国土调查数据可视化管理平台设计研究*

巫向荣

(广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060)

0 引言

我国国土面积较为辽阔,地物资源丰富且分布零散,因此需要通过专业技术方法对国土资源进行调查测绘,获取国土资源类型、储量、利用情况、时空变化等,形成国土资源基础数据成果,为国土资源开发利用提供数据支撑。近年来,我国愈加重视国土资源调查工作,利用遥感卫星、无人机、物联网传感等技术手段,结合实地调查,形成不同形式的国土调查数据成果[1]。但由于国土资源覆盖类型较多,包括土地资源、矿产资源、林地资源、海洋资源等,不同调查方法所形成的数据成果又具有不同的表现形式,同时存在调查与管理部门相对较多,历史数据更新较慢,数据来源复杂多样等问题[2],使得国土调查数据成果管理混乱,无法形成统一化、规范化数据成果,不利于国土调查数据的二次利用及共建共享。

随着GIS技术的不断发展进步,对多类型海量数据的处理效率及处理能力日益提升。以GIS技术为基础,构建国土调查成果数据库,利用GIS数据处理成果的规范化、标准化存储能力,实现国土调查数据成果的统一化管理[3]。同时,可结合数据可视化技术,将国土调查数据成果进行面向对象的可视化呈现,大大提升国土调查数据查询、浏览及应用效率。现阶段已有部分地区开始或建成了国土调查数据管理系统,但由于各地区起步时间和建设水平存在差异,导致国土调查数据管理系统具有较高的独立性,数据标准体系尚未统一[4],数据展示形式也较为单一,大大影响了国土调查数据成果的共享共用。本研究基于GIS技术及可视化技术,从某市国土调查数据管理的现状出发,设计并开发了国土调查数据可视化管理平台,对国土调查数据标准体系建设、管理平台基础架构、数据成果可视化呈现等进行分析研究,提高数据成果共享共建能力,以多元化专业图表及立体模型向用户提供较为直观的数据成果,从而实现数据管理标准化、应用服务大众化,为国土资源利用及空间规划建设提供数据支撑。

1 国土调查数据可视化管理平台

1.1 数据标准体系建设

现阶段数据资源不仅仅只是数据表格、图像图形、纸质文档等传统数据成果,随着数据类型和数据体量的逐渐增加,传统数据资源及信息资源已然发生了较大改变,尤其是在大数据技术的推动下,数据资产理念应运而生。数据资产是采用一定技术手段将数据资源进行“变现”处理,充分发挥数据自身价值,体现数据资源的重要性,而将数据资源“变现”是数据资源资产化的必要环节[5]。国土调查数据是我国极为重要的基础地理数据,数据量大,覆盖类型广,具有多年度、多专题、多维度的特征,通过对国土调查数据进行资产化处理,建立全国范围内的国土调查数据规范化、标准化资产库,构建统一的数据标准体系,提高国土调查数据利用效率,为国土空间规划及自然资源监管提供基础,最大程度发挥国土调查数据资产利用价值。

国土调查数据标准体系建设的核心在于数据资源资产化,其体系架构主要划分为4个层级。各层级主要内容及功能如下:

1)贴源数据层。贴源数据层是对国土调查、土地利用、社会经济以及历史调查数据等多源异构数据进行汇聚整合。该层数据为原始数据库,不进行清洗加工,仅保留原始数据内容,对统一多类型数据录入标准,构建国土调查贴源数据库,便于后续追踪溯源。

2)数据仓库层。数据仓库层是利用规则引擎对贴源数据库中的原始数据进行清洗、过滤及转换等进行加工处理,按照资源域、管理域、共享应用域等对国土调查数据进行分类整理,初步建立国土调查数据资源目录体系,形成规范化、标准化国土调查数据仓库。

3)标签数据层。标签数据层是以数据仓库层为基础,依据国土调查数据成果业务应用要求,对数据要素、操作人员、业务关系等进行梳理,构建国土调查数据标签,包括资源标签、区域标签、服务对象标签等,利用数据标签实现国土调查数据成果的快速检索,提高不同业务方向用户国土调查数据利用效率。

4)数据展示层。数据展示层是直面用户的层级,依据用户需求设定不同的业务方向,针对各业务方向关注重点,对国土调查数据进行可视化呈现,通过数据图表、画像、报告等形式,向用户直观呈现国土调查数据成果。

图1 国土调查数据资源资产化体系架构Fig.1 Architecture of land survey data capitalized system

1.2 基础架构设计

本研究设计开发的国土调查数据可视化管理平台是基于动态伸缩的微服务架构,综合利用GIS技术、可视化技术等,结合国土调查数据管理痛点及用户使用需求进行专业化设计开发,平台基础框架主要包括5个层级,自下而上分别为基础设施层、数据层、服务层、应用层和用户层,如图2所示。各层主要功能如下:

图2 可视化管理平台框架结构Fig.2 Visual management platform framework structure

1)基础设施层是国土调查数据可视化管理平台的核心支撑,包含了存储资源、网络资源、安全资源、计算资源等在内的管理平台基础服务资源。

2)数据层即国土调查成果管理数据库,包括调查过程数据、结果数据、历史数据、变更数据以及社会经济数据等,通过对数据资源资产化处理,分类分域管控,实现多源数据资产的标准化统一管理。

3)服务层是利用GIS引擎、规则引擎、可视化工具等对数据层提供的数据进行统一管理调度,将调查数据按照应用需求进行符号化、专题化、可视化处理,形成标准化接口,便于应用层进行调用。

4)应用层是依据国土调查数据应用方向进行专业数据展示,通过调用服务层数据接口,形成数据管理子系统及数据分析子系统,两系统共同作用,实现国土调查数据分析、成果展示、多方式输出等。

5)用户层即国土调查数据可视化管理平台使用对象,主要包括省市县三级自然资源管理部门。

1.3 可视化设计

传统国土调查数据成果多为数据表格以及遥感影像数据,专业性较强,但数据表现方式复杂,很难直观了解数据内容。数据可视化能够大大提升数据表达效果,利用数学模型进行国土调查数据自动分析及可视化展示,增强数据直观表现能力。国土调查数据可视化设计主要包括图表可视化和地图可视化。

1.3.1 图表可视化

图表可视化是较为普遍的数据表达方式,传统国土调查数据表达多采用图表形式进行数据展示,通过折线图、柱状图、散点图等形式对国土调查数据进行分析展示,将复杂的统计数据表格转换为可以直接进行信息判读的图形数据,直观展示国土调查数据的变化趋势、离散程度、占比分析等。但传统数据图表类型较为单一,并未结合业务应用进行专业设计展示,仅具有图表通用功能,无法满足国土调查数据类型及应用方向多样的数据展示需求。因此,需要进行国土调查数据图表可视化设计,主要分为业务指标梳理、确定分析维度、图表原型设计3个阶段。

国土调查数据成果类型较多,同时业务应用方向较为复杂,用户对不同类型、不同专题数据展示具有较高的要求。以土地利用调查数据为例,本研究以不同类型土地利用核心指标为参考基准,梳理业务指标,构建不同利用类型标准数据标签体系;以标准数据标签体系为基础,结合数据展示需要,确定相应的数据分析维度,实现国土调查数据的按需分析;然后针对业务数据特性进行图表原型设计,通过多类型可视化数据图表针对性展示国土调查数据,满足不同业务方向应用需求。国土调查数据可视化主要以3种数据图表的形式展现,如图3所示。

图3 图表可视化应用效果Fig.3 Application effect of chart visualization

1)桑基图。桑基图能够较为直观地展示数据流动及流向,在国土调查数据展示时,可用来对土地利用类型变化进行可视化展示,让不同土地利用类型之间的流量及流向变化变得更为直观。

2)瀑布图。瀑布图能够对多个对象之间的数量变化关系及对比进行直观表达,可用于展示多年间土地利用类型面积的变化分析,利用不同颜色及方向对面积增加或减少进行可视化呈现。

3)和弦图。和弦图视觉冲击力较强,能够以线条直观展示不同数据之间的内在关系及流量变化,可用来对城镇用地、工矿用地等用地类型与一级类土地利用类型之间的内在关系进行表述。

1.3.2 地图可视化

国土调查数据成果普遍具有较强的空间分布特征,可采用专题地图进行可视化表达,从空间层面直观呈现国土调查数据空间分布规律、时间变化特征、演变过程机理等。本研究以地图综合技术、可视化技术等进行国土调查数据地图可视化设计,同时结合空间三维及GIS图层等,对国土调查数据的细节层次及分布特征进行精细化处理,并改进完善地图的信息承载能力、表达主体以及视图色彩等[6],从而确保国土调查数据地图可视化成果兼具专业性及可读性。

不同类型的国土调查数据成果需采用不同专题地图进行可视化表达,除普遍采用的点、线、面要素专题地图外,还可以采用表现力更为丰富的色彩地图进行分析展示。如通过在格网图上按照区间大小进行颜色填充,对某一用地类型占比的空间分布特征进行直观展示;利用不同高度、不同颜色的三维柱图对某一用地类型的分布情况进行表述,柱子高度和颜色分别表示用地类型面积及所占比重;利用热力图和三维热力图对用地类型的增加强度进行可视化展示,通过高亮渲染色彩及三维热力图高度直观呈现增加量及增加强度的分布规律等。地图可视化效果如图4所示。

图4 地图可视化应用效果Fig.4 Application effect of map visualization

2 系统功能实现

国土调查数据可视化管理平台功能实现应从国土调查数据管理现状出发,旨在提升国土调查数据成果管理及使用效率。本研究设计开发的国土调查数据可视化管理平台可为用户提供基础服务及定制化需求开发服务,主要包含以下功能:

1)国土调查数据库管理功能。为解决国土调查数据类型多样、管理混乱等问题,平台支持国土调查数据库管理,以国土调查数据成果为基础,将基础地理信息、自然资源数据、国土空间规划数据、社会经济发展数据等进行综合叠加处理,从而实现国土调查数据的多维度综合化管理。该功能模块支持国土数据导入、数据质量检查、定期数据更新、数据分类管理、地图服务管理、元数据管理、数据输出等,从多个方面提升国土调查数据管理及使用效率。

2)国土调查数据可视化分析功能。国土调查数据类型多、数据量大,导致数据分析存在一定困难,平台利用大数据挖掘及可视化技术,结合专业数学模型,对国土调查数据进行可视化分析,提高数据分析处理效率。该功能模块支持可视化大屏、专题分析、专题地图、相关分析、趋势分析等,实现国土调查数据多时态、多维度可视化分析展示。

3)国土调查数据共享服务功能。国土调查数据成果是多个业务部门的基础数据,通过对国土调查数据进行再加工,能够满足多类型业务需求,故平台支持数据共享,通过接口将不同类型数据成果进行共享服务。该功能模块支持服务制作、成果发布、访问统计、权限控制、用户管理、日志管理等功能,以标准化体系实现国土调查数据成果的共享应用。

3 系统应用

为对本文设计开发的国土调查数据可视化管理平台的应用效果进行分析验证,采用该平台对呼伦贝尔市级国土调查数据管理项目进行应用研究,构建研究区全域范围内国土调查数据标准化数据资产库。为针对性解决研究区国土调查数据管理痛点,在平台既有功能的基础上,重点针对大屏展示、在线地图、数据分析、成果报告等模块进行二次设计开发,进一步提升国土调查数据可视化管理能力,提高全市范围内国土调查数据分析展示及综合管理水平。

1)大屏展示。国土调查数据可视化管理平台通过对研究区土地利用、专项调查等关键性指标进行精确抽取,利用相应分析维度的图表和地图进行数据成果可视化表达,提高国土调查数据空间分布、结构特征、变化趋势等数据可读性;同时支持市、县两级系统管理,灵活调整图表及地图数据的统计方法,以符号化、图形化数据大屏替换传统数据表单,进一步提升关键数据信息快速获取效率。

2)在线地图。在原有管理平台的基础上,将在线地图分为普通地图和专题地图两大类。普通地图主要展示国土调查常规地图数据,支持以行政区、用地类型、年份月份等形式对数据成果进行浏览查询、分析下载等;专题地图是调查数据的高级统计方式,以不同形式的专题地图及数学模型对调查数据统计成果进行展示,利用色彩、符号等工具凸显专题数据的空间分布及变化特征。

3)数据分析。数据分析主要包括全局分析和专题分析。全局分析是从宏观层面对区域国土调查数据空间变化特征进行研究,结合区域历史文化及社会经济效益,进行全域范围内总体分析研究;专题分析是针对某一业务方向或某一用地类型进行针对性分析,专业性较强,数据表现内容及表现形式更为具体。

4)成果报告。数据分析完成后需形成分析报告,结合研究区实际情况,从土地利用结构、变化趋势、权利情况等多个维度进行标签体系建设,依据分析结果自动生成成果报告。成果报告内容专业且覆盖全面,全过程自动化生成,效率较高且降低了管理人员工作量。

4 结束语

国土调查作为我国基础性测绘工作,覆盖范围广,数据体量大,数据成果管理较为混乱,严重影响了各地区调查数据的成果共享。本研究先利用GIS技术进行国土调查标准化数据库建设,通过将调查数据进行资产化处理,构建统一的数据标准体系,设计开发国土调查数据可视化管理平台,提高国土调查数据利用效率;然后利用大数据可视化技术对调查数据进行图表可视化和地图可视化呈现,针对不同业务方向采用不同的可视化方式,提高了数据可读性。将设计开发的国土调查数据可视化管理平台应用到某地区市级国土调查数据管理项目中,并针对该地区实际情况进行了二次开发建设。结果显示,该系统能大大提升该地区国土调查数据管理水平,同时也可为区域自然资源监管、国土空间建设规划提供基础数据支撑。