空间分析决策模型。模型分别为地形地势评价、交通优势度分析、交通可达性分析评价、国土空间用地态势分析、城镇体系与空间结构分析、人口聚集度评价、耕地破碎度分析、农村居民地布局分析、生态环境分析、生态廊道分析等分析决策模型内容研究，如图2所示。

3.2.2 分析决策模型指标

针对不同的分析决策模型，进行对应分析决策模型的指标研究，以及模型场景、参数配置方案研究。在地形地势类模型中，采用评价范围、高程、坡度等指标进行分析；在交通通达类模型中，采用评价范围、数据时点、交通网络密度、交通干线影响等指标进行分析；在国土空间用地态势类模型中，采用评价范围、数据时点、去除图斑图层及缓冲区范围、聚合距离、连片度、紧凑度等指标进行分析；在城乡格局分析类模型中，采用数据时点、距离交通干线距离、城镇建成区范围等指标进行分析；在人口流动分析模型中，采用评价范围、评价时点、聚集时段、人口流向等指标进行分析；在生态保护分析模型中，采用生境质量指标、生态保护指数、生态结构指数、土地胁迫指数等指标进行分析；在公共服务评价模型中，采用距离学校、医院、商场、运动馆等公共设施辐射范围指标进行分析。

在对应的每一类分析决策模型中，可以自定义场景，选择感兴趣的指标及参数，并对指标的值进行设置和调整，获取分析结果，进行国土空间数据的深度分析。其中以可利用国土空间评价模型为例进行说明，可利用国土空间评价模型来评价一个范围地区的剩余或潜在可利用国土空间，因此确定该模型的分析指标包括地形地势影响因子、水域影响因子、林草地影响因子、基本农田保护区影响因子、现有建设用地和高压线范围影响因子。可以设计选择固定场景和自定义场景进行分析评价，在对应的场景下选择评价的时间点、感兴趣范围、评价指标内容及缓冲区，并对地形地势因子进行分析评价，依据DEM数据进行坡度适宜性分级，依据自定义坡度要求计算地形地势适宜性的图形和面积，叠加土地利用地表覆盖数据，去除水域、林草、基本农田、已建成建设用地区、高压线等影响指标，计算并统计可利用的建设用地区域，生成可利用国土空间分布结果。

3.3 业务化系统建设方案研究

3.3.1 可视化页面搭建研究

针对自然资源国土空间情势分析和时空大数据分析决策模型内容，进行可视化页面搭建的研究。面向具体的大数据分析和可视化需求，支持选择可视化组件或可视化模板，选择分析模型、选择数据源或已建的指标，通过拖拽组织的方式完成大数据分析和数据可视化展现，实现分析结果的定制可视化表达。在整个系统建设中，可以实现可视化定义数据集，并且支持已构建的各类分析模型接入，使自定义选择分析模型用于搭建应用场景。

提供面向专题和业务应用场景构建相应分析指标的功能，实现可视化、流程化地快速、灵活定制指标并实现指标的管理，能够满足简单指标和复合指标中的各类指标定制、指标验证、指标发布和指标管理及指标执行优化的要求，从而实现对业务指标、图、表、空间等多种控件进行组合展现。

3.3.2 模型面板设计及定制化研究

进行模型设计面板、模型算子面板、模型属性面板的设计研究，根据模型应用需求拖拽算子进入模型设计面板，利用连线控制模型流程走向，实现各模型通用设置、参数设置以及输出设计研究。根据不同浏览群体需求，进行对应场景方案研究，实现模型的可定制、可计算，结果的可输出、可存储等功能研究。

4 关键技术

4.1 时空大数据可视化情势分析技术

针对时空大数据的情势可视化分析，采用高性能计算平台，实现可视化指标数据的快速抽取、计算和表达，并综合采用Mapbox 地图渲染技术、Echarts可视化框架等，设计二维地图、三维地图、热力图、流线图、关系图、图斑回溯、词云图及10余类可视化图表组件，实现江苏多专题自然资源国土空间数据的情势分析和表达。

4.2 基于Cesium的二三维一体化展示

针对时空大数据特征，基于Cesium进行一场景、多微件模式构建；基于Provider扩展支持Vector Tile，WMS，WMTS等二维服务；以S3M发布三维切片服务，支持三维建模、倾斜摄影等数据；基于ES的动态白模展示技术有效提升白模展示效率；融合ECharts，MapV等二维展示技术，提供丰富的多维数据可视化表达，实现二三维一体化的展示。

4.3 基于Spark、并行计算的时空大数据挖掘技术

时空大数据分析对分析挖掘工具提出了更高的要求，传统的数据分析工具GeoTools等已不适用于大数据分析挖掘。本研究基于服务编排、算子集成、建模工具等进行时空大数据分析挖掘，采用了Spark与ArcGIS GA技术融合，构建高性能大数据分析解决方案，通过并行运算框架，搭建云GIS环境，实现丰富的大数据分析算子，以Spark、并行计算等技术实现空间大数据分析挖掘。

4.4 “规则引擎+页面搭建”技术

采用“规则引擎+页面搭建”的新型模式，实现指标体系灵活建立、模型的自主构建、页面拖拽搭建。结合江苏时空数据集特点，开发数据输入类、数学运算类、空间分析类等算子形成规则引擎。数据输入类实现大数据解析、分析的算子集合；数学运算类实现大数据归类、聚类、异常值等常用的数据运算；空间分析类实现大数据缓冲分析、叠加分析、相交分析、相离分析、邻域分析等空间位置分析。使用页面搭建技术完成模型算子的搭建，实现决策分析模型的构建。

5 结语

本研究结合目前自然资源国土空间发展新形势，采用时空大数据情势分析方法对自然资源的山水林田湖草海等进行了综合情势和专题情势的多样化分析及可视化表达研究，并进行国土空间决策分析模型、指标配置的研究，进行多样化、定制化、场景化的业务系统建设方案的研究。本文以可利用国土空间评价为例，展示了分析模型的分析算力及分析结果，真正实现时空大数据“数据→信息→知识”，为自然资源管理、国土空间优化以及其他行业空间分析评价提供服务和支撑。