自然资源全要素概念模型构建

应 申，李程鹏，郭仁忠，3，李 霖，刘耀林

（1.武汉大学资源与环境科学学院, 湖北 武汉 430079；2.武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉 430079；3.深圳大学智慧城市研究院，广东 深圳 518060）

自然资源是个综合体，资源大国如美、澳、俄等，运用系统科学理念，对各类自然资源实行综合管理[1-3]。中国土地辽阔，“山水林田湖草”等自然资源丰富而复杂,面临着自然资源合理统筹与利用的问题[4]。在ICT（Information and Communication Technology）高速发展的当下，为完成自然资源信息化统筹的时代任务，满足自然资源综合服务的需求，需要以测绘地理信息相关技术为手段，以地理空间统一为基础，结合泛地图的空间信息呈现方式，以此实现对自然资源全要素的统筹管理[5-6]。

概念数据模型表达了对象以及对象间关系，是描述现实世界的抽象概念集[7]，属于现实世界到信息世界建模三阶段（概念数据模型→逻辑数据模型→物理数据模型）的基础阶段[8]。过去，多数研究从“它在哪”“它是什么”“它属于谁”去描述单一的自然资源要素，而忽略了自然资源的整体性、关联性和系统性。因此，在当代自然资源信息化统筹的需求下，急需建立自然资源全要素概念模型，以描述“它们在哪”“它们是什么”“它们属于谁”以及“它们之间有什么关系”。本文由自然资源全要素出发，从信息化过程、土地空间转变、要素统一、泛地图式服务等方面考虑其相关问题，进而构建自然资源全要素概念模型，最后依托自然资源全要素概念模型对各类自然资源进行建模分析和总结，表明本文所提模型对自然资源全要素的支撑能力。

1 管理自然资源全要素的相关问题

1.1 测绘地理信息与自然资源信息化

自然资源在现实世界中是一个宽泛的概念，各界对自然资源没有统一的定义。我们认为广泛存在于自然界并能为人类利用的自然要素和以自然要素为基础形成的环境都属于自然资源[9]，如土地、矿产、森林、草原、湿地、农耕、海洋等。各类自然资源有其独立的特征、体系、管理单位和手段，但都以土地空间（如山、地）或依附于土地空间（如林、草）的形式存在。

土地空间中自然资源的数据采集、管理、服务依赖于测绘地理信息手段。自1984年开始，中国已历经并完成两次全国土地调查和一次全国地理国情普查工作，并规划于2018—2020年间完成第三次全国国土调查，这些通过测绘地理信息手段进行自然资源数据采集的活动为自然资源信息化建设奠定了数据基础，以此建立的国家基础地理信息数据库与相应的数据库动态更新机制保证了自然资源整体数据的现势性[10]，数据成果通过国家地理信息公共服务平台进行公开，并提供相关服务。

在自然资源统筹管理的体系（图1）中，以要素动态更新与综合为手段连接地理空间数据库和自然资源信息，实现各类自然资源的本源信息、空间信息和管理信息在地理空间数据库中的空间化管理，通过地理信息公共服务平台为自然资源的法律法规起草、资源监测评价、资源资产统一登记、市场机制建立、空间规划与用途管制、生态修复、科技发展与规划等提供自然资源信息服务。在统一的地理空间、统一的语义描述、统一的信息服务的“三统一”方式下，自然资源要素在土地空间中的空间占有、位置关联、附加属性可以得到充分表达。

1.2 从土地到空间的转变

土地是较为特殊的自然资源，它既和“山水林田”等自然资源具有相同的资源性质，又在自然资源体系中扮演另一个重要角色——自然资源的载体。土地作为自然资源，其资源特征主要表现为空间资源，这种特征使得土地能够成为自然资源的载体[11-15]。传统的林、耕、草等自然资源的管理多依赖于土地管理[16-18]，而在矿体研究、水体模拟、城市规划、地籍管理等方面[19-22]，土地已上升为土地空间。

土地与土地空间具有不同的表达形式（图2），前者往往通过平面图形表达，后者为立体空间。土地向土地空间的转变，是实现自然资源在统一地理空间中表达的基础，这不是一个摒弃土地观念，直接上升到空间观念的垂直转变，是“土地→土地和空间→土地空间”的渐变过程。自然资源在统一的地理空间中，以立体的形式存在，实现对土地空间的占有。同时，土地空间的分割、编码、参考和描述体系等[23-24]也为自然资源在空间上的信息化统筹提供支撑。

图1 自然资源统筹管理体系Fig.1 The uni fi ed management system of natural resources

图2 土地与土地空间的不同表达形式Fig.2 The different presentations of land and land space

1.3 从要素到全要素的统一

在GIS中，对地球上分布的地物、现象和事件的空间位置以及空间关系进行抽象化表达的结果，称为地理要素[25]。自然资源要素属于地理要素表达的范畴，并且自然资源要素的描述直接关系概念数据模型的建立。在统一的地理空间中，自然资源要素从要素转为全要素，必须要解决自然资源地理本体的描述、空间尺度的描述、边界的描述以及要素关联的描述等问题。

1.3.1 自然资源地理本体

自然资源地理本体（图3）的构建有助于地理信息集成、发现、匹配等[30]。顶层本体为自然资源地理本体，描述概括性概念及关系；领域本体如山本体[26]、水本体[27]、森林本体[28]、地质本体[29]等，为各类自然资源领域内的描述；自然资源细节的应用、任务描述则属于任务本体的内容。在自顶向下的结构中，顶层本体、领域本体、任务本体，逐层进行自然资源的多尺度表达与关联。

图3 自然资源地理本体的内容Fig.3 The contents of natural resource geographical ontology

1.3.2 空间尺度

不同的尺度表达地理要素抽象的不同层次或级别[31]，自然资源在表达单一要素时的空间尺度与表达全要素时是不同的。例如，一个建筑物在居住空间的尺度下可以表达为三维建筑模型，在城区尺度下可以表达为建筑轮廓，在城市间的尺度下通常已不进行独立表达，而是以城市整体作为表达对象。自然资源从个体到整体，从单要素到全要素，空间尺度必然作为其概念化的核心属性而存在。

1.3.3 边界与关联

自然资源在同类资源上具有聚集性的特征，这种特征为同类自然资源的边界构成提供了条件，且边界是清晰的。自然资源之间以空间边界为纽带，形成位置关联关系，反映的是自然资源之间的格局和时空演变，包括同类资源与异类资源的关联。在尺度的变化下，自然资源的边界与关联并非固定不变的。

1.4 从自然资源数据到泛地图的推演

采用测绘地理信息手段实现自然资源统筹的目标不仅是数据存储和展示，更是自然资源的信息化服务,构建概念模型的目的亦是如此。泛地图作为新型的地理空间信息承载体，将二元空间拓展到三元空间，以静态或动态、抽象或具象的方式呈现地理空间中的综合信息[5]。自然资源全要素概念模型作为要素到信息的中间物，需要充分和全面地描述自然资源，最终以泛地图的技术形式进行呈现（图4）。本文关注模型构建，泛地图式的信息化服务仍待后续探讨。

2 自然资源全要素概念模型

图4 从自然资源到泛地图Fig.4 From natural resources to pan-map

自然资源所涵盖的各个领域都具有其独立特征和研究方法，本文无法从各个角度实现全领域的专业建模，但可以基于自然资源的统一地理空间基础，充分表达全要素的概念。

2.1 基础结构

自然资源全要素概念模型，从地理空间、本体、几何描述、权利与服务实现对自然资源全要素的表达，该4个域（Domain）对自然资源全要素的描述内容如表1所示。

表1 自然资源全要素概念模型表达的内容Tab.1 The contents of Natural Resources Full Factors Model

地理空间是自然资源存在的绝对空间，在整个基础结构中属于最顶层的结构，是自然资源的载体，强调固有的存在性；本体的建立以要素为基础，强调要素对空间的占有，是面向自然资源中各个专业领域的；几何作为事物的基础结构，实现的是空间、要素的形态和关系的描述，如空间定位与拓扑；在自然资源全要素的统一描述中，权利与服务是自然资源与人建立关系的依据，必须结合几何形态、本体概念和地理空间的关系打造统一的体系进行表达，以避免不同体系造成的差异化和争端，如城市资源中建筑物的法律空间、土地空间、居住空间的碰撞往往是由于各执一端的规则造成。

为了对自然资源全要素概念模型表达的内容进行合理的组织，模型引入包（Package）的概念，实现对各个域所涉及的内容（类）进行管理，分别为地理空间包、本体包、几何包、权利与服务包，其基础结构与关系见图 5（a）。

2.2 地理空间包

地理空间包下设立GeoSpace类（Class）和GeoPosition、GeoScale、GeoShape子包（Sub Package）。三个子包用于存放相关类，分别用来描述位置、尺度、形态。GeoSpace可由同类组合而成，体现空间的剖分关系；三个子包和GeoSpace为关联关系，对GeoSpace进行描述。地理空间包结构见图5（b）。

2.3 本体包

图5 自然资源全要素概念模型结构图Fig.5 The structure diagrams of Natural Resource Full Factors Model

本体包设立的目的不是替代现存的自然资源系统与体系，而是以一种规范的语言去描述它们，使得他们的相似性与差异性更容易被理解和认识，同时借助地理信息的手段，赋予他们统筹的基质。本体包下设立Ontology、BasicUnit、GroupUnit类和Construction子包。BasicUnit类指自然资源的基础要素，如水、建筑等；GroupUnit类则描述基础要素组成的集合要素，如产权体集合等[32]，自然资源全要素是最大的集合要素；Construction包用于设立自然资源本体构建的结构描述以及工具类。本体包的结构见图5（c）。

2.4 几何包

几何包具有描述自然资源要素边界和位置关联的能力，设有Geometry类和Geometry_Relation、Geometry_Boundary、Geometry_Components三个子包。Geometry_Components包中为几何体的基本类，如点、线、面、体等；Geometry_Boundary包中为表达边界的类，由基本类构成；Geometry_Relation类描述位置关联。三个子包共同作用，服务于Geometry类。几何包结构见图5（d）。

2.5 权利与服务包

在地理空间中，空间权与物权始终具有难以融合的矛盾，权利的矛盾将导致服务的矛盾，这在三维地籍与不动产统一登记中尤为显著[33-34]。权利与服务包设立Administrator、Right、Service三个核心类，分别实现管理者、权利和服务三项内容。需要注意的是，地理空间作为特殊的自然资源——空间资源，其同样具有管理者、权利、服务的内容。权利与服务包结构见图 5（e）。

2.6 扩展问题

自然资源全要素概念模型的基础结构可以基本表达自然资源的全部要素，但是并不完善，诸如时间、尺度单位、采集手段、数据维度等都未直接在模型中体现。因此，必须以扩展的机制对模型进行补充，达到充分表达全要素的目标。

3 时空环境下的建模与分析

动态建模系统中常采用“基于事件的建模”和“基于状态的建模”[35]，本文为表达某时间跨度下自然资源版本要素[36]，依据自然资源全要素概念模型，采用后者建模方式。自然资源在时空变化的环境下具有不同的特征，为体现模型对不同自然资源的描述能力，选用4种具有时空特征的情境进行建模。

3.1 建模样例区

本文以具有不同自然资源特征的情境作为研究对象进行例证，以充分表现全要素的概念。建模样例区的选择为突出自然资源全要素建模，未对尺度做精确定义，见表2。

3.2 耕地与森林资源建模——吴起县退耕还林

建模内容见图6，数据来自参考自文献［37］。1998年前，陕西吴起县农作物实际耕种面积185.5万亩，其中92.2%为坡耕地, 截至2018年,全县共完成退耕还林面积244.79万亩,其中国家确认面积190.67万亩。退耕还林模型图以吴起县林耕区地理空间为依托构建，还林前农耕资源主要为水田、旱地、水浇地和坡耕地，林木资源主要为天然林，还林后农耕资源的坡耕地基本消失，转变为林木资源的人工林——沙棘林。建模时以自然资源本体（Ontology）表达资源类型，如农耕资源、林木资源，具体层级采用组单元（GroupUnit）和基本单元（BasicUnit）表达。

3.3 矿石资源建模——邵东县石膏矿

建模内容见图7，数据来自参考自文献［38］。湖南邵东县石膏矿丰富，但开采过程中采空区的出现导致地面塌陷等问题。邵东县石膏矿开采模型以邵东县土地空间为建模地理空间，该空间中矿区空间为底层，相应垂直空间的土壤区为中层、城市资源区为上层，三层空间中具有对应的自然资源。自然资源的几何形态用体进行表达，以土石和石膏矿为例，两者具有相邻关系，共享相邻面；石膏矿开采出现采空区后，模型从采矿区分离出采空区，从城市资源区分离出地陷区，地陷区的建筑资源整体迁移至非地陷区，不再与采空区处于统一垂直空间。

表2 建模样例区Tab.2 The sample areas of modeling research

图6 吴起县林耕地建模Fig.6 The modeling process of plough and woodland in Wuqi County

图7 邵东县石膏矿建模Fig.7 The modeling process of gypsum mine fi eld in Shaodong County

3.4 水资源建模——三峡库区变化

建模内容见图8，数据来自参考自文献［39］。三峡库区于6—9月为丰水期（也称汛期），10—12月为蓄水期，12至次年4月为枯水期，三峡大坝通过控制丰水期的“排浑”，蓄水期的“蓄清”来支撑枯水期的水利和通航，以此为依据建立丰水期和枯水期模型图。三峡库区范围广，模型对其地理空间按段划分，以“坝前—屈原镇”段空间和三峡水坝空间为主体进行分析。丰水期，“坝前—屈原镇”段空间中存在水资源、泥沙资源，水和沙混合的“浑水”具有排沙功能，在丰水期与江水一同排至下游；枯水期，三峡水库已历经“蓄清”阶段，大量泥沙资源已排出水库（为突出时空变化特征，模型不表达剩余泥沙资源）。水库在丰水期的水量大，但水位仅145 m，水体小；枯水期的水量小，水位175 m，水体大。

3.5 草资源建模——呼伦贝尔草原退化

图8 三峡库区水资源建模Fig.8 The modeling process of water resource in the Three Gorges Region

图9 呼伦贝尔草原建模Fig.9 The modeling process of grassland in Hulun Buir

建模内容见图9，数据来自参考自文献［40］和［41］。草原退化是呼伦贝尔草原面临的“窘境”，过度放牧、风沙侵蚀、工业污染等问题导致高质量草地沙化、裸露，逐步发展为退化草地。为表达呼伦贝尔草原退化空间特征，模型将呼伦贝尔草原空间以多级格网进行空间划分。草原退化前，牛羊活动范围和未退化草地资源所处空间近似，覆盖多个格网空间。草原退化后，未退化草地所占空间急剧缩小，其出让空间由退化草地占据。牛羊活动空间也缩小，与原有空间部分重叠，多倾向于未退化草地。退化草地出现在格网2和格网4，为沙地、防沙林、牛羊活动的交叠区。

3.6 讨论

地理空间在当前认知范畴是固有存在的，上述4类模型从林耕、矿、水、草等自然资源占有空间的角度建立，不同时间快照下的自然资源要素在地理空间中的形态、特征不同，建模中表达为前、后版本要素。其中，吴起县退耕还林建模突出自然资源在地理空间中的表达，邵东县石膏矿与呼伦贝尔草原建模着重于地理空间的划分以及几何形体的关联，模型对权利和服务的描述等综合性描述在三峡库区变化的建模中体现。各个模型的地理空间尺度决定了建模要素表达的层次、细节。建模中，通过地理空间包、自然资源本体包、自然资源几何包、自然资源权利与服务包的内容描述各类资源要素“它们在哪”“它们是什么”“它们之间有什么关系”“它们属于谁”的问题，对自然资源全要素的概念给出回应。同时，多个示例的论证体现了自然资源全要素概念模型的可行性和通用性，能够为自然资源全要素的统一登记、数据库建设等提供基础。

4 结语

自然资源统筹是当代自然资源信息化建设的基础与核心工作，本文以各类自然资源建模过程为依据，通过对各种自然资源的构模过程进行反复迭代、修正和提炼所得到的结果，构建了自然资源全要素概念模型，在一定程度上实现了对自然资源全要素的概念性描述。依托地理空间，自然资源在时空变化中的版本特征亦可表达。需要指出的是，本文讨论的自然资源要素注重于可见形体或可定界形体（如三维产权体）等能够进行对象化表达的自然资源，而诸如风能、太阳能等具有显著场特征的自然资源未纳入本文的研究范畴。