基于三维地理信息的土地储备信息管理系统建设与应用

李 劼，何兴富，张 艺，胡 颖，邱 月

（重庆市勘测院，重庆 401121）

0 引 言

城市土地储备制度有利于充分发挥土地资产价值，整合城市土地利用空间布局，实现城市可持续发展目标。随着城市化进程的快速推进，土地储备作为土地资源集约利用和优化配置的重要作用更加突显出来。随着城市的快速扩张，土地储备数量日益增多。同时，《土地储备管理办法》对土地储备与规划、建设、国土资源等部门的工作对接流程进行了定义，需要管理的各类文件和图件资料急剧增加，对这些资料的使用和管理提出了较高的要求。

本研究为解决上述问题，进行了基于三维地理信息的土地储备信息管理系统建设与应用研究，以高精度的三维空间信息为载体，整合各类土地储备信息，建立以地块为对象的土地资源综合信息库，形成“土地资源一张图”，实现对地块的对象化、时态化管理。结合“互联网+”等新兴应用模式，构建了信息管理系统，形成三维可视化展示、地理咨询、现场踏勘管理等全流程管理服务，为掌握土地分布、了解土地详情、展示重大基础设施、辅助领导决策提供高效、准确、可视化的信息服务，有力支撑相关单位储备土地的高效管理。

1 研究现状

随着我国社会经济建设的大发展，土地利用、土地规划等工作的开展，各级国土、规划、建设管理相关部门对于土地信息管理系统的需求愈加强烈[1]。随着空间信息、云计算、计算机可视化等理论和应用技术的发展，目前土地信息管理系统与以下几个研究内容进行融合发展，包括①“3S”技术一体化；②土地数据标准化；③时空数据模型；④空间知识库；⑤分布式系统[2]。结合以上研究内容，支持多源多尺度信息的三维空间信息系统，以其强大的空间分析和可视化表达方式逐渐成为土地信息管理系统的基础支撑平台。

目前，上海市地质调查研究院已经对城市三维土地管理进行了研究，他们基于三维GIS通过三维可视化方式模拟与表达城市土地对象，实现了对传统的基于二维GIS土地信息表达的补充和扩展，便于相关人员分析土地空间对象的空间信息和空间展布规律；同时，湖南科技大学李朝奎团队也以湘潭市为例，进行了城市土地利用潜力分析及其3D可视化辅助管理的相关研究，通过建立城镇土地利用的评价模型、评价指标体系，对湘潭市土地利用现状进行定量分析，借助三维可视化方法对分析结果进行了有效表达，取得了一定的研究效果；杨继文、赵鹏飞等，也利用SuperMap软件，进行了三维土地利用现状信息系统建设，实现了土地调查数据的三维展示与分析，解决了二维土地数据缺少地形信息的不足。

现阶段，三维土地信息管理系统相关技术总体上仍处于探索阶段，深入应用仍存在诸多困难和不足，特别是在实践中，二维土地信息管理系统所具有的强大数据处理、空间分析和数据表达能力，仍是三维土地信息管理系统要继续解决的问题。

2 研究思路

本研究的总体研究路线分为4个阶段，包括现有数据成果整理分析、土地储备地理信息空间数据库建设、三维土地储备管理信息系统建设、土地储备信息管理应用，如图1所示。

图1 总体研究思路Fig.1 Overall research approach

本项目具体技术实施分为4个阶段，第一阶段是现有数据成果整理分析，主要包括对现有基础地理信息数据和储备土地相关数据信息以及相关辅助信息，分析数据的现势性和有效性，去除时效性差的历史数据和数据冗余；第二阶段是土地储备地理信息空间数据库建设，主要是在现有地理空间数据库基础上，针对二三维一体化的数据库需求，进行数据库设计和开发，在完成对于项目数据标准化处理后进行数据的检查、入库，完成项目数据库的建设工作；第三阶段是三维土地储备投资管理系统建设，利用重庆市勘测院自主研发的“集景-三维数字城市基础平台”提供的二次开发控件，研发支持土地储备地理信息空间数据库数据集成、可视化管理以及推广应用的多平台管理系统，为储备土地的管理提供基础支撑平台；第四阶段是进行土地储备信息管理应用，主要包括进行土地储备信息二三维可视化管理、地理设计咨询服务、辅助招商引资及其他后续业务应用拓展。

3 关键技术

本研究总体框架以数据建设规范和安全保密标准为支撑，分基础支撑层、基础平台层和应用服务层三层结构进行构建，其中基础支撑层包括硬件环境、基础网络环境，用于构建重庆市土地储备地理信息空间数据库，整理基础地理信息数据和土地储备信息，为基于三维地理信息的土地储备信息管理系统的建设和应用提供基础支撑；基础平台层是在集景三维数字城市平台和基础开发框架下，开发“重庆市三维土地储备管理信息系统”基础平台，为项目提供基础平台支撑；应用服务层是在基础平台上进行应用功能模块的开发，发布相关应用服务，包括三维可视化浏览、查询、分析，土地招商引资，地理设计咨询服务等，如图2所示。

图2 总体框架结构Fig.2 Overall frame structure

1）地理空间数据库

本项目所研究的二三维地理空间数据，包括基础地理信息数据、土地储备信息数据、道路场地方案数据等，同时结合“重庆市三维土地储备投资管理系统”对于数据管理、集成的需要，项目采用的是能够有效对结构性数据和非结构性数据进行管理的关系型数据库—FireBird。FireBird是一个跨平台的关系型数据库，目前能够运行在Windows、Linux和各种Unix操作系统上，提供了大部分SQL-99标准的功能。它既能作为多用户环境下的数据库服务器运行，也提供嵌入式的数据库实现。FireBird基于开源Interbase6.0，它是Borland公司2000年发布的一个开源版本。

相比于其他主流数据库，如Oracle、SQLserver、Sqlite，FireBird数据库具有以下特点：

①FireBird是一个真正的关系型数据库，支持存储过程、视图、触发器、事物等大型关系数据库的所有特性；

②FireBird支持SQL-92的绝大部分命令，并支持SQL-99命令；

③FireBird源码基于成熟的商业数据库Interbase，有良好的稳定性；

④发布简易，安装文件小，且高度可定制，客户端的分发也很简单，只需一个DLL文件；

⑤FireBird的嵌入式服务器版本，不用安装，直接运行，基于单机开发首选；

⑥FireBird运行效率非常高；

⑦具备高度可移植性，可在Windows、Linux、Unix、MacOS等系统下运行，而且数据库格式完全一致，不用修改；

⑧开发环境良好，C++Builder不用通过ODBC连接，直接用原生开发接口开发基于FireBird的程序。

2）集景-三维数字城市基础平台

本研究的基础平台为“集景-三维数字城市基础平台”，该平台为重庆市勘测院自助研发的三维地理信息系统平台，该平台支持海量三维数据的集成、建库、发布、应用一体化解决方案，实现了三维数字城市地理空间数据资源的综合集成、分布式管理、集中共享与服务，体现“数据多源异构、应用丰富多样”的三维数字城市价值[3]。

集景三维数字城市平台主要包括3个产品：集景Builder、集景Server、集景Runtime。在三维数字城市建设领域，集景三维基础平台结合领先的技术架构和综合解决方案，为三维数字城市建设和应用提供支持。

3）基于该平台，项目实现了对地形、土地储备资源、地上建筑模型等空间信息数据的建模、集成、可视化及专业分析一体化三维可视管理；同时为服务于储备土地规划管理，项目创新了三维协同规划设计技术，以高精度三维地形模型为数据基础、以地理信息系统分析技术为决策支持、以参数化驱动建构筑物三维模型作为成果展示，实现了片区路网、场平和建筑景观的协同设计，提高土地利用的科学性及效率。道路智能设计技术[4]是重庆市勘测院在三维地理信息技术的基础上，基于BIM技术构建道路信息模型，开展交互式、智能化道路设计研究，为规划设计人员快速构建路网方案、评价和优化设计成果提供的工具和技术手段[5]。通过这种方式推进道路设计一体化、智能化全过程，如图3所示。

图3 道路设计模型Fig.3 Road design model

参数化驱动建模引擎是使用约束条件来表达设计对象的形态特征，通过定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型。项目将设计内容都抽象化为“对象”，建立这些“对象”内部的层次结构以各层次之间、层次内部成员之间的关联关系，形成对象的层次模型。在层次模型的底层，对每个内部成员建立一个参数模型，实现对成员的参数化表达与表现。该引擎结合道路智能设计技术，对城投集团储备地块周边的路网实现了快速三维模拟、定量评估和实时优化。

图4所表示的就是在DOM和DEM融合形成三维数字地形数据的基础上，在三维土地信息管理系统中，通过导入片区的道路初步设计方案，再利用三维模拟分析，将线性道路设计方案三维化，形成相应的道路、隧道、桥梁和边坡，并在三维场景中标明每一个交叉口的道路标高，便于设计人员对设计方案进行评价。

图4 道路设计及道路交叉口标识Fig.4 Road design and road crossing markers

4）场平工程土石方自动平衡技术[6]

场地内自动平衡技术指通过采用土石方平衡方法，实现一个场地内土石方量的自动平衡。为进一步解决面向工程的自动平衡，场地内土石方平衡采用目标量平衡方法（即土石方量以一个可能非0挖填方量为目标）。本项目采用面向对象的土石方计算方法，即每个单元格网都是一个对象，它包含了单元格的节点、单元格的土石方量、单元格的性质、各节点设计高和地形高、节点的性质等信息。另一方面，场地也保存了设计信息，可能通过参数化调整的方式来实现场地设计标高的快速调整。因此，场地内自动平衡技术可以通过图5所示流程实现。

图5 场地内土石方自动平衡处理流程Fig.5 Automatic balancing process of earthwork within the site

在场地内土石方自动平衡技术的基础上，实现工程的土石方自动平衡就可以转化为如何分配土石方的问题。可以借鉴平差的思想，对每个场地赋予一个权重值，以对其进行土石方量分配。

图6所表示的是，系统在完成道路设计后，确定道路设计方案和道路交叉点的标高之后，通过三维可视化模型，对道路设计方案中间的场地进行场平模拟分析，反映出各地块中场平到某一特定标高后，所需要进行的挖填方量，并在三维场景中实时标示出来。

图6 场地设计及挖填方量统计标识Fig.6 Site design and excavation of statisticss indicators

4 研究成果与技术创新

1）面向业主对于土地储备信息精细化管理的需求，项目建立了二三维一体化的重庆市土地储备地理信息数据库[7]。项目收集、整理了重庆市城市建设投资公司在重庆市主城区范围内的土地储备信息，并结合重庆市基础地理信息数据和土地规划、建设等关联信息，构建了服务土地信息管理的土地现状信息库、土地关联资源库和基础地理信息库，并将以上数据成果进行集成整合，形成了满足地理信息系统管理标准与要求的重庆市主城区土地储备地理信息数据库，如图7、图8所示。

图7 数据库逻辑结构Fig.7 Database logic structure

图8 重庆市土地储备地理信息数据库成果Fig.8 The results of chongqing land reserve geographical information database

2）基于自主研发的“集景-三维数字城市基础平台”，构建了“重庆市三维土地储备投资管理系统”，为土地储备资源的可视化管理、招商引资和地理设计咨询提供服务。

在二三维一体化的重庆市主城区土地储备地理信息数据库基础上，针对重庆市城市建设投资有限公司对于储备土地信息的可视化精细管理应用的需求，研发了“重庆市三维土地储备投资管理系统”，从3个方面提供服务，包括：

①可视化管理，能够在三维场景中直观了解储备土地的空间位置、场地条件、周边环境情况，并能对相应地块信息进行查询、统计和分析，如图9所示；

图9 储备土地信息管理可视化查询Fig.9 Reserve land information visualization query

②辅助招商引资，有效地整合了土地自然条件、规划条件、现场实景地图等开发商感兴趣的信息，使其能够高效地掌握土地整体信息，辅助商务决策；

③地理设计咨询，有效地利用三维可视化分析技术，针对地块周边道路和场地情况进行设计咨询模拟分析，为场地设计建设方案，提供切实可信的场地标高、挖填方量、道路标高、纵横断面模拟数据，辅助了公司的相关业务决策[8]，如图10所示。

图10 储备土地设计咨询项目二三维范围Fig.10 Reserve land design consulting project 2D & 3D ranges

5 结束语

通过本项工作的研究与探索，对土地储备资源的三维信息化管理做出了一定的建议，主要体现在项目的实现上，在大范围、高精度三维虚拟地理环境下建立储备土地信息管理数据库，充分发挥重庆市勘测院在重庆市地理空间信息获取、集成和管理方面的优势，提升了土地储备信息管理效率；同时，在传统的基础土地信息查询、管理基础上，通过自主研发的道路智能设计技术和土石方自动平衡技术，针对储备土地规划、建设的要求，进行了储备用地的道路、场地咨询模拟，并辅助设计单位进行定量评估和优化，进一步提高了土地管理应用的深度，同时为储备土地的招商引资拓展了思路。