面向国土空间规划的地理实体数据库关键技术研究

黎彬，李旺民，陈举平，马德富，贠法长，李秀龙

(珠海市测绘院，广东 珠海 519000)

1 引 言

建立全国统一、责权清晰、科学高效的国土空间规划体系，整体谋划新时代国土空间开发保护格局，科学布局生产空间、生活空间、生态空间，是加快形成绿色生产方式和生活方式、推进生态文明建设、建设美丽中国的关键举措，是建设美好家园的重要手段，是保障国家战略有效实施、促进国家治理体系和治理能力现代化的必然要求。地理实体关系是语义表达地理信息的重要方式，包括地理实体语义关系和空间关系[1]，因此，地理实体是国土空间规划时空信息的高效载体和联结纽带，地理实体数据具有面向应用对象分类、易于机器标准化解读、具有标准化聚合与组合的结构特点，满足无级制图、按需组装产品的需求，是适应大数据、云计算、物联网新时代高效的地理信息数据组织形式。

原有支撑各类国土与空间规划的基础地理信息数据，仍沿用以“3S+4D”为基本特征的技术模式，时空地理信息集约生产与整合存在难题，二是新时期国土空间规划需统筹整合跨部门相关专题信息，而以往条块化管理下普遍存在数据多源异构、属性语义不一、时空基准不同等问题，空间分析与决策局限性较大，三是各层级国土空间规划有不同层次、不同尺度、不同维度、不同业务规则的测绘地理信息服务需求，多业务应用数据库与地理实体数据库存在联动更新与共享服务难的问题。因此，开展面向国土空间规划的地理实体数据库关键技术研究，具有重大的实践意义。

2 总体思路与技术路线

研究瞄准建立国土空间规划体系的国家战略目标，综合国土空间与城乡规划管理的地理实体分类与对象化需求，以地理实体集约生产→时空信息高效聚合→专题服务智能定制为主线，重点研究地理实体时空数据集约生产与管理技术、基于优化网格的地理数据二三维坐标自动转换技术、一体化精准化的地理实体时空信息服务技术，建设面向国土空间规划全周期管理的地理实体时空专题数据库，构建一体化、精准化的国土空间规划时空信息服务，充分发挥测绘地理信息对国土空间规划管控的技术支撑作用。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线

3 关键技术

3.1 国土空间规划地理实体的编码方法与表达模型

(1)地理实体的编码方法

地理实体编码是地理实体唯一的身份编码，是实现地理实体与其他信息关联的基础，编码具有唯一性[2]。地理对象定义和划分是复杂的，目前地理实体对象编码尚未有统一的解决方案。文献[3，4]设计了多种编码方案。以建筑物地理实体编码为例，传统方法存在以下问题：①编码缺乏全域性；②编码未考虑建筑物信息的三维空间和生命周期；③不适合海量建筑物数据编码与存储，检索效率慢，编码的空间检索、周边搜索等效率较低；④主流的建筑物编码方法大多基于行政区划代码编制，编码随行政区划代码变化而变化，极不稳定。研究提出一种基于GeoHash[5]20位数字码编码方法，该方法融合建筑物的空间位置、建筑形态、建设时间等时空信息，克服了传统建筑物地理实体编码结构复杂、信息单一、稳定性差等缺点，编码规则如图2所示。

图2 建筑物地理实体编码规则

建筑物的空间码基于Geohash编码，与传统坐标浮点计算相比，在区域划分、空间索引和邻近点查询方面具有较大优势，即使在海量数据中速度表现也非常优异。根据上述算法，当剖分编码n次时，纬度/经度左(右)区间长度分别为dB(n)、dL(n)，公式为：

(1)

(2)

由上式易得，经纬度剖分编码相同次时，其区间长度关系为：dL(n)=2dB(n)，dL(n+1)=dB(n)。当n=25时，dB=5.36442E-06，dL=1.07288E-05，因此，若Geohash编码达到米级定位精度，需剖分25次，Geohash编码位数为10位。有条件时，可扩展到三维空间位置编码。

时间码为4位，代表编码单元对应的建筑物竣工的年份信息。类别码为1位，代表编码单元对应的建筑物形态。顺序码为2位，代表建筑物编码单元顺序号。楼层码为3位，代表建筑物编码单元楼层数。此外，也可以增加建筑结构类型码；其他的如房屋名称、幢栋号、房屋坐落、使用期限、地上层数、地下层数、建筑高度、基底面积、总建筑面积、各功能总套数、批准的建筑物功能、各功能建筑总面积、勘察单位、设计单位、施工单位、建设单位、有无裙楼、裙楼层数等国土空间规划关心的信息，则以信息的形式关联于该码中。

(2)嵌套式组件化的地理实体表达技术

传统的各种地理信息系统为了满足符号化制图及地理信息管理要求，需要针对性设计大量的辅助点、线、面等专有定制数据，形成数据冗余，给数据分析和跨平台转换与应用带来障碍。基于地理实体编码，研究提出了嵌套式组件化的地理实体表达方式，基于“符号嵌套式组件化”的技术思路，符号描述中，利用符号部件，组合成组件式符号，研究中要素类别使用“主码”，要素子类使用“子码”，使用地理实体聚类组合定义信息，引用其嵌套组合逻辑关系，并应用在地理实体编码中，实现了地理实体动态符号化组织，克服了地图表达与数据分析的矛盾以及跨平台数据无损转换的难题。

3.2 地理实体时空数据一体化生产技术

(1)基于“空天地”一体化的多源地理实体数据采集方法

批量新增数据采用倾斜摄影、激光雷达和地理实体外业采集App相结合的“多源采集”的方法，以地理实体为基本采集单位，多方位采集院落、建筑物及相关要素的地理实体几何、纹理、类别、属性等信息，以及与之相关联的各类社会经济和人文信息，采集成果整体性好、精度高、纹理真实、细节丰富，对于数据的实地补充调查核实，研究专门的地理实体数据采集移动端，基于地理实体唯一编码多源地理空间数据融合，实现了面向地理实体对象的多源数据汇聚融合。地理实体数据采集移动端界面如图3所示。

图3 地理实体数据采集移动端

(2)存量数据多层级信息映射规则的时空信息聚合、重构与转换

存量国土空间规划数据，包括各期各类规划数据，规划条件核实、不动产、人防专题测绘数据，以及其他测绘数据，研究多层级信息映射规则的时空信息聚合、重构与转换技术，通过对多源异构数据的统一转换，采用面向对象的时空数据模型，对转换后的数据进行重组，对每个地理实体要素赋予唯一标识，并将包括时间属性在内的属性进行封装，建立以地理实体为中心的空间、时间和属性特征聚集，实现时空信息的一体化组织。数据结构解析与信息抽取如图4所示。

图4 多源异构数据结构解析与抽取

实体匹配是地理空间数据融合的关键技术，有文献[6，7，8]采用从文本中抽取确定实体语义关系、语义切分的名称等匹配方法，本研究考虑对象的特征差异，设计相应的匹配算法。公式定义为：

M(A，B)=d(A，B)ω1+s(A，B)ω2+r(A，B)ω3

(3)

式中，M(A，B)表示对象A、B之间的匹配度，d(A，B)是对象A、B的距离衡量指标，r(A，B)表示对象A、B的空间关系，通过实体的缓冲区重叠面积计算进行衡量。ω1，ω2，ω3为权重值。其中s(A，B)语义相似度衡量指标计算公式如下：

(4)

式中，N为属性数目，simAk是第k项属性值的相似程度，ESWAK为第k项属性的权重。针对国土空间规划相关的不同年份的地理信息，定制每类地物ω1，ω2，ω3权重值字典表，定义每类地物的1-N项属性的权重字典，通过优化试验，取得较好的匹配效果。匹配度阈值以下的数据需要进一步人工干预匹配。

3.3 一体化、精准化的地理实体时空信息服务

(1)新型服务模型DM(R)VC

在当前Web开发技术中，MVC架构[9]提供了十分有效的方法和思路，但无论何种框架在使用MVC架构时都难免出现控制器臃肿的问题。结合规则引擎、多层架构、MVC架构的基础上，研究提出DM(R)VC服务模型：D为数据访问(Data Access)层，M为模型(Model)层，R指规则引擎(Rule Engine)，V为视图(View)层，C为控制器(Controller)层。DM(R)VC服务模型如图5所示。

图5 DM(R)VC服务模型

遵循高内聚低耦合设计原则，在数据访问层加入规则引擎技术，在面向行业应用的专题数据服务中使用该规则引擎，基于国土空间规划地理实体数据仓库，根据不同的应用需求，智能抽取、适配及组装，将结果存入各专题应用数据库，向下支撑数据访问层，向上服务模型层。

(2)多源动态一体化实体数据联动更新

实体数据本身带有全球唯一标识码，在时间维上，将无序的更新业务，统一成先后有序的更新事件，在空间维度上，按缓冲区叠加多层次分析结果，从实体几何类型、尺度特征、特征差异、更新类型等方面定义变化信息逻辑关系，指定并记录数据库中需要更新的区域，提供选择下载功能，下载更新区域数据修补测后回传数据库至相应更新区域，数据下载和编辑过程中，系统自动记录要素的“出库时间”，“修改时间”；数据入库时，根据对象“修改时间”和“出库时间”等信息进行检测，判断地物是新增、删除或修改，实现要素级的更新入库。

4 地理实体数据库应用

基于上述关键技术，“空天地”一体化数据采集，制作实景三维数据并单体化，对各期规划数据，规划条件核实、不动产登记、人防验收测绘专题数据进行数据筛选、抽取，依据定义的地理实体编码规则以及嵌套式组件化结构规则，进行地理实体编码与信息关联融合，从而形成面向国土空间规划的三维实体数据；同时结合外业调查进行三维测图提取矢量线划信息，也可以获得二维线划矢量地理实体数据，进而建立二三维地理实体数据库；对于已有存量DLG数据，应用数据多层级信息映射规则的时空信息聚合、重构与转换关键技术，关联筛选抽取后的各专题数据，统一编码，可以获得二维地理实体数据。数据库应用新型服务模型DM(R)VC及实体数据联动更新技术，从而构建地理实体数据标准→地理实体时空数据一体化生产→数据库、平台、可视化→时空信息应用服务。地理实体数据生产建库如图6所示。

图6 地理实体数据生产建库框架图

国土空间规划用到的地理信息很多，其中涉及用地与建筑的地理信息，院落用地、建筑物幢栋、建筑物层、建筑物户单元设计为四级包含关系的地理实体，各实体是向上汇总的关系；其中二维建筑物实体的空间数据采用外围轮廓线方式表达，与传统DLG的有差异；幢/层/户三维数据采用不动产登记测绘生产的真实三维白模数据，切割方式生产的三维实景建筑物单体数据并行关联幢实体数据，二三维、实景与白模数据可实时联动应用。

在地理实体的空间表达方面，建筑物户实体，按上述建筑物地理实体编码方法编制唯一实体标识码。户实体由户的各图元构成，飘板、雨棚等不影响规划经济技术指标的，不设图元，各图元也同理由计算自动编制唯一标识码，按三维空间位置与顺序编码，信息分类码采用GB/T 13923，如普通房屋为310301，在二维数据中采用的是面状图元，在三维数据中采用的是体状图元，同理，层、幢实体也是由层、幢各图元构成；户、层、幢实体在空间上是纯包含关系。

地理实体属性信息，仍按关系数据库表进行属性信息组织，信息关联唯一的地理实体标识码。按上述设计的地理实体数据库，能够广泛地应用在市级国土空间规划实践中，相比传统数据，能够面向应用更加准确、快速、便捷，指向性灵敏，以珠海市香洲区中心城区为例，建筑容积率、密度、高度等用地与建筑物区级专题统计如图7所示。

图7 用地与建筑物区级专题统计(高亮区域为高热力地区)

对院落用地分布、用地功能、绿地率，建筑物批准与实际的功能、公共设施等信息进行专项分析统计，评估国土空间开发现状，公共服务设施的布局情况和土地开发强度，各类用地规划经济指标统计分析如图8所示。

图8 各类用地规划经济指标统计分析

进而进行土地资源评价，结合引入的经济发展数据、政务人口统计数据、手机信令及相关热力数据，进行资源环境承载能力和国土空间开发适宜性双评价，根据城镇空间、农业空间、生态空间三种类型的空间，科学辅助划定的国土空间规划城镇开发边界、永久基本农田保护红线、生态保护红线三条控制线。综合评估分析应用如图9所示。

图9 综合评估分析应用

在中观尺度，进行规划单元内城镇开发强度评估，分析城镇建设用地开发强度时空格局特征。规划单元综合指标分析如图10所示。

图10 规划单元综合指标分析

基于院落用地、建筑物幢栋、建筑物层、建筑物户单元的四级地理实体数据，配合交通与水系等数据，涵盖了国土空间规划关注的信息，在微观尺度方面可对单个用地单元进行精细化辅助管理；并扩展到不动产权利人信息，具备其他政务应用的扩展能力。单个规划许可分析应用如图11所示。

图11 单个规划许可分析应用

5 结 语

本文以国土空间规划的地理实体数据建库为研究方向，在国土空间规划地理实体的编码方法与表达模型，地理实体时空数据一体化生产技术，一体化、精准化的地理实体时空信息服务关键技术方面作深入研究，建设了面向国土空间规划的地理实体时空专题数据库，构建一体化、精准化的国土空间规划时空信息服务，充分发挥测绘地理信息对国土空间规划管控的技术支撑作用。