自然资源调查监测数据库建设探讨与实践

2022-08-01张元杰刘建军

北京测绘 2022年5期

张元杰刘建军高崟

(国家基础地理信息中心, 北京 100830)

0 引言

十八大以来,党和国家高度重视生态文明建设,提出统筹“山水林田湖草”系统治理,并组建自然资源部承担统一行使全民所有自然资源资产所有者职责、统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责[1-2]。自然资源监测评价、生态保护与修复、国土空间规划、自然资源开发利用等自然资源管理的各项业务工作需要“山水林田湖草”等各类自然资源数据作为支撑,迫切需要开展自然资源调查监测数据库建设。

2020年1月,自然资源部出台了《自然资源调查监测体系构建总体方案》,明确了自然资源调查监测数据库的建设内容等[3]。当前国内学者对于自然资源调查监测数据库建设相关技术的研究还仅侧重于土地、矿产、水资源等单类自然资源数据[4-6],对于调查监测各类数据统筹建库方面的技术研究相对较少。本文在分析自然资源调查监测数据库建设需求的基础上,设计了数据库建设技术流程,对数据库系统建设的关键技术环节进行了探讨,并基于实验数据开展了建库技术实验。

1 需求分析

自然资源调查监测数据库是自然资源管理“一张底版、一套数据、一个平台”的重要内容,是国土空间基础信息平台的数据支撑。

1.1 一体化集成管理

自然资源调查监测数据涉及土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛7类自然资源数据[7],包括自然资源调查、专项监测、专题监测、应急监测、历史数据等多类成果。各类数据成果按照“谁生产、谁建库”的原则,由不同单位分别生产和建库。数据库主要内容见表1。

表1 自然资源调查监测数据库主要内容

自然资源调查监测数据库建设的首要任务是在现有生产组织模式下,面向自然资源各类调查监测数据管理和应用的需要,统筹设计自然资源调查监测数据库的内容、模型、接口、功能等标准规范,对各类自然资源调查监测数据进行整合与建库,实现对各类调查监测成果的一体化集成管理。

1.2 三维立体存储与表达

自然资源调查监测数据涵盖了地上、地表、地下、陆地和海洋等多层次立体空间位置的各类数据,数据也由传统的二维平面的点、线、面要素扩展到具有高程信息的三维立体点、线、面、体要素。同时,在国土空间规划、自然资源登记、确权、用途管制、开发利用和督察执法等各类业务应用也要由二维系统升级为三维系统[8-10],需要更加精细、完整地表达自然资源的立体空间分布、自然资源量等。

因此,自然资源调查监测数据库建设需要构建统一的自然资源立体时空模型,以立体空间位置作为组织和联系所有自然资源体的基本纽带,对多层次立体空间位置的各类自然资源进行三维立体存储、管理、表达和应用,实现对自然资源的精细化综合管理[11]。

1.3 成果应用与服务

针对自然资源部门内部管理业务、政府其他行业部门和社会应用对自然资源调查监测各类成果的应用需求,依托自然资源部涉密局域网、电子政务内网和互联网,需要采用数据接口服务、在线地图服务、信息服务、知识服务等多种方式,支撑对调查监测成果的数据库直接调用、统计分析、信息查询、二次开发、辅助决策等[12-13]。

2 技术流程

根据自然资源调查监测数据管理和应用的需要,针对调查监测数据、管理规划数据、地理空间框架数据和其他行业数据,对各类数据进行整合处理和统一建模,并以数字高程模型为三维基底,以遥感影像为覆盖背景,以基础地理信息为空间框架,以自然资源调查监测成果为核心内容,基于统一的三维立体时空模型,构建“物理分散、逻辑集成”的自然资源三维立体时空数据库及系统,实现各类自然资源要素时间、空间、语义、管理、服务等一体化表达、存储与管理。数据库建设技术流程如图1所示。

图1 自然资源调查监测数据库建设技术流程图

3 关键技术环节

为了满足自然资源调查监测数据立体化统一管理、三维表达和应用服务的需求,需要对数据模型、数据处理、可视化、数据存储与管理等关键技术环节进行优化与重构。

3.1 自然资源立体时空数据模型构建

在现有自然资源各类调查数据技术标准的基础上,面向调查监测成果立体化统一管理的需要,通过研究各类自然资源语义描述、空间位置、分布格局、演化过程、属性特征、要素关系等[14],设计基于自然资源实体的立体时空数据模型(图2),在全国统一的三维空间框架下,准确表达地上、地表、地下各类自然资源空间关系及属性信息,为各类自然资源一体化统一建模奠定基础。

图2 自然资源立体时空数据模型构建

数据模型构建采用实体关系(entity-relationship,E-R)建模方法,对自然资源实体的分类、粒度、实体空间编码、空间关系、时空演变等进行设计,构建数据模型,实现各类自然资源实体、管理界线、社会经济要素等在空间上的分层,在时间上的分期,在地理位置上的分区,在业务上的逻辑关联。

3.2 多源异构数据整合处理

针对自然资源各类调查监测数据、规划管理数据、基础地理信息数据、三维模型数据,以及社会、经济、人口等其他行业数据,利用基于立体空间关系的要素一致性检核、自然资源要素分类重组、要素级多时态数据处理、基于要素关系的自然资源实体构建、基于空间网格的实体统一编码、三维模型数据金字塔构建、三维单体模型与地形模型融合处理等技术[15],对矢量、栅格、三维、表格、动态监测数据等进行整合处理,构建由一个主数据库、9个分数据库组成的自然资源调查监测三维立体时空数据库。技术路线如图3所示。

图3 多源数据整合处理技术路线

3.3 三维立体场景构建

针对自然资源调查监测成果不同应用场景的需要,基于多源异构三维数据动态融合、海量影像动态服务等技术,构建地形级、实景级、实体级等多粒度三维立体空间框架。在此基础上,按照地下、地表、地上等各类自然资源要素的立体空间位置,采用巨量矢量要素三维化动态表达、二维数据三维空间模拟等技术,构建全域覆盖、空间连续、二维、三维一体的立体可视化场景,并利用WebGL 3D渲染、虚拟现实、增强现实等多种形式,对自然资源实体、要素相互作用以及演变规律加以综合呈现,实现各类自然资源“宏观微观、地上地下、室外室内”等的一体化综合展示[16]。技术路线如图4所示。

图4 三维立体场景构建技术路线

3.4 高效能存储与管理

围绕土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛7类自然资源,按照一个主数据库9个分数据库的数据库架构,基于自然资源“一张网”,采用“物理分散、逻辑集成”的方式,建设数据库存储资源、计算资源、网络环境、数据安全等支撑环境,并建立数据库系统,实现对数据成果的统一管理。

在数据存储环节,针对不同类型数据,采用关系型和非关系型数据库混合存储的模式,建立分布式数据库,利用巨量矢量数据分块存储技术、网络化要素级实时增量更新技术、分库与主库数据存储加密技术等,实现数据的高效能存储。在数据库管理环节,采用基于统一空间框架的数据集成技术,实现二维、三维矢量栅格数据一体化管理。

4 建设实践

利用已有调查监测数据成果开展了自然资源调查监测数据库建设实践,对部分关键技术路线进行了技术验证,并建立了数据库系统,初步支撑了自然资源管理的业务应用。

建库实践时,首先通过融合全国10 m格网数字高程模型数据、部分区域2 m格网数字高程模型数据和多版优于1 m分辨率正射影像数据,构建了覆盖全国范围、多尺度融合的三维立体空间框架。然后,利用收集的地理国情数据、永久基本农田数据、土地利用变更调查数据、城乡建设用地增减挂钩数据、土地整治数据、全国地质灾害点数据、森林资源清查数据、全国水利普查数据、湿地资源调查数据、林地一张图数据等自然资源调查监测数据,开展了多源数据整合处理。最后,对于矢量数据、表格数据等采用关系型数据库进行存储,对于三维模型数据、瓦片数据等采用分布式文件数据库进行存储,建立了关系型数据库和分布式文件数据库融合的混合模式数据库。

同时,研发了自然资源三维立体时空数据库系统,实现了自然资源调查监测数据的一体化管理、三维立体表达、空间分析等,为国土三调、空间规划、耕地保护、自然资源资产清查等自然资源管理工作提供了服务。