黟县三维立体自然资源综合监管平台建设

陈贤成，姚星，侯祥意，罗洁丹，黄瑜

(1.黟县自然资源与规划局，安徽 黄山 245500； 2.广州南方智能技术有限公司，广东 广州 510630)

1 引 言

随着自然资源数据管理转型升级，适应“两统一”职能的转变，自然资源部开展了多项工作推动数据、业务和应用的多平台融合[1]。2019年11月，自然资源部发布了《自然资源部信息化建设总体方案》，明确了新形势下开展自然资源信息化工作需要形成全覆盖的三维自然资源数据底板、建设自然资源“一张网”及其推进三维实景数据库的建设等工作[2]。2021年，《实景三维中国建设技术大纲(2021版)》《自然资源三维立体时空数据库主方案数据库设计(2021版)》等技术方案的陆续发布，实景三维作为自然资源信息化的基础地理空间框架地位丕显。

在自然资源信息化建设方面，多地已开展了不同程度的信息化平台的搭建，厦门市依据自然资源和规划管理一体化改革和审批制度改革要求，构建了自然资源一体化信息平台，实现国土规划全业务梳理、优化和再造[3]；黄山市时空大数据云平台的开发为黄山市提供了统一的时空大数据服务基础设施，建立统一的时空信息服务框架[4]；陈明辉等以东莞市为例，从顶层设计、业务协同、数据整合、平台融合、机制建设等五方面阐明了信息化建设的要点[5]；张文斌等通过论述县域自然资源综合信息系统建设中数据处理、数据建库、功能模块等方面的技术，为县域自然资源综合信息系统的实现奠定了基础[6]。

基于此，为了加快推进黟县自然资源主管部门信息化建设，实现对自然资源监管对象的三维立体精准呈现，本文以实景三维数据为三维地形基底，通过对多种类、多时相、多维度、多层次、多尺度的自然资源进行汇聚、集成、融合，构建自然资源一体化数据库；形成了自然资源综合监管平台，全面支撑黟县自然资源相关各业务应用需求，提升自然资源管理智能化，打造“智慧黟县”新模式。

2 业务需求分析

平台的搭建是为了服务黟县自然资源和规划局信息中心和各股室部门的业务需求，构筑统一、标准、规范的自然资源数字底板，推动自然资源“一张图”向三维升级，建设共建共享的自然资源数据资源管理体系，为全域全要素自然资源三维立体“一张图”、国土空间基础信息平台提供数据支撑。

3 系统设计

3.1 系统架构

自然资源综合监管平台基于SOA架构，运用云原生、分布式服务理念以B/S形式实现业务和数据的共融。依据县域数据的特点，将平台的框架设为五层结构(基础设施层、软件运行环境层、数据资源层、应用服务层、平台应用层)，同时提供2个保障体系(标准规范体系、信息安全体系)[7]，采取“一纵一横”的联通方式进行业务串联，具体如图1所示：

图1 平台建设系统框架

基础设施层基于超融合技术，由计算、网络、存储等硬件资源构成；运行环境层包括应用服务中间件、国产自主GIS软件平台、关系型数据库、非关系型数据库、分布式文件系统等软件环境，支撑整个平台中的自然资源综合监管数据融合、挖掘、分析和应用；数据资源层通过对已有的现状数据、规划数据、倾斜数据等的集成，实现对城市多维地理空间信息的感知；平台层通过搭建自然资源监管平台，为用户提供基于浏览器端、移动App端等的自然资源业务应用；应用层主要满足各级政府部门提供自然资源相关业务需求。

3.2 功能框架

为了解决多源异构自然资源信息的整合汇聚以及资源共享等问题，平台以二、三维数据资源目录体系为支撑，构建了综合管理系统、二三维数据管理系统、平台运维监控系统和掌上移动端四个模块，形成了县域自然资源“一张图”管理，建立统一的资源目录，提供一体化实景三维基础平台。

综合管理系统，提供资源展示、二三维成果展示、空间分析、地块全生命周期追溯、专题图制作功能，并通过仪表盘和驾驶舱模式，对自然资源现状、国土空间规划、国土空间用途管制、自然资源开发利用、耕地保护与生态修复等进行动态展示、监测预警和趋势分析。二三维管理信息系统基于《自然资源信息化建设总体方案》(2019版)的资源目录，将数据总体分为现状数据、管理数据、规划数据及其他数据四类，实现了数据的汇聚、管理、发布、运维等功能，提供数据内容查看和检索、入库、导出、元数据查看以及服务注册发布和统一管理等功能[8]。平台运维监控系统提供对平台服务、用户体系的管理，主要功能包括服务管理、服务监控、日志安全管理和系统配置管理等功能模块。自然资源掌上移动端基于Android操作系统开发，提供权限登录、位置查询、地块查询、合规性分析等功能，便于外业实地踏勘、执法监察、移动办公等工作的进行，推动政务服务向互联网延伸。

图2 平台功能体系

4 平台建设关键技术

4.1 多源异构数据混合存储

平台参照国家、地方及专业生产建设标准规范，并结合黟县自然资源数据实际情况，研究并规定黟县自然资源数据的分类体系、编码原则及其扩充原则，制定统一的自然资源和规划综合监管数据目录。用户可以调用预设的专题目录动态关联相应数据模板，对专题下的数据进行配置入库，并通过级联选择器选取模板管理节点，将自然资源数据以服务的方式发布共享并交换，形成物理分散、逻辑一致的自然资源三维立体数据库。

平台通过提供数据服务接口对已整合的其他部门数据进行在线接入，对于收集整理的存量数据资料采用离线数据导入；对接入的数据经过数据清洗、数据转换等处理后，根据数据类型和使用场景的不同进行采用混合存储的方式[9]。

对于二维矢量数据以及行业专题中的地理空间数据，通过空间-关系型数据库PostgreSQL存储，PostgreSQL是一个开源对象关系型数据库管理系统，支持NoSQL数据类型(JSON/XML/hstore)，在PostgreSQL数据库中通过安装PostGIS插件，以表的形式存储点、线、面数据，每个空间几何实体对应数据表中的一条记录。对于三维数据、栅格数据等以MongoDB数据库进行存储；MongoDB是一个基于分布式文件存储的面向集合的数据库，采用基于json的bson方式将数据存储为一个文档；平台通过元数据+数据文件的方式对三维数据喝栅格数据进行管理，将数据文件作为一类对象进行存储，提高文件的存储读取速率，而将数据文件中解析并抽取的元数据信息以及其所对应的数据文件层次结构和索引列表也作为另一类对象存储，两者以唯一标识编码进行链接；而对于附件数据则无须进行解析，按照文件形式存储在SeaweedFS分布式文件系统中。

图3 多数据库混合存储模式示意图

4.2 自然资源实景三维表达

随着《实景三维中国建设技术大纲(2021版)》的出台，地理实体的三维可视化已成为落实国家新型基础设施建设的具体部署，是构筑“自然资源一张底图的”基础。为了实现重点区域高精度精细化地理孪生模型，采用CW-10无人机、DP-5-0-2400型倾斜航测仪对黄山市黟县县城区约 10 km2进行航空摄影，得到的优于 0.03 m的航空倾斜影像，通过南方测绘影像数据处理系统South 3D进行空三加密、影像校正、实景三维数据生产。

图4 基于实景三维的实体模型

依据平台提供的海量数据高性能分布式渲染、细粒度的动态伸缩功能对县城区倾斜三维模型及此前得到的农房一体倾斜摄影数据中的建筑物进行动态单体化处理，通过矢量数据套合的方式在三维模型表面生成半透明的薄膜，实现对三维模型中实体的任意选定。在此基础上，将得到的模型与现有的全域三维地形进行融合，实现关键要素的语义关联。并以Cesium作为底层框架结合图形渲染引擎，建立索引缓存、数据缓存，实现数据在三维场景中的动态显示，达到基于浏览器端的三维数据的高效加载与渲染效果，满足流畅的线上三维可视化体验。

此外，为了真实展示出建筑的未来风貌场景，平台依据CAD设计图纸，按照特定范围拉伸白膜，对建筑物的相关参数进行设置，实现对BIM模型的可视化，便于管理部门对住房进行管理，打造城市多要素结构化实体三维模型。

4.3 一站式土地全生命周期管理

为了打破批地、供地、登记等系统障碍，形成土地资源管理全生命周期的逻辑关联，平台聚焦土地管理的全生命周期，利用知识图谱技术，从业务、时序和空间上建立土地全流程业务和数据的关联关系，以业务和空间双关联为核心，通过导入、绘制范围等方式实时接入土地报批、土地供应、不动产登记等批供登数据，将地籍信息作为业务串联的唯一标识，通过数据索引以目录树的形式进行空间定位与属性查询。支持实体与档案文件的挂接，以PDF等格式查看未在属性字段中展示的其他实体属性详情信息；并可通过实体以树状层次结构对建设项目从土地报批、土地供应、不动产登记的全生命周期进行追溯。

平台按照统一的标准、规范对批供登数据进行自动化处理，提取关键的属性字段，将标准化后的数据依据类别置于图数据库Neo4J中的不同位置，建立批供用全生命周期数据库；利用Neo4j数据库实现对建设用地报批数据、出让(招拍挂、协议出让)、划拨等数据的集成，将其视为自然资源实体对象，以Cypher语句存储为离散的图节点，并对实体对象关系进行抽取，构建关系边，实现对实体对象和关系的组织管理。

自然资源管理部门可以依据该平台随时随地对各地块不同阶段的情况进行查询，实时跟进项目进展情况，实现用地项目的精准监测和实时监管。

图5 土地管理查询

4.4 跨业务的数据动态更新

平台基于构建的统一的数据底板，通过业务系统将以往分散、割裂的数据进行了衔接。依据数据汇聚情况，将平台已有的数据分为自然资源业务更新、其他部门共享数据汇聚更新、地质测绘调查项目数据更新、相关指标更新等类型。目前对于传统数据库的更新一般可分为三类：批量更新、实时更新、增量更新[10]。

(1)对于有时间顺序批量更新的数据

基于自然资源时空对象间的业务关系，采用以事件为驱动的联动式增量更新技术对数据库进行实时更新，通过数据专题+时间索引的方式组织和更新。

比如对于二维矢量数据的更新，若以某个专题入库的数据，以专题中的最新图层为准，相应的专题服务以最新图层的进行取代；对于专题下的单个图层采用新增入库的方式将新数据上传到数据库，其对应的服务进行自动更新。在地块全生命周期查询模块中对建设用地报批、土地供应、国有建设用地登记的图层进行叠加分析时原数据图层发生更新，则需要重新进行叠加分析生成新的地块关系。用于动态单体化的二维矢量图层直接采用同名覆盖的方式完成更新。对于栅格数据若入库的原始数据中单个TIFF文件发生了更新，则对其进行同名覆盖更换。对于倾斜摄影等三维数据，通过裁剪剥离、数据编译等技术，在局部范围内对修改后的模型进行替换，并与周边的三维模型进行融合拼接，实现三维模型的更新。

(2)跨层级的数据更新

基于构建的统一数据底板，对行政层级横纵方向更新的数据进行统一管理，依据建立的关系模型，对地质、测绘、调查、规划等不同业务间的产生的最新数据自动沉淀到操作层，经相关部门质检、审核后上传到对应数据库中，按照类别进行实时更新。

(3)基于衍生关系的数据联动关系

比如在地块全生命周期查询模块中，若源数据发生改变，则在图数据库Neo4j中触发目标数据关联关系的联动更新。

5 结 论

本文结合自然资源智慧化管理需求，通过对黟县自然资源与规划综合监管平台进行需求调研，运用GIS、分布式、移动互联网等新一代信息技术构建了平台的总体框架，基于统一的二三维大数据资源目录体系，实现了县域倾斜摄影和三维建模的搭建，研发了二三维数据管理系统、综合管理系统、平台运维监控系统、App端等应用系统，在此基础上从数据的存储、展示、更新等方面介绍了平台运用的关键技术。目前该平台运行良好，满足了信息中心和各股室的办公需求，实现了数据、业务和应用的多态融合。但也存在一定问题，比如系统的数据整理入库工作还未完全完成，数据的深度治理、大数据的挖掘工作还有待完善，下一步将在二期项目的建设工作中进一步完善自然资源数据管库体系，增强自然资源管理的精准化、智能化、数字化。