基于分层分类的自然资源时空数据组织结构探讨

金健，任建福，黄景金，杨郑贝

（1.广西壮族自治区自然资源调查监测院，广西 南宁 530023；2.北部湾经济区自然资源监测评价工程技术创新中心，广西 南宁 530219）

自然资源自古以来便是一个国家得以发展的物质基础，更是人们赖以生存的重要物质保障，保护自然资源就是保护和发展生产力。如何对自然资源进行高效、协同化的保护、开发和利用是新时代自然资源管理亟需解决的问题；而在数字化建设迅猛发展的当代，对自然资源相关数据进行有序组织和高效管理更是自然资源管理最重要、最直接的抓手之一。自生态文明体制改革以来，随着《深化党和国家机构改革方案》的出台，广西积极组建自然资源厅，将涉及海洋、森林、草地、湿地、水资源的调查监测职责重新整合，进而彻底解决相关部门的数据矛盾。同时，自然资源部在三维立体时空数据库建设、信息化建设、自然资源调查监测体系构建等工作中多次提出，要建成自然资源日常管理所需的三维立体“一张图”[1]。这就为今后指明了方向，新时期的自然资源数据组织、管理将不再以单一的二维物理拼接模式延续。

本文围绕广西自然资源管理需求，以“成熟一个、集成一个、共享一个”的思路整合各类自然资源调查监测数据（库）[1]为最终目标，遵循生态系统的整体性、系统性及其内在规律，提出了基于“地上地下、陆海相连”的分层分类三维立体时空数据统一组织结构[2]。通过三维空间的立体分层体现各类自然资源数据之间的逻辑性，通过各层内部的自然资源分类突出自然资源成果数据管理的重点[3]。

1 自然资源数据管理现状

长期以来，广西各类自然资源管理均分散组织实施，成果数据海量、种类繁多，涵盖了耕地、森林、湿地、海洋、矿产、草地等各类自然资源相关业务数据。同时，各部门、各行业、各层级基于职责分工形成了仅满足自身管理需求的调查监测指标体系和数据的组织管理模式[4]；久而久之，导致了数据成果分散、语义不统一、内容相交叉、指标相矛盾等突出问题，严重制约了广西治理体系和治理能力的现代化建设。

1.1 数出多门

经过多年的分头组织管理，同种自然资源在不同管理部门所采用的调查监测指标也不尽相同，如海洋资源在自然资源部门的调查指标为自然岸线保有率，而在海洋部门的调查指标主要为海水质量状况、海水富营养化等。存在于同一地理空间的自然资源可能在不同的管理部门被划分为不同的资源类型，如河流湿地、湖泊湿地在国土三调中被定义为水系，而在湿地二调中被统一划定为湿地；种植园地在国土三调中被定义为园地，而在森林资源清查中被划定为林地。同时，同类自然资源的调查监测工作在不同时期起调的尺度相差甚大，导致数据衔接相当困难，如湿地一调的最小调查面积为100 hm2，湿地二调的最小调查面积仅为8 hm2。上述种种问题，严重制约了“一张底板、一套数据和一个平台”的建设[5]。

1.2 数据孤岛

广西跨部门、跨行业、跨层级间的自然资源调查监测成果数据始终采用相互独立的组织管理方式，各类数据独立存储、各自维护、自行更新，形成物理上的数据孤岛；同时，由于各部门、各行业、各层级对自然资源管理需求的不同，导致定义、标准、范围不一致，形成了逻辑上的数据孤岛。因此，采集的数据间无法互通，调查监测成果不能共享，各类数据库间也无法兼容并用，大大增加了数据合作的沟通成本，严重影响了广西自然资源数据一体化管理建设。

1.3 数据平台建设

经过多年的信息化建设，2012年广西建成了以国土资源“一张图”数据库综合审批、监管与统计分析为主的信息数据平台，相继建设了28个耕地、矿产、海洋、测绘等国土资源基础数据库，数据量超过40 TB。近年来，随着相关数据成果的汇集、整理和不断充实，实现了用地、用矿、用海等自然资源日常管理的信息化审批和动态监管。

随着生态文明体制改革、机构改革以及对各类自然资源调查监测要求的不断提高，为了更好地适应生态文明建设和自然资源管理的需要，应按照更加科学、简明、可操作的方式进行数据组织模式的重构，需在现有国土资源“一张图”的基础上，汇集各类差异甚大的自然资源数据，利用大数据、云计算、三维可视化等先进技术，建立各类自然资源三维空间上的相互联系，实现高效的信息化数据统一管理。

2 数据统一组织结构设计

针对广西自然资源数据管理现状，重点解决数出多门、数据孤岛等现实问题，建立多源海量数据在物理逻辑上的统一，在三维空间上可关联的组织结构，为自然资源管理提供便利。基于现有的基础测绘数据搭建三维空间框架，以三维空间位置作为组织和联系所有自然资源的基本纽带；纵向上，实现空间关联数据的多层叠加和套合；横向上，将同一层分为历史数据和现状数据，可展示各类资源随时间进程的变化情况，且各类资源数据之间相互融合、相互衔接；最终形成“纵向有关联、横向可衔接”的广西自然资源分层分类时空数据统一组织结构，实现跨部门、跨行业、跨层级的不同数据的有序汇集。

2.1 数据分层设计

分层分类时空数据统一组织结构以广西现有的基础测绘成果为框架，以数字高程模型为基底，以高分辨率遥感影像为背景[5]，按照三维空间位置，统筹考虑地下、地表、地上三维立体空间的对应方位；纵向上，由下至上依次分为地下资源层、地表基质与地形地貌层、地表覆盖层和管理层；横向上，通过统一标准、数据融合等技术手段形成各时期的自然资源数据成果。通过将广西自然资源数据从多源二维向有组织、有分类、有时间变化的统一三维时空扩展方式转化[6]，形成统一协调的支撑自然资源和国土空间开发利用与保护的数据结构基础。具体分层设计结构如图1所示。

图1 广西自然资源分层设计结构示意图

1）地下资源层，包括地表以下的各类自然资源调查监测成果。广西矿产、地下水资源丰富，目前已拥有多年的地下水、矿产资源等调查监测成果数据，还可逐步增加地质等调查成果数据。

2）地表基质与地形地貌层，根据目前广西的调查监测技术手段，主要包括地质调查、海洋（海底基质）调查、土壤调查等专项调查成果，但还需统一空间坐标、数据格式等形成基质层数据；可采用广西统一的数字高程模型来表征地形起伏特征。

3）地表覆盖层，需以国土三调、地理国情普查成果数据为基础，融合各类自然资源多年的专项调查、专题监测数据，主要包括耕地资源、森林资源、湿地资源、草地资源、水资源、海洋资源等。

4）管理层，需根据广西自然资源管理现状和需求具体设计，包括广西各级行政区划、地名地址、自然资源权属界线、生态保护红线、城镇开发边界、自然保护地界线、开发区界线等数据成果。

2.2 数据分类设计

自然资源数据分类将在数据分层的框架下，综合考虑数据所属类型、地表覆盖分类、数据时效性等现实应用需求，对各类自然资源数据进行分类设计。最终，按照统一的空间参考和分类标准，采用多源数据融合技术将基础调查获得的共性信息层与专项调查的特性信息层进行空间叠加，建立内容完整、标准统一、动态更新的自然资源数据体系[7]。本文重点探讨数据所属类型分类。

2.2.1 所属类型分类

根据广西正在进行的各类自然资源调查监测工作和已有数据成果，将各类自然资源数据分为基底数据类、调查监测数据类、管理数据类、其他数据等4个一级类、23个二级类和111个三级类。一级类依据数据资源的用途进行划分，二级类依据数据资源所属的资源类型、管理内容进行划分，三级类依据所开展的各项具体项目内容进行划分[8]。数据所属类型分类组织结构如图2所示。

图2 广西自然资源数据所属类型分类组织结构示意图

1）基底数据。该类数据作为统一空间定位的数据基础，涵盖了各类基础测绘数据，具体目录如图3所示。

图3 广西自然资源分层分类组织结构基底数据类

2）调查监测数据。该类数据根据对应的三维空间位置分别放入地下层、地表基质与地形地貌层、地表覆盖层，包括广西已开展的地下、地表、地上各类资源的调查监测历史、现状成果数据。具体数据目录如图4所示。

图4 广西自然资源分层分类组织结构调查监测数据类

3）管理数据。该类数据将放入管理层，涵盖全区各级行政区划管理数据、测绘地理信息管理数据以及满足广西自然资源日常管理所需的数据[9]。具体数据目录如图5所示。

图5 广西自然资源分层分类组织结构管理数据类

4）其他数据。该类数据为管理数据的拓展补充，基于历史数据、现状数据和管理数据的分析与思考，为未来构建一个统一且带有社会经济和人类活动的自然资源分类要素体系，需进一步有机整合社会数据、经济数据和人类活动数据[10]。信息化社会带来的大数据也为数据分类体系提供了城市运行方面数据，以用促管，确保数据资源管理持续提效。具体数据目录如图6所示。

图6 广西自然资源分层分类组织结构其他数据类

2.2.2 所属资源分类

在数据分层组织设计的基础上，结合广西自然资源特性，本文根据国土三调和地理国情普查等分类标准，进行广西地表基质分类、广西地表覆盖分类、广西土地利用现状分类和广西自然地理单元划定。

2.2.3 数据时效分类

为满足广西各类自然资源调查监测动态监管的需求，按照时间顺序将各类自然资源分为历史数据类、现状数据类和规划数据类。

2.3 基本功能设计

在自然资源数据分层分类组织结构设计的基础上，针对各类自然资源数据海量、内容丰富等特点，为组织模型设计了高效浏览、查询、分析等功能。具体功能如图7所示。

图7 数据组织结构功能设计

2.3.1 海量数据加载

本文通过分析广西自然资源分层分类组织模型每一层的数据特点，设计了各层的数据接口，以保证本层内的各类数据能快速入库并与统一的空间基础数据进行配准定位，且各层级间数据互不干扰，实现海量时空数据的快速加载。

2.3.2 三维数据展示

分层分类时空数据统一组织结构是由简单的二维物理拼接方式向三维立体多尺度多时空模式的转变，将结合大数据处理、UE和CG等平台开发技术，实现多种应用场景的三维数据快速展示。

2.3.3 数据基本操作

结合自然资源管理的现实需求，对各层各类数据均可实现快速浏览、属性查询、空间定位、统计分析、专题图制作和动态更新等操作。

3 技术难点

本文提出的基于分层分类的三维立体时空自然资源数据统一组织结构，是通过建立“地上地下、陆海相连”且相互关联的数据底板的数据组织形式，形成统一协调的支撑自然资源和国土空间开发利用与保护的数据基础。因此，需要采用“专业化处理、专题化汇集、集成式共享”的方式，从数据的获取方式、组织形式、语义内涵等各方面统一标准，同时按照数据整合规范要求，在各数据层内组织对各类自然资源数据进行整合衔接，逐步消除由数出多门而引起的数据冗余、数据打架，逐步打破数据孤岛的壁垒。

3.1 统一标准

本文遵循山水林田湖草是一个生命共同体的理念，深入梳理各类自然资源信息化建设的相关标准，结合国家标准体系，协调各类标准之间的矛盾，从逻辑关系、数学基础、分类体系、分类编码、术语定义等方面研究完善了现有的自然资源分类标准、地表覆盖分类标准、数据库标准、系列技术标准、规程规范等[11]；最终建立了包括网络基础设施、数据生产、数据成果、系统开发、应用服务、安全保密等统一的自然资源信息化标准框架体系，重点解决概念不统一、内容有交叉、指标相矛盾等问题。

3.2 数据衔接

以《自然资源调查监测评价体系构建总体方案》和《自然资源部信息化建设总体方案》为指导，在国土三调成果的基础上，研究了国土三调与各类自然资源调查监测成果数据的相互衔接以及各类自然资源调查监测历史数据之间的相互关联衔接，主要解决层内数据归类模糊、层间数据内容交叉等问题，最终集成建库，形成具有统一空间基础和数据格式的各类自然资源调查监测历史数据库[12]。

4 结语

基于分层分类的三维立体时空海量数据统一管理模式是新时期生态文明体制改革、机构改革背景下自然资源管理的必然需求，也是推动国土调查向自然资源调查升级的必然要求[1]。为进一步研制自然资源分层分类模型，实现广西自然资源“一张底板、一套数据”的综合应用，本文探讨设计了广西自然资源分层分类时空数据统一管理模式，以广西自然资源信息化现状为基础，充分集成并应用已有的信息化数据成果，重点解决了各类自然资源数据融合以及广西自然资源调查监测标准体系建设等技术难点，为切实加快建立自然资源统一调查、评价、监测制度，健全自然资源监管体制，打牢数据基础。