自然资源三维立体“一张图”建设思路探讨

邓颂平，周俊杰，范延平，姚 敏，李治君，赵 越

（自然资源部信息中心，北京 100830）

0 背景

2018年，自然资源部提出自然资源相关业务系统要由二维系统向三维系统转变。2019年，在“十四五”基础测绘规划编制工作启动时提出将“实景三维中国建设”纳入自然资源部“十四五”基础测绘重点工作。《自然资源部信息化建设总体方案》要求，全面增强自然资源三维动态监测与态势感知能力，提升地上、地下自然资源管理的一体化、精细化和智能化水平，形成地上地下、陆海相连、集成融合、可持续更新的自然资源三维立体“一张图”大数据体系。加快推进各类自然资源、国土空间各类要素的三维实景数据获取，开展物理空间实体对象的单体化和对象化的仿真建模，建立二三维一体化的自然资源和国土空间三维实景数据库，实现客观世界的大场景三维动态可视化管理，并努力实现动态实时实景可视化，提升自然资源治理能力和治理现代化[2]。

2020年，《自然资源部网络安全与信息化工作要点》明确提出，构建自然资源三维立体“一张图”[3]，通过国土空间基础信息平台对自然资源三维立体“一张图”数据进行统一管理与应用，实现自然资源管理与服务的精准化和高效化。

1 建设目标

按照《自然资源部信息化建设总体方案》的整体部署，自然资源三维立体“一张图”建设遵循“一张网”“一张图”“一平台”和“三大应用体系”[2]原则。通过建立安全高效的自然资源“一张网”、全国统一“地上地下、陆海相连”的自然资源三维立体“一张图”、完善的分布式国土空间基础信息平台、不断满足新业务要求的“三大应用体系”等，形成自然资源三维立体“一张图”数据资源管理体系与应用服务支撑信息化机制，为建立国土空间规划体系、用途管制和生态修复、自然资源确权登记等新时代国土空间开发利用保护格局提供数据支撑和技术支撑，为国家各部门信息共享和业务协同提供支持，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。

2 总体框架

自然资源三维立体“一张图”建设以统一的标准规范和安全运行体系为保障，以统一的自然资源信息化基础设施和数据为基础，遵循国土空间基础信息平台总体架构[1]，通过国土空间基础信息平台进行管理并提供满足自然资源管理需求的国土空间规划、自然资源调查监测、耕地保护、生态修复、矿产资源管理、土地管理等多种三维应用。国土空间基础信息平台三维扩展框架如图1所示。

图1 国土空间基础信息平台三维扩展框架

3 主要建设内容

3.1 数据标准制定

3.1.1 三维数据生产建设指南

依据自然资源信息化业务域的实际应用场景需求，提出三维数据生产建设指南规范，约定倾斜摄影、激光点云、精细模型、BIM等主流三维模型数据的一种或多种主要交换格式及主要生产技术指标。

3.1.2 通用三维数据交换格式标准

除兼容主流的三维数据格式外，针对多源三维空间数据服务发布与共享，建立开放的三维空间数据交换格式，通过一种高效、易扩展、可协作的数据规范，满足用户在不同终端（移动、浏览器、桌面）三维数据传输和解析方面的需求。

3.1.3 三维数据汇交与更新技术规范

在建立数据格式标准规范的基础上，保证数据的现势性，建立行业三维模型数据汇交与更新技术规范。

3.1.4 三维数据共享服务规范

根据不同部门对三维数据服务的不同需求，从三维信息服务共享的范围、内容、权限、时效和更新频率等方面制定数据共享与安全等技术标准。

3.2 三维实景数据库建设

（1）三维地形数据库。建立全国地形库，利用已有或收集的全国更高精度DEM、DSM地形数据，经过拼接融合、降噪等处理后，形成三维地形数据库，并将地形数据生成缓存文件后发布服务。三维地形数据库将作为自然资源“一张图”大场景三维实景展示的主要底板。

（2）三维自然资源确权登记与不动产登记数据库。应用自然资源确权登记成果及不动产登记数据，构建自然资源与不动产登记一体化的三维实景数据库。

（3）三维探明储量矿产资源数据库。利用钻孔、剖面图、水平投影图等地质勘查资料，构建三维矿体模型，形成三维探明储量矿产资源数据库。

（4）三维地质环境数据库。收集和整理各类地质勘查资料，利用钻孔资料、地质图、地形图、剖面图等多元信息进行多源数据整合与三维建模，建立钻孔实体模型、三维地质结构模型、三维地质属性模型等。

（5）三维海洋观（监）测数据库。整合通过海洋站、海洋雷达站、浮标、海底观测、标准海洋断面、海洋生态监测点、卫星海洋观（监）测、漂流浮标和海洋机动观（监）测等方式采集的数据，以海底地形数据为底板，建立海洋三维立体观（监）测数据库。

（6）三维城市精细模型数据库。基于3DMax、MAYA等软件建立模型数据，通过制作建筑物框架，采用现场拍摄的纹理，并辅以光影的效果建立精细模型数据，可有效真实还原城市综合体的复杂构造。

3.3 二三维多源数据获取与融合

针对现状、规划管控、管理、社会经济、倾斜摄影建模和BIM、3DMax建筑物模型、地质体等数据，开展二三维多源数据融合，形成自然资源三维立体“一张图”。对现状、规划管控、管理、社会经济数据统一空间参考，开展三维自然资源场景制作，生成缓存文件，发布二三维数据服务。对倾斜摄影建模数据进行单体化，对BIM、3DMax建筑物模型、地质体等数据进行格式转换，生成缓存文件，发布地图服务。二三维多源数据获取与融合流程如图2所示。

图2 二三维多源数据获取与融合流程

3.4 国土空间基础信息平台三维可视化与分析能力扩展

国土空间基础信息平台三维扩展功能如图3所示，包括大场景多源异构数据二三维一体可视化、三维基础分析、三维专业分析、自然资源空间分析、查询与统计全面三维场景化、三维专题数据产品、二三维一体化数据存储与发布管理等。

图3 国土空间基础信息平台三维扩展功能

3.4.1 三维数据管理能力

对倾斜摄影、激光点云、手工建模等各类三维模型数据提供统一的存储、更新与资源目录管理能力。支持模型的文件型、数据库型存储方式，支持数据服务和地图服务的发布与管理，支持模型缓存数据的管理。

3.4.2 三维可视化能力

通过三维符号化技术，实现点、线、面要素在三维场景中的快速构建与可视化表达。应用三维可视化特效，真实再现国土空间分布。

3.4.3 三维基础应用服务能力

提供坡度坡向分析、等高线分析、通视分析、可视域分析、日志分析、阴影率统计分析、天际线分析、剖面线分析、限高分析等功能，三维体间的交、差、并等三维空间分析服务，基于三维场景的合规性分析、项目选址分析等通用基础分析服务。

3.4.4 三维数据共享服务能力

对三维数据服务、地图服务、应用服务等提供安全可靠的共享服务机制与技术实现路线，实现三维数据能力满足国家发展和改革委员会、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、水利部、农业农村部等部门信息共享需求，服务业务协同部门。

3.4.5 三维专题数据产品制作

在提供三维基础数据服务的基础上，按照实际工作和各部门需求，开展特定专题三维产品定制与服务，将成熟的产品接入平台，通过平台为广大的用户提供服务。

4 建设模式

自然资源三维立体“一张图”按照“各负其责、分布式管理”和“集成整合、共建共享”的原则进行建设，如图4所示。采用分布式构架，实现物理上分散、逻辑上集中。面向自然资源部，基于内网为项目审批、日常监管、分析决策、国土空间规划编制、“三区三线”划定等工作提供数据和技术支撑。面向其他相关部委，基于国家电子政务内网提供国土空间“底数”“底线”数据服务，同时提供专项规划、审批项目的套合比对分析等功能。面向社会组织和公众，对相关数据进行加工处理，提供基于互联网的数据服务。

图4 自然资源三维立体“一张图”建设模式

5 主要进展

5.1 标准体系建设

《国土空间基础信息平台建设规范》《自然资源三维立体“一张图”数据标准》《基于国土空间基础信息平台开展城市信息模型集成和应用指南》等相关标准规范建设正在开展，部分标准已形成征求意见稿。

5.2 数据资源体系建设

整个自然资源三维立体空间被划分为地下资源层、地表基质层、基底层、地表覆盖层、规划管控层、管理层、社会经济层。

（1）地下资源层包括矿产资源调查、地下空间利用调查、陆地地质调查、海洋地质调查、地质灾害调查数据。

（2）地表基质层包括岩石、砾石、沙和土壤等调查数据，海底基质调查数据。

（3）基底层包括多时相遥感影像数据、陆地三维模型、海底地形三维模型、城市三维数据、陆地地形地貌等基础地理、海洋基础地理数据。

（4）地表覆盖层包括重点区域、地下水、海洋资源、生态状况等监测、应急数据，森林、草原、水、湿地、海域海岛等专项调查数据，第三次全国国土调查及变更调查、地理国情普查和监测数据。

（5）规划管控层包括生态保护红线、永久基本农田控制线、城镇开发边界等重要控制线，“五级三类”国土空间规划数据。

（6）管理层包括地政、矿政、海政、测政等日常审批和监督业务数据，自然资源确权和不动产登记、自然资源资产数据。

（7）社会经济层包括互联网信息数据，社会、经济、人口数据。

5.3 三维数据库建设

5.3.1 三维矿产资源储量数据库

为推动全国矿产资源储量的三维管理水平，2020年9月2日，自然资源部印发《矿产资源国情调查技术要求》，要求大中型矿区建立矿产资源储量估算空间范围立体图，立体图由矿体（含油气层）、地层、构造、钻孔等内容组成，有条件的矿区可开展地质建模，无条件的矿区可开展矿体建模。

5.3.2 三维时空数据库

自然资源三维立体时空数据库是自然资源三维立体“一张图”的重要内容，是国土空间基础信息平台的数据支撑，由1个主库、9个分库组成，涉及土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛7类自然资源[4]。

5.3.3 三维海洋观（监）测数据库海洋生态预警监测是自然资源调查监测体系的重要组成部分，是自然资源管理的基础支撑和管理手段。各类监测数据成果逐级汇交、集成至海洋生态预警监测信息化平台，实现海洋生态信息的集中管理与共享服务，支撑监管督察、资源环境承载力监测预警、城市体检评估等工作。相关成果纳入自然资源三维立体“一张图”[5]。

5.3.4 三维全国森林资源调查监测数据库

全国森林资源调查监测是一项重大的基础性自然资源调查工作，其目的是掌握全国森林资源分布、种类、数量、质量、结构和生态状况以及变化情况。各级成果经逐级检查验收后纳入全国森林资源调查监测数据库，由国家统一汇总，并纳入自然资源三维立体时空数据库[6]。

5.4 国土空间基础信息平台三维数据接入和调用技术要求

在国土空间基础信息平台数据接入和调用技术要求基础上，对接入或汇集到国土空间基础信息平台三维数据的数学基础、数据格式或服务类型，以及调用国土空间基础信息平台三维数据的数学基础、服务类型、服务地址等内容给出明确要求，如表1所示。

表1 国土空间基础信息平台部分三维数据服务格式

5.5 国土空间基础信息平台三维功能扩充基本实现

国土空间基础信息平台的坡度坡向分析、等高线分析、通视分析、可视域分析、日志分析、阴影率统计分析、天际线分析、剖面线分析、限高分析等三维基础分析功能已基本实现。

6 应用展望

在技术方面，三维GIS技术经过近10年的发展，逐步解决了空间全要素数据表达模型、多源数据融合、三维数据标准体系建设、真三维模型分析运算及大数据量的模型管理等方面的问题。在三维数据生产成本方面，单位面积的生产成本逐年降低，数据生产的软件厂商越来越多，技术手段也越来越丰富。在应用效果方面，基本解决了三维GIS从“好看”到“好用”的问题，为三维GIS面向实际业务应用场景提供了技术支撑。

（1）在矿产资源管理方面，通过DEM、DOM建立地表三维模型；利用钻孔、剖面图、水平投影图等地质勘查资料构建三维矿体模型；采用激光点云结合虚拟全景技术，对地下巷道空间建立地下采掘空间模型；实现三维空间可视化，达到矿产资源储量自动计算、扣减核销等应用效果。

（2）在三维地质环境与防灾减灾方面，利用钻孔资料、地质图、地形图、剖面图、地质环境监测等多元信息进行多源数据整合三维建模，通过地质灾害发生前后的三维地形对比分析、力学仿真分析等功能，实现三维地质灾害管理、分析与监测。

（3）在国土空间规划编制实施与监测评估方面，以基础地形与影像数据为基底，整合已有的城市精细模型或倾斜摄影数据，整合各类现状、规划、管理等数据资源底板，搭建国土空间规划三维辅助编制平台，利用实景三维场景，完整、真实地还原国土空间分布，为“三线”划定、空间规划分区划定、城市设计等提供更直观的辅助设计依据。扩充国土空间规划“一张图”实施监督信息系统中的规划实施阶段项目辅助选址、项目合规性审查、规划冲突检查的三维场景应用。

（4）在海洋管理三维应用方面，集成地形数据，港口、导航物、航行物数据，海洋测量点数据，二维电子海图数据，洋流、潮汐、大气等各种动态场信息，实现三维场景下的动态监管，对规模动态标量场、向量场及复杂属性信息数据进行高质量的实时可视分析。