自然資源全要素概念模型構建

應 申，李程鵬，郭仁忠，3，李 霖，劉耀林

（1.武漢大學資源與環境科學學院, 湖北 武漢 430079；2.武漢大學地理信息系統教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079；3.深圳大學智慧城市研究院，廣東 深圳 518060）

自然資源是個綜合體，資源大國如美、澳、俄等，運用系統科學理念，對各類自然資源實行綜合管理[1-3]。中國土地遼闊，“山水林田湖草”等自然資源豐富而復雜,面臨著自然資源合理統籌與利用的問題[4]。在ICT（Information and Communication Technology）高速發展的當下，為完成自然資源信息化統籌的時代任務，滿足自然資源綜合服務的需求，需要以測繪地理信息相關技術為手段，以地理空間統一為基礎，結合泛地圖的空間信息呈現方式，以此實現對自然資源全要素的統籌管理[5-6]。

概念數據模型表達了對象以及對象間關系，是描述現實世界的抽象概念集[7]，屬于現實世界到信息世界建模三階段（概念數據模型→邏輯數據模型→物理數據模型）的基礎階段[8]。過去，多數研究從“它在哪”“它是什么”“它屬于誰”去描述單一的自然資源要素，而忽略了自然資源的整體性、關聯性和系統性。因此，在當代自然資源信息化統籌的需求下，急需建立自然資源全要素概念模型，以描述“它們在哪”“它們是什么”“它們屬于誰”以及“它們之間有什么關系”。本文由自然資源全要素出發，從信息化過程、土地空間轉變、要素統一、泛地圖式服務等方面考慮其相關問題，進而構建自然資源全要素概念模型，最后依托自然資源全要素概念模型對各類自然資源進行建模分析和總結，表明本文所提模型對自然資源全要素的支撐能力。

1 管理自然資源全要素的相關問題

1.1 測繪地理信息與自然資源信息化

自然資源在現實世界中是一個寬泛的概念，各界對自然資源沒有統一的定義。我們認為廣泛存在于自然界并能為人類利用的自然要素和以自然要素為基礎形成的環境都屬于自然資源[9]，如土地、礦產、森林、草原、濕地、農耕、海洋等。各類自然資源有其獨立的特征、體系、管理單位和手段，但都以土地空間（如山、地）或依附于土地空間（如林、草）的形式存在。

土地空間中自然資源的數據采集、管理、服務依賴于測繪地理信息手段。自1984年開始，中國已歷經并完成兩次全國土地調查和一次全國地理國情普查工作，并規劃于2018—2020年間完成第三次全國國土調查，這些通過測繪地理信息手段進行自然資源數據采集的活動為自然資源信息化建設奠定了數據基礎，以此建立的國家基礎地理信息數據庫與相應的數據庫動態更新機制保證了自然資源整體數據的現勢性[10]，數據成果通過國家地理信息公共服務平臺進行公開，并提供相關服務。

在自然資源統籌管理的體系（圖1）中，以要素動態更新與綜合為手段連接地理空間數據庫和自然資源信息，實現各類自然資源的本源信息、空間信息和管理信息在地理空間數據庫中的空間化管理，通過地理信息公共服務平臺為自然資源的法律法規起草、資源監測評價、資源資產統一登記、市場機制建立、空間規劃與用途管制、生態修復、科技發展與規劃等提供自然資源信息服務。在統一的地理空間、統一的語義描述、統一的信息服務的“三統一”方式下，自然資源要素在土地空間中的空間占有、位置關聯、附加屬性可以得到充分表達。

1.2 從土地到空間的轉變

土地是較為特殊的自然資源，它既和“山水林田”等自然資源具有相同的資源性質，又在自然資源體系中扮演另一個重要角色——自然資源的載體。土地作為自然資源，其資源特征主要表現為空間資源，這種特征使得土地能夠成為自然資源的載體[11-15]。傳統的林、耕、草等自然資源的管理多依賴于土地管理[16-18]，而在礦體研究、水體模擬、城市規劃、地籍管理等方面[19-22]，土地已上升為土地空間。

土地與土地空間具有不同的表達形式（圖2），前者往往通過平面圖形表達，后者為立體空間。土地向土地空間的轉變，是實現自然資源在統一地理空間中表達的基礎，這不是一個摒棄土地觀念，直接上升到空間觀念的垂直轉變，是“土地→土地和空間→土地空間”的漸變過程。自然資源在統一的地理空間中，以立體的形式存在，實現對土地空間的占有。同時，土地空間的分割、編碼、參考和描述體系等[23-24]也為自然資源在空間上的信息化統籌提供支撐。

圖1 自然資源統籌管理體系Fig.1 The uni fi ed management system of natural resources

圖2 土地與土地空間的不同表達形式Fig.2 The different presentations of land and land space

1.3 從要素到全要素的統一

在GIS中，對地球上分布的地物、現象和事件的空間位置以及空間關系進行抽象化表達的結果，稱為地理要素[25]。自然資源要素屬于地理要素表達的范疇，并且自然資源要素的描述直接關系概念數據模型的建立。在統一的地理空間中，自然資源要素從要素轉為全要素，必須要解決自然資源地理本體的描述、空間尺度的描述、邊界的描述以及要素關聯的描述等問題。

1.3.1 自然資源地理本體

自然資源地理本體（圖3）的構建有助于地理信息集成、發現、匹配等[30]。頂層本體為自然資源地理本體，描述概括性概念及關系；領域本體如山本體[26]、水本體[27]、森林本體[28]、地質本體[29]等，為各類自然資源領域內的描述；自然資源細節的應用、任務描述則屬于任務本體的內容。在自頂向下的結構中，頂層本體、領域本體、任務本體，逐層進行自然資源的多尺度表達與關聯。

圖3 自然資源地理本體的內容Fig.3 The contents of natural resource geographical ontology

1.3.2 空間尺度

不同的尺度表達地理要素抽象的不同層次或級別[31]，自然資源在表達單一要素時的空間尺度與表達全要素時是不同的。例如，一個建筑物在居住空間的尺度下可以表達為三維建筑模型，在城區尺度下可以表達為建筑輪廓，在城市間的尺度下通常已不進行獨立表達，而是以城市整體作為表達對象。自然資源從個體到整體，從單要素到全要素，空間尺度必然作為其概念化的核心屬性而存在。

1.3.3 邊界與關聯

自然資源在同類資源上具有聚集性的特征，這種特征為同類自然資源的邊界構成提供了條件，且邊界是清晰的。自然資源之間以空間邊界為紐帶，形成位置關聯關系，反映的是自然資源之間的格局和時空演變，包括同類資源與異類資源的關聯。在尺度的變化下，自然資源的邊界與關聯并非固定不變的。

1.4 從自然資源數據到泛地圖的推演

采用測繪地理信息手段實現自然資源統籌的目標不僅是數據存儲和展示，更是自然資源的信息化服務,構建概念模型的目的亦是如此。泛地圖作為新型的地理空間信息承載體，將二元空間拓展到三元空間，以靜態或動態、抽象或具象的方式呈現地理空間中的綜合信息[5]。自然資源全要素概念模型作為要素到信息的中間物，需要充分和全面地描述自然資源，最終以泛地圖的技術形式進行呈現（圖4）。本文關注模型構建，泛地圖式的信息化服務仍待后續探討。

2 自然資源全要素概念模型

圖4 從自然資源到泛地圖Fig.4 From natural resources to pan-map

自然資源所涵蓋的各個領域都具有其獨立特征和研究方法，本文無法從各個角度實現全領域的專業建模，但可以基于自然資源的統一地理空間基礎，充分表達全要素的概念。

2.1 基礎結構

自然資源全要素概念模型，從地理空間、本體、幾何描述、權利與服務實現對自然資源全要素的表達，該4個域（Domain）對自然資源全要素的描述內容如表1所示。

表1 自然資源全要素概念模型表達的內容Tab.1 The contents of Natural Resources Full Factors Model

地理空間是自然資源存在的絕對空間，在整個基礎結構中屬于最頂層的結構，是自然資源的載體，強調固有的存在性；本體的建立以要素為基礎，強調要素對空間的占有，是面向自然資源中各個專業領域的；幾何作為事物的基礎結構，實現的是空間、要素的形態和關系的描述，如空間定位與拓撲；在自然資源全要素的統一描述中，權利與服務是自然資源與人建立關系的依據，必須結合幾何形態、本體概念和地理空間的關系打造統一的體系進行表達，以避免不同體系造成的差異化和爭端，如城市資源中建筑物的法律空間、土地空間、居住空間的碰撞往往是由于各執一端的規則造成。

為了對自然資源全要素概念模型表達的內容進行合理的組織，模型引入包（Package）的概念，實現對各個域所涉及的內容（類）進行管理，分別為地理空間包、本體包、幾何包、權利與服務包，其基礎結構與關系見圖 5（a）。

2.2 地理空間包

地理空間包下設立GeoSpace類（Class）和GeoPosition、GeoScale、GeoShape子包（Sub Package）。三個子包用于存放相關類，分別用來描述位置、尺度、形態。GeoSpace可由同類組合而成，體現空間的剖分關系；三個子包和GeoSpace為關聯關系，對GeoSpace進行描述。地理空間包結構見圖5（b）。

2.3 本體包

圖5 自然資源全要素概念模型結構圖Fig.5 The structure diagrams of Natural Resource Full Factors Model

本體包設立的目的不是替代現存的自然資源系統與體系，而是以一種規范的語言去描述它們，使得他們的相似性與差異性更容易被理解和認識，同時借助地理信息的手段，賦予他們統籌的基質。本體包下設立Ontology、BasicUnit、GroupUnit類和Construction子包。BasicUnit類指自然資源的基礎要素，如水、建筑等；GroupUnit類則描述基礎要素組成的集合要素，如產權體集合等[32]，自然資源全要素是最大的集合要素；Construction包用于設立自然資源本體構建的結構描述以及工具類。本體包的結構見圖5（c）。

2.4 幾何包

幾何包具有描述自然資源要素邊界和位置關聯的能力，設有Geometry類和Geometry_Relation、Geometry_Boundary、Geometry_Components三個子包。Geometry_Components包中為幾何體的基本類，如點、線、面、體等；Geometry_Boundary包中為表達邊界的類，由基本類構成；Geometry_Relation類描述位置關聯。三個子包共同作用，服務于Geometry類。幾何包結構見圖5（d）。

2.5 權利與服務包

在地理空間中，空間權與物權始終具有難以融合的矛盾，權利的矛盾將導致服務的矛盾，這在三維地籍與不動產統一登記中尤為顯著[33-34]。權利與服務包設立Administrator、Right、Service三個核心類，分別實現管理者、權利和服務三項內容。需要注意的是，地理空間作為特殊的自然資源——空間資源，其同樣具有管理者、權利、服務的內容。權利與服務包結構見圖 5（e）。

2.6 擴展問題

自然資源全要素概念模型的基礎結構可以基本表達自然資源的全部要素，但是并不完善，諸如時間、尺度單位、采集手段、數據維度等都未直接在模型中體現。因此，必須以擴展的機制對模型進行補充，達到充分表達全要素的目標。

3 時空環境下的建模與分析

動態建模系統中常采用“基于事件的建模”和“基于狀態的建模”[35]，本文為表達某時間跨度下自然資源版本要素[36]，依據自然資源全要素概念模型，采用后者建模方式。自然資源在時空變化的環境下具有不同的特征，為體現模型對不同自然資源的描述能力，選用4種具有時空特征的情境進行建模。

3.1 建模樣例區

本文以具有不同自然資源特征的情境作為研究對象進行例證，以充分表現全要素的概念。建模樣例區的選擇為突出自然資源全要素建模，未對尺度做精確定義，見表2。

3.2 耕地與森林資源建模——吳起縣退耕還林

建模內容見圖6，數據來自參考自文獻［37］。1998年前，陜西吳起縣農作物實際耕種面積185.5萬畝，其中92.2%為坡耕地, 截至2018年,全縣共完成退耕還林面積244.79萬畝,其中國家確認面積190.67萬畝。退耕還林模型圖以吳起縣林耕區地理空間為依托構建，還林前農耕資源主要為水田、旱地、水澆地和坡耕地，林木資源主要為天然林，還林后農耕資源的坡耕地基本消失，轉變為林木資源的人工林——沙棘林。建模時以自然資源本體（Ontology）表達資源類型，如農耕資源、林木資源，具體層級采用組單元（GroupUnit）和基本單元（BasicUnit）表達。

3.3 礦石資源建模——邵東縣石膏礦

建模內容見圖7，數據來自參考自文獻［38］。湖南邵東縣石膏礦豐富，但開采過程中采空區的出現導致地面塌陷等問題。邵東縣石膏礦開采模型以邵東縣土地空間為建模地理空間，該空間中礦區空間為底層，相應垂直空間的土壤區為中層、城市資源區為上層，三層空間中具有對應的自然資源。自然資源的幾何形態用體進行表達，以土石和石膏礦為例，兩者具有相鄰關系，共享相鄰面；石膏礦開采出現采空區后，模型從采礦區分離出采空區，從城市資源區分離出地陷區，地陷區的建筑資源整體遷移至非地陷區，不再與采空區處于統一垂直空間。

表2 建模樣例區Tab.2 The sample areas of modeling research

圖6 吳起縣林耕地建模Fig.6 The modeling process of plough and woodland in Wuqi County

圖7 邵東縣石膏礦建模Fig.7 The modeling process of gypsum mine fi eld in Shaodong County

3.4 水資源建模——三峽庫區變化

建模內容見圖8，數據來自參考自文獻［39］。三峽庫區于6—9月為豐水期（也稱汛期），10—12月為蓄水期，12至次年4月為枯水期，三峽大壩通過控制豐水期的“排渾”，蓄水期的“蓄清”來支撐枯水期的水利和通航，以此為依據建立豐水期和枯水期模型圖。三峽庫區范圍廣，模型對其地理空間按段劃分，以“壩前—屈原鎮”段空間和三峽水壩空間為主體進行分析。豐水期，“壩前—屈原鎮”段空間中存在水資源、泥沙資源，水和沙混合的“渾水”具有排沙功能，在豐水期與江水一同排至下游；枯水期，三峽水庫已歷經“蓄清”階段，大量泥沙資源已排出水庫（為突出時空變化特征，模型不表達剩余泥沙資源）。水庫在豐水期的水量大，但水位僅145 m，水體小；枯水期的水量小，水位175 m，水體大。

3.5 草資源建模——呼倫貝爾草原退化

圖8 三峽庫區水資源建模Fig.8 The modeling process of water resource in the Three Gorges Region

圖9 呼倫貝爾草原建模Fig.9 The modeling process of grassland in Hulun Buir

建模內容見圖9，數據來自參考自文獻［40］和［41］。草原退化是呼倫貝爾草原面臨的“窘境”，過度放牧、風沙侵蝕、工業污染等問題導致高質量草地沙化、裸露，逐步發展為退化草地。為表達呼倫貝爾草原退化空間特征，模型將呼倫貝爾草原空間以多級格網進行空間劃分。草原退化前，牛羊活動范圍和未退化草地資源所處空間近似，覆蓋多個格網空間。草原退化后，未退化草地所占空間急劇縮小，其出讓空間由退化草地占據。牛羊活動空間也縮小，與原有空間部分重疊，多傾向于未退化草地。退化草地出現在格網2和格網4，為沙地、防沙林、牛羊活動的交疊區。

3.6 討論

地理空間在當前認知范疇是固有存在的，上述4類模型從林耕、礦、水、草等自然資源占有空間的角度建立，不同時間快照下的自然資源要素在地理空間中的形態、特征不同，建模中表達為前、后版本要素。其中，吳起縣退耕還林建模突出自然資源在地理空間中的表達，邵東縣石膏礦與呼倫貝爾草原建模著重于地理空間的劃分以及幾何形體的關聯，模型對權利和服務的描述等綜合性描述在三峽庫區變化的建模中體現。各個模型的地理空間尺度決定了建模要素表達的層次、細節。建模中，通過地理空間包、自然資源本體包、自然資源幾何包、自然資源權利與服務包的內容描述各類資源要素“它們在哪”“它們是什么”“它們之間有什么關系”“它們屬于誰”的問題，對自然資源全要素的概念給出回應。同時，多個示例的論證體現了自然資源全要素概念模型的可行性和通用性，能夠為自然資源全要素的統一登記、數據庫建設等提供基礎。

4 結語

自然資源統籌是當代自然資源信息化建設的基礎與核心工作，本文以各類自然資源建模過程為依據，通過對各種自然資源的構模過程進行反復迭代、修正和提煉所得到的結果，構建了自然資源全要素概念模型，在一定程度上實現了對自然資源全要素的概念性描述。依托地理空間，自然資源在時空變化中的版本特征亦可表達。需要指出的是，本文討論的自然資源要素注重于可見形體或可定界形體（如三維產權體）等能夠進行對象化表達的自然資源，而諸如風能、太陽能等具有顯著場特征的自然資源未納入本文的研究范疇。