面向建设用地专题分析的实体模型及应用

蒋凤钗,练 栩,徐 然,雷丽珍,刘雪俊

(1.广东省国土资源技术中心,广东 广州 510060; 2.自然资源部粤港澳大湾区自然资源数据协同应用工程技术创新中心 广东 广州 510060)

数字政府改革建设对自然资源管理数字化转型提出了更高的要求,数据应用是数字化转型的核心。如何释放自然资源和空间地理数据价值,以适应数字化转型中多样化、快速的数据应用需求,仍需进一步深入研究。目前,国内外许多研究者围绕构建科学的数据模型、提升数据应用效率展开了系列研究。在数据模型方面,文献[1—2]从自然资源三维立体时空主数据库建设技术框架出发,研究了时空数据模型构建方法;文献[3]提出了多粒度时空对象数据模型,以解决传统GIS向全空间信息系统的扩展问题;文献[4]设计了一种自然资源实体对象的图数据模型,并利用Neo4j图数据库中实现了实体和关系的构建和组织;文献[5—6]对地理实体的空间组织和多态特征进行了分析和实践探索。在数据应用效率提升方面,文献[7]构建了面向智慧城市数据管理和应用的分析型数据仓库;文献[8]利用图数据库,实现了土地全生命周期数据关联和分析应用;文献[9]从业务角度提出了土地全生命周期关联思路;文献[10]基于全生命周期模型,探索了“一码管地”的数据协同应用。

目前多数研究是利用面向对象思想,通过改变现有基于图层的时空数据组织模式,实现对实体对象时间、空间、属性上的动态变化及实体间的泛在关联,即试图通过改变数据管理模式,以提高数据分析效率,很少有面向专题分析的实体数据模型及应用效率提升的研究。

业务上对建设用地的管理贯穿于规划、审批、开发利用等多个环节,且有明确的监管要求[11]。这不仅使建设用地数据类型增多,且使数据应用分析复杂,需协同关联多环节业务数据。目前,建设用地专题分析主要通过反复的图层叠加、库表挂接及人工核查等方式实现,效率普遍不高,自动化程度有待提升。究其原因,主要是当前的时空数据管理模式不支持对建设用地实行对象化管理,面向业务上提出的专题分析需求,往往无法快速协同多源数据响应。针对时空数据管理在建设用地专题分析中的不足,本文以建设用地为对象,面向批而未供核算、建设用地地类回溯、临时用地监测监管、闲置土地分析及疑似违法用地识别等专题分析问题,设计构建建设用地实体模型,实现多源数据协同关联,解决建设用地分散管理、分散应用的核心问题,进一步提升数据分析效率。

1 建设用地实体及业务逻辑

1.1 建设用地实体类模型

建设用地实体是能够独立识别、具有独立监测和统计分析意义的对象,反映的是客观世界已经或将要作为建设用途使用的土地特征,包括其地理位置、空间形态、自然属性、分布规律及成因机理等[12]。根据建设用地实体的概念,结合业务需求,本文将建设用地抽象为现状建设用地实体、实施建设用地实体和规划建设用地实体[3-4]。其中,实施建设用地实体又根据业务环节不同,划分为农用地转用与土地征收项目实体、土地供应项目实体、临时用地项目实体、闲置土地实体等。进一步,根据建设用地实体类,以及子类与对象之间的继承和聚合关系,构建一个具有层次结构的建设用地实体类模型,如图1所示。

图1 建设用地实体类模型

1.2 建设用地业务逻辑与数据协同

建设用地全生命周期流程可划分为国土调查、空间规划、农转用审批、土地征收、土地储备、土地供应、开发利用、耕地占用补划、执法巡查、土地整治修复、确权登记等若干环节[12],即调-规-批-征-储-供-用-补-查-修-登。不同的业务环节涉及不同的建设用地实体,构建任意两个实体间的关系,往往都具有统计和分析意义(如图2所示),如构建实体间“批-供”关系,可反映批而未供或已批已供信息。

图2 建设用地实体业务逻辑关系

面向不同专题分析需求,建设用地实体所需要协同关联的数据不同,本文以5个专题应用场景为切入点,梳理形成了数据协同关系,如图3所示。

图3 面向建设用地专题分析的数据协同关系

其中,批而未供面积核算专题须为业务实时推送已批未供应的建设用地面积;建设用地回溯专题须支持业务上查看任意图斑的地类及地类变化;临时用地监测监管专题须为业务实时推送到期未复垦,特别是占用耕地的项目;闲置土地分析专题须为业务提供闲置土地用途、受让人、闲置原因等信息;疑似违法用地识别专题须推送疑似违法用地范围及违法类型等信息。以上5个专题分析场景须以建设用地实体为载体,协同关联多源土地业务信息,是自然资源管理中典型的数据应用场景。

2 建设用地数据实体模型

上述分析表明,建设用地专题分析中业务逻辑及数据协同关联复杂。为优化时空数据管理模式,本文提出了面向专题分析的建设用地实体模型,以支持专题分析中多源数据的协同关联,可支持一键生成专题分析结果。

图4为建设用地数据实体模型。建设用地实体是一个抽象类,建立在统一的地理网格单元上,便于对建设用地实体进行编码和索引。农转用与土地征收项目、临时用地项目、闲置土地项目、监测图斑和调查建设用地等实体类作为建设用地实体的子类可以继承父类建设用地实体的属性和方法。同时,由于上述建设用地实体数据又分别用于支持不同的专题分析(如图3所示),因此,又各自有特定的专题属性与方法。实体几何、时空演变和业务联系主要用于描述建设用地实体的几何属性,基于空间位置的时间、形态和地类信息变化的跟踪信息,以及基于土地生命周期过程的业务场景对实体关系的定义和描述。

图4 建设用地数据实体模型

3 专题分析型数据环境及一键式分析

3.1 建设用地专题分析型数据环境构建方法

建设用地专题分析型数据环境主要通过梳理实体与业务数据之间的业务语义关系,构建建设用地实体数据与业务数据之间的关联关系得到。

首先,面向本文研究的5个专题分析场景,建立支持各专题分析的建设用地实体及业务数据之间的联系信息,见表1。

表1 专题-实体-业务语义关系

然后,基于空间叠置建立实体间的空间关系,并利用实体与业务数据之间的语义关系整合业务数据生成基础分析表,建设用地实体与基础分析表之间通过唯一标识实现关联,如图5所示。

3.2 支持时空演变分析的数据环境构建方法

时空演变信息记录建设用地实体的产生时间和消亡时间,以及建设用地实体的形态、拓扑和属性等特征随时间流逝而变化或维持原状的过程,具备表达现实世界中实体的连续变化或离散变化的能力,支撑对建设用地实体全生命周期地类信息进行跟踪管理。本文定义建设用地实体A的时空演变模型公式为

A={UID,T(Ta),P1(Ta),P2(Tb),…}

(1)

式中,UID为建设用地实体唯一对象标识码;T(Ta)为变为建设用地的时间,即产生时间;Ta、Tb、Tc为时间以地类变化为例;P1(Ta)、P2(Tb)、P3(Tc)表示建设用地实体产生前的地类特征集合,选取从Ta到Tb中最晚的时间作为建设用地实体的产生时间。

以某一建设用地实体的时空演变为例,如图6所示,2018年,存在耕地实体①、园地实体①和建设用地实体①;2019年,园地实体①、建设用地实体①消亡,合并为一块建设用地②;2020年,建设用地实体②、耕地实体①消亡,再次合并为一块建设用地实体③。

图6 时空演变过程

3.3 一键式专题分析实现

由于本文的建设用地实体模型已经考虑了专题分析的数据要求,因此,依据该模型整合集成的建设用地数据环境,可以隐藏建设用地专题分析的复杂计算过程,支持一键式专题分析。

在建设用地专题分析型数据环境基础上,构建一键式专题计算模型,如图7所示,实现以建设用地实体为基础,按照时间、空间、项目类型等不同维度生成分析结果。

图7 一键式专题计算模型

4 应用及结果讨论

4.1 应用区与数据

选取广州市番禺区、南沙区为示范应用区域,建设用地面积为1333 km2(番禺530 km2,南沙803 km2),范围上的14个街道(番禺11个,南沙3个)、11个镇(番禺5个,南沙6个)共564.26 km2(番禺294.12 km2,南沙270.14 km2),对所构建的实体模型、分析型数据环境和一键式专题分析进行示范应用。

为对本文提出的面向建设用地专题分析的实体模型进行验证,从广东省自然资源一体化数据库及业务系统中收集了覆盖广州市番禺区和南沙区的历年调查数据、业务管理数据等,见表2。

表2 数据源情况

4.2 应用结果

基于本文的建设用地实体模型,以及根据本文提出的专题-实体-业务语义关系(见表1)及建设用地专题分析型数据环境整合集成方法(如图5所示),面向专题分析场景,从地类图斑、临时用地、基本农田保护等业务数据中提取专题分析信息,通过空间叠置和属性关联(如图8所示)构建形成建设用地实体数据环境,作为一键式专题分析的基础。

图8 数据关联

按照上述方法构建形成的数据环境包括:256个农用地转用与土地征收项目实体,用于批而未供数量核算;128个临时用地项目实体,用于临时用监测监管分析;110个闲置土地实体,用于分析研究区域闲置土地情况;3447个监测图斑实体,用于疑似违法用地识别;3484个现状调查图斑实体,用于记录建设用地回溯信息。

在所建立的建设用地专题分析型数据环境支持下,本文研发了一键式智能专题分析工具。该工具隐藏了复杂的人工干预和模型细节,可实现一键式快速专题分析结果。其中,批而未供数量核算结果可获取任意一个农用地转用与土地征收项目的已批已供、批而未供的数量和空间分布信息。

临时用地监测监管分析结果支持以项目为单位查看是否到期未复垦,并获取其占用耕地和永久基本农田的面积、空间分布。

闲置土地分析结果如图9所示,支持按土地利用类型、闲置原因、受让人等不同维度进行统计分析。

图9 闲置土地分析结果

疑似违法用地识别专题分析结果如图10所示,通过关联业务过程数据,可快速甄别遥感监测图斑中新增推填土、建(构)筑物和线形地物的违法情况,计算违法面积。

图10 疑似违法用地分析结果

地类回溯专题分析结果可查看任意一块建设用地变更前地类及由耕地变为建设用地的具体时间。

4.3 结果讨论

本文构建的面向专题分析的建设用地实体模型及数据整合方法能够基于建设用地专题分析场景整合集成分布于不同系统的异构土地业务数据,形成建设用地专题分析型数据环境。同时,一键式智能分析专题工具的研发及应用也表明,在分析型数据环境支持下,一次建模、多专题分析能够很大程度上隐藏分析模型的细节和复杂度,降低人工干预,提升建设用地专题分析的智能性。

5 结 语

本文对建设用地实体模型进行了研究设计,构建了实践区分析型数据环境,并实现了一键式智能专题分析,取得了一定的成果。

(1)围绕调查监测、用地审批和土地供应等业务需求,协同空间、时间、业务和管理维度的关联关系,细化形成了建设用地实体数据模型。

(2)面向业务场景构建了分析型建设用地集成化数据环境,解决了操作型数据处理向分析型数据处理转变的技术问题。

(3)提出了一次建模、多专题、可持续应用的建模分析技术思想,研发了建设用地智能专题分析模型工具,建立了系列可弹性配置的分析路径,实现了不同数据专题的一键式分析和专题产品生成。