土地调查信息管理平台研究

罗华坊

（福建省经纬数字科技有限公司，福建 福州 350000）

国土调查是对国家、地区或特定范围内的土地资源进行详细地调查和分析，以获取土地资源的各种信息和数据，并为合理利用、规划和管理土地资源提供科学依据和基础数据[1]。土地资源是人类社会生存和发展的基础，对国家经济、社会和环境的可持续发展至关重要。随着城市化进程加快和经济快速发展，土地资源的管理与利用问题日益凸显[2-3]。因此，建立高效的土地调查信息管理平台显得尤为迫切。

目前国内已经有多位学者对国土信息调查平台进行相关研究，郝连秀等[4]研究黑龙江省第三次国土调查数据接边整合的关键技术及流程，进一步完善和提高数据的准确性；聂沛等[5]采用并行计算框架Spark快速构建矢量瓦片，并基于分布式内存文件系统设计瓦片存储模型，提高海量矢量瓦片处理速度和存储效率；何江等[6]介绍了一种基于R树的空间索引技术，用于优化GIS中高效信息查询和提取的方法，并提出基于该方法的GIS最邻近查询算法。

由于当前土地管理工作面存在信息不对称、数据不完整以及管理效率低等问题，因此，该研究介绍了土地调查信息管理平台的总体技术架构，提出调查数据整合的技术流程，使用该平台对南靖县进行土地信息调查。

在实际应用中，土地调查信息规模大、种类多、空间属性强、数据权威性要求高和数据更新频繁等特点给平台的技术架构、数据存储、处理和管理带来巨大的挑战。因此，该研究以南靖县为研究对象，针对上述问题，建立科学合理的技术架构和管理模式，保证土地调查信息管理平台的稳定性，保障该平台安全运行。

1 关键技术

1.1 总体技术架构

土地信息调查信息管理平台的总体技术架构如图1所示。总体技术架构包括5个层面，其中硬件设施层是平台的基础，主要作用包括传输和存储数据、运行和部署软件、提供安全保障措施及支撑平台的生态系统。

软件支撑层主要是提供数据储存支撑和服务，以保证整个平台运行顺畅和高效。分布式文件储存将文件数据分散存储在多个物理节点中，以增加文件系统的容量、可扩展性和冗余性，对文件数据进行分片，如公式（1）所示。

式中：Dbi为数据块在节点上的索引号；Fi为文件的唯一标识；N为节点的总数；hash（）为hash函数，用于将Fi映射成数值。

分布式文件储存通常采用冗余存储的方式将数据块复制存储在多个节点上，计算每个数据块的冗余副本存储的节点，如公式（2）所示。

式中：Rni为冗余数据块在节点上的索引号；k为可调参数，用于控制冗余的数量。

数据资源层主要用于存储和管理各种土地调查数据和资源，并收集、存储和提供数据资源，为土地调查提供数据支持。对数据进行价值评估，如公式（3）所示。

式中：Dv为数据价值；Di为数据的重要性评分；DSca为数据的稀缺性评分；DSub为数据的可替代性评分；W1、W2、W3分别为数据重要性、稀缺性和可替代性的权重。

为确保数据的准确和完整，需要定期清理和更新数据，如公式（4）所示。

式中：Dcf和Daf分别为数据变化频率和数据时效因子。

系统服务层负责与其他层间的数据交互，并为业务应用层提供支撑。

1.2 整合调查数据

土地信息调查数据整合包括对现有国土调查数据库成果以及影像资料进行预处理、数据库接边处理、数据库建立、举证成果整合更新、数据库质量检查、国土调查成果和统一时空基准及等。主要技术流程如图2所示。Delaunay三角网是广泛应用于计算机图形学中的三角剖分方法，用于将点集按照拓扑结构构建三角形网格，基于Delaunay三角网的数据库接边检查方法，其核心技术是通过检查新加入的点与其相邻三角形的外接圆关系判断是否需要调整，具体包括以下步骤：根据土地点数据构建初始三角网，采用插入算法将新点加入三角网中，根据新点所在的三角形顶点计算该三角形的外接圆信息，如果新点在外接圆内，采用边翻转算法调整Delaunay三角网，使新点满足Delaunay性质，将上述步骤进行迭代直到所有待插入的点都加入三角网中且保持Delaunay性质，最后将结果在土地信息调查平台上展示，以便用户查看和分析。在数据整合过程中，采用基于Delaunay三角网的数据库接边检查方法有效解决地理信息数据间的拓扑错误和一致性问题，减少数据处理中的数据集成、转换和质量控制工作，提高数据处理的精度和效率。

图2 数据整合技术流程

1.3 多源异构数据储存管理

国土调查成果数据具有数据规模大、数据种类多、空间属性强、数据权威性要求高和数据更新频繁等特点，采用多源异构数据储存架构，多源异构混合储存是用多种不同的存储介质组合优化数据的存储性能和成本的技术。主要包括分布式文件系统、对象存储、关系型数据库、NoSQL数据库和分布式缓存等存储介质。这些存储介质可以根据存储数据的不同类型和访问模式灵活组合和调整，以提高数据的可用性以及存储和访问的效率。

采用关系型数据库分区，可以有效地管理大数据量和提高数据库性能，关系型数据库分区的步骤包括设计分区方案、创建分区表、设定分区规则、迁移数据、测试和维护。首先，根据数据的类型和年份等特征对数据库进行分区，其次，以县级行政区为单位划分数据库表，每个年份对应一个数据库表，每个县级行政区对应一个数据库分区的目的。对已存在的数据，需要按照规则迁移到新的分区。实现大数据量存储和分布式架构，可以更高效、快速地查询或修改某个子表的数据，减少系统的响应时间和资源消耗。

国土调查成果具有多年份、多版本的特征，当采用时态数据模型时，时态模型会为数据添加时态属性，可以用于记录数据的有效时间范围，将历史数据以及其对应的时态属性存储在数据库中。每当数据发生变化，系统会将新的记录插入数据库，而不是直接更新原有记录，并允许用户指定时间范围，查询特定时间段内的数据变化，或某时刻数据的状态。与传统关系型数据库中的静态数据相比，时态数据模型在数据的更新和版本管理方面可以精确记录数据变化并且支持多版本数据查询。

1.4 调查成果管理与应用

为满足土地数据管理、分析的需求，提出创建土地管理和服务成果信息管理系统。为数据管理者、业务分析人员和学术研究人员提供服务，实现数据的快速维护、查询、发布、更新、分析、展示和统计。对不同行政区划代码实现多个管理单元的并行管理方式，以满足行政区、农垦等管理单元的数据管理需求。

为使庞大而复杂的空间数据更直观，采用影像底图和数字高程模型的组合技术，以实景三维的形式呈现土地信息调查和专题调查结果。同时，采用矢量瓦片技术直接连接省级土地信息成果数据库，并建立瓦片形式的空间索引系统，将海量的空间数据和属性信息存储在瓦片中。矢量瓦片技术是以矢量形式存储和呈现地图数据，将地图数据按照一定的层级结构切分成不同的瓦片，每个层级对应不同的地图缩放级别，层级越高，地图显示的细节越精细，最后采用矢量绘制算法将矢量数据绘制成图像。平台还设计相应的瓦片数据请求机制和传输协议，可以快速加载和显示地图。这项技术提高了数据搜索的效率和可视化的能力。

在查询和分析海量地理空间数据的过程中存在一些时间和空间成本问题，因此，该研究提供了以区县单元为单位的多线程并行空间管理方法。该方法以多个行政区为网格，按照年份对区县单位的土地调查信息数据进行分类，形成时间段。在此基础上，建立分布式空间索引，以便高效管理分布式空间信息库。采用该索引对大量信息进行空间分类，并提高检索与分类效果。

2 应用实践

2.1 数据整合集成情况

基于该文提出的总体架构和核心技术，在土地调查信息管理平台的基础上，成功整合福建省漳州市南靖县县级调查结果数据。按照县级调查成果的整合技术流程，收集县级土地调查结果。进一步整合农垦林工子系统数据库，将其纳入县级子系统中，成功整合数据库。整合土地利用数据、永久基本农田、生态红线和耕地资源等数据资源，实现土地管理、时间点更新、土地管理及变更等数据资源的整合。成功创建研究结果数据库，包括图像、土地类型、面积和所有权等信息。

2.2 平台功能模块

运用GIS数据库、NoSQL数据库和分布式文件存储方式，对基础数据和专项数据等覆盖不同来源和领域的多种数据成果进行一体化管理。包括数据成果的并行存储、更新维护、农垦林工子系统的统一管理、集成查询、分发搜索和发布共享系统运维。这些模块的配合可以为数据成果数据库的创建、管理和共享提供保障。

平台集成南靖县的实景三维模型，将土地信息调查结果纳入数据库，可以在大中小地图数据中实时查看和交互查询且支持任意比例尺和秒级响应时间。系统不仅支持查看土地调查成果、专项调查和自然资源相关时间序列数据。还支持县镇村三级统计图联动、网格与矢量融合、三维的绑定以及多屏对比功能。重叠分析计算、统计汇总和误差更正等不仅均由平台自动化完成，还单独建立农垦和林工统计汇总模块，以满足实际情况的需求。

2.3 应用成效

基于数据资源整合和管理平台，南靖县土地调查成果成功完成整合。调查整合的自动化程度和效率不仅显著提高，还实现土地调查、变动调查和专项调查成果的综合管理和应用。实现三维数据时间序列的融合展示，突出全县山水、森林、田野、湖泊、草原群落特征。平台为南靖县顺利完成多轮调查成果的专项分析与汇总工作提供了有力支撑，完成超过50项分析与统计工作。上述成果将持续为自然资源变化监测、土地利用分析、建设用地变化提取和耕地保护等提供信息化服务。

除测试平台功能外，还测试了平台的性能，保证平台稳定地运行，测试结果见表1。由表1可知，平台各测试项均通过，表明平台在成功整合土地信息数据的同时能稳定、高效地运行。

表1 平台性能测试结果

3 结论

该研究介绍了土地调查信息管理平台的总体技术架构，提出调查数据整合的技术流程，在数据整合过程中采用多源异构混合储存、影像底图和数字高程模型的组合、关系型数据库分区等技术，最后使用该平台对南靖县进行土地信息调查，得出以下结论：1）平台成功整合南靖县农垦林工子系统数据库，并将其纳入县级子系统中，成功创建研究结果数据库，包括图像、土地类型、面积和所有权等信息。2）创建南靖县的实景三维模型，突出全县山水、森林、田野、湖泊、草原群落特征，成功整合数据库，同时也实现土地调查、变动调查和专项调查成果的综合管理和应用。