城鄉一體化空間信息智能服務平臺建設與應用

文｜張新長 張志強

為解決日益突出的“城市—鄉村”土地利用矛盾，發掘鄉村發展潛力，建設美麗鄉村，2017年10月18日習近平同志在黨的十九大報告中提出“鄉村振興”戰略。隨后，2018年2月4日，2018年中央一號文件發布了《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》。從此，鄉村振興戰略正式拉開帷幕。

隨著“鄉村振興”“生態文明建設”等國家重大戰略的推進和實施，城鄉統籌的國土空間規劃將成為今后一段時間內區域規劃的重要指導方向。在此背景下，過去的城市空間信息服務平臺已難以滿足城鄉統籌發展的應用需求，亟需構建城鄉一體化空間信息智能服務平臺，以城鄉空間數據為基礎數據，結合信息挖掘與知識發現模型，為區域發展提供高效、智能的優質服務。

城鄉一體化空間信息智能服務平臺總體架構

圖1 空間信息智能服務平臺設計架構

圖1 顯示了構建的城鄉一體化空間信息智能服務平臺體系架構，該體系自下而上主要包括基礎設施層、數據層、管理層、應用層和服務層五個層面。每個層面的建設均遵循相關的政策法規與標準規范體系，對于整個服務平臺建立嚴格的運營維護與安全保障體系，以確保城鄉一體化空間信息智能服務平臺的科學性、合理性和可行性。

基礎設施層，為空間信息智能服務平臺提供硬件支持環境，主要包括地理信息基礎軟件和高速通訊網絡兩部分。地理信息基礎軟件主要包括數據存儲設備、數據計算設備、實時通信設備，用于空間數據的存儲和計算。高速通訊網絡確保數據和服務能夠及時傳送給用戶。

數據層，主要反映空間信息智能服務平臺所涉及和使用的空間數據，包括基礎地理空間數據，遙感數據、空間規劃數據、社會感知數據以及公共專題數據。

管理層，主要對數據進行存儲、管理和更新，確保數據的協同應用和現勢性。同時，進行信息挖掘和知識模型構建，從而為政府決策提供參考和指導。

應用層，主要與相關的政務系統進行對接，實現城鄉規劃電子審批、建設項目電子審批、自然災害應急保障、區域環境綜合治理等。

服務層，體現了城鎮一體化空間信息智能服務平臺的重要服務內容，主要包括輔助區域總體規劃的編制、評估、監管，區域環境的綜合治理，自然災害的應急保障以及國土、資源、環境的動態監測。

空間信息智能服務平臺建設關鍵技術

空間數據是服務平臺的血液和靈魂。因此，空間信息智能服務平臺建設的關鍵在于空間數據保障和信息挖掘。基于此，本研究從空間數據自適應動態更新、異構時空數據融合、時空信息挖掘與知識建模三方面介紹空間信息智能服務平臺建設的關鍵技術。

1.空間數據自適應動態更新

現勢性是空間數據的一個重要特征，是衡量空間數據有效性和可用性的一個重要標志。因此，空間數據需要進行定期的更新和維護。對于遙感數據、空間規劃數據、社會感知數據和公共專題數據按照相關的數據標準規范體系，定期更新入庫即可。對于基礎地理空間數據，尤其是不同比例尺的矢量地形圖數據，對整個區域重新采集、制作需要消耗大量的人力物力。因此，通常采用“增量-聯動”更新的方式更新基礎比例尺地形圖，然后按照相應的數據標準規范體系入庫。

本研究團隊長期致力于基礎比例尺地形圖數據“增量-聯動”更新理論與技術的研究，建立了一套系統完善的基于模式識別的空間數據“增量-聯動”更新技術體系，具體流程如圖2所示。該方法流程主要包括：更新信息檢測、自適應增量更新、更新信息多尺度匹配與傳遞三部分。更新信息檢測是指通過新舊時相數據的對比，構建更新信息特征空間，進行識別變化信息。自適應增量更新是指將檢測到的變化信息更新到同比例尺的舊時相空間數據，并進行接邊處理，獲得滿足相應數據標準規范的新時相空間數據。更新信息多尺度匹配與傳遞是指通過不同比例尺空間數據的匹配處理，識別跨比例尺的更新信息，并對相應的大比例尺更新信息進行尺度變換，最后將其更新到相應的小比例尺空間數據。

圖2 空間數據“增量-聯動”更新方法流程

圖3 CAD數據規整與轉換方法及流程

2.異構時空數據融合

城鄉一體化的空間信息智能服務平臺涉及多類型、多粒度、多時相的時空數據源，各數據之間存在格式差異、類型差異、數據標準差異等，難以直接融合與協同應用，需要首先對其進行同化處理。具體的研究內容及技術難點包括：（1）研究基礎地理空間數據的規整、融合方法，實現基礎地理空間數據庫內部數據的協同應用；（2）研究建立具有唯一地理對象標識的空間綜合體本體模型和屬性之間的智能語義推理模型，構建空間實體要素的多層級關聯關系，實現時空大數據的融合與集成；（3）研究相對靜態數據（如基礎比例尺地形圖、遙感數據等）與實時動態數據（主要為社會感知數據）的協同應用技術。

圖4 佛山市城鄉規劃業務全生命周期智能化管理平臺-規劃微環境模擬子系統界面

本研究團隊在基礎地理空間數據規整與融合方面開展了大量研究，研制了一套從CAD規劃數據到GIS入庫數據的轉換方法流程，如圖3所示。該方法主要包括兩部分：CAD數據規整和CAD數據轉換。CAD數據規整主要是指對CAD數據依次進行編碼賦值、編碼檢查、拓撲檢查、屬性賦值、數據標準化處理，使其滿足數據入庫標準。CAD數據轉換是指建立CAD數據中的控制點、高程點、居民地等空間要素與.shp格式數據中的點、線、面和注記之間的映射關系，從而將規整后的CAD數據轉換為標準的.shp文件進行入庫。

3.時空信息挖掘與知識建模

空間信息智能服務平臺的重要職能在于為政府決策提供輔助和指導。因此，需要從海量的城鄉一體化空間數據中挖掘有用的信息，并構建知識模型。根據服務平臺的重要服務內容，該項關鍵技術的主要研究內容包括：（1）建立城鎮產業空間布局合理性和適宜性的評價方法，構建區域資源環境、社會發展、城鎮規劃、環境保護等因子對城鎮產業發展的影響指數計算模型；（2）構建城鄉統籌的國土空間資源優化配置技術，融合城鄉基礎設施、人居環境、產業發展等要素的空間資源優化配置模型，輔助區域總體規劃方案的編制與評估；（3）建立區域環境綜合治理與產業結構調整、經濟社會發展的耦合模型，實現區域經濟建設和環境綜合治理兩手抓，輔助山水林田湖草等生態環境要素的綜合治理；（4）結合區域地形、地質特征和歷史自然災害信息，研制自然災害安全預警指標體系，建立自然災害安全預警模型、災損評估模型，構建自然災害應急保障機制；（5）結合區域特點，構建國土、資源、環境動態監測指標體系和安全預警指標。

應用案例

基于上述服務平臺框架體系和平臺建設關鍵技術，本研究團隊為廣州市佛山區研制了“城鄉規劃業務全生命周期智能化管理平臺”。該平臺主要涵蓋“城鄉規劃三維輔助管理”、“城鄉規劃微環境模擬”兩大功能模塊。

城鄉規劃三維輔助管理系統通過構建區域三維模型，將現實世界中的景象利用虛擬顯示技術顯示出來。然后通過三維漫游場景，從宏觀到局部真實地展現規劃方案。該子系統能夠輔助區域規劃方案的設計、展示和對比分析。

城鄉規劃微環境模擬系統（如圖4所示）提供了日照分析、風環境模擬、熱工分析、噪音分析、舒適度分析等城鄉規劃微環境模擬技術，實現了市規劃的模型化和可計算化，并建立了動態更新、管理和服務機制，促進了城市以生態指標為基礎的空間統一規劃、合理開發和科學管理。

城鄉一體化空間信息服務平臺是城鄉統籌發展的重要支撐和保障，對于實施“鄉村振興”“智慧城市”“生態文明建設”等一大批國家重要戰略具有重要的意義和價值。