保定市高鐵片區自然資源一體化建設示范關鍵技術研究

馮仕超FENG Shi-chao；韓彥偉HAN Yan-wei；郭興平GUO Xing-ping；梁彥平LIANG Yan-ping；張旭敏ZHANG Xu-min

（華北地質勘查局五一九大隊（河北九華勘查測繪有限責任公司），保定 071000）

0 引言

隨著社會治理的精細化發展，社會各界各部門對自然資源相關數據的要求越來越高，測繪技術與互聯網、大數據、云計算等高新技術不斷融合發展，測繪新技術不斷涌現，信息化測繪體系和新型基礎測繪體系逐步形成。同時，城市建設及資源開發的不斷進度，對地下空間及地質結構信息的需求也越來越高，現有的服務模式已不能完全滿足信息化時代的要求[1-3]。如何高效整合與集成自然地理、地質、礦產、河流湖泊、測繪地理信息等各類數據庫，構建“地上地下、水陸相連”的自然資源一體化管理體系顯得尤為重要。

河北省保定市目前已完成了數字保定地理空間框架建設，初步建立了地理信息的基礎數據庫，但未升級到“智慧城市時空大數據”。因此，建立智慧城市時空數據庫的試點勢在必行。本研究以保定市高鐵片區為試點，探索多源異構時空大數據的快速融合方法和數據庫標準，為全市測繪地理信息方面工作、智慧城市建設以及城市發展規劃提供決策依據，為保定市全市的自然資源信息化建設和管理應用探索出一條技術路線。

1 研究區域概況介紹

本項目的研究區域位于京石高鐵以西，白洋淀大道以南、東風路以北、東三環以東，研究區域內有高鐵站（保定東）、學校（河北大學、保定學院、保定市外國語中學等）、企業（民營科技園）、村莊（大堤口等）、小區（博士園、卓正東璟等）、交通設施（京港澳高速、京石高鐵、巨力大橋等）。其中保定東站引入京廣高鐵、津保高鐵兩條線，正在建設的京雄城際和雄忻鐵路也將引入保定東站。根據相關規劃，保定東站將接入雄安至大興機場快線、雄石高速鐵路及廊涿固保城際鐵路，因此以該區域作為試點，具有地域代表性。

2 研究內容與研究方法

2.1 主要研究內容

本研究中首先通過對資料的整理分析，基于外業測量與航空攝影等工作，進而生成實景三維模型、DOM、DSM；根據實景三維再加工生成地形圖并入庫；根據研究區范圍內的相關地質勘查報告生成地層結構三維模型、根據地下空間圖紙生成站前廣場地下空間三維模型；收集和梳理研究區域內相關的基礎地理信息、遙感、地下空間、地質、建筑物相關等數據資料，對現有數據資料的屬性與格式進行分類；對社會公共專題信息（法人、住戶）進行位置信息掛接；根據數據管理需求，對數據進行整合并檢查；在此基礎上利用FME 編寫模板，以供后期大數據量的批量化處理；對已加工好的多源數據添加“三域標識”（時間、空間、屬性）；根據國家相關規范，建立多源異構數據的統一標準體系。

2.2 關鍵技術研究方法

多源異構數據融合要對各類數據有清晰的數據類型結構認識、空間構造形態認識和融合應用示范認識，從而對各類數據進行有目的的處理[4，5]。多源數據融合是近年來興起的一門數據處理技術，起源于軍事領域，又叫做多源信息融合，主要是一種多層次、多方面的處理過程，包括對多源數據進行檢測、相關、組合和估計，從而提高狀態和身份估計的精度，以及對戰場態勢和威脅的重要程度進行適時完整的評價。多源信息融合是在多個不同層次上信息處理過程，其中每個層次反映對原始觀測數據不同級別的抽象。在本研究中，多源異構數據融合是本項目中一個關鍵技術。

2.2.1 多源數據處理

本項目中以實景三維模型為核心，在統一空間參考的前提下，對專題點、線、面類型數據進行層次和數據結構一體化定制處理，主要包括：根據點、線、面各類數據的幾何結構和專題屬性特點，建立專題圖層組，圖層組內按照數據幾何特征劃分獨立圖層，使應用數據結構清晰；優化空間數據結構，設計滿足第三范式的非空間數據的數據模型和數據表結構，目的是將空間數據和非空間數據在系統應用時進行圖形繪制，查詢索引，調用壓力的分流；非空間數據的面向對象化改造，在專題化的應用中，非空間數據要建立與空間數據的對應關系。

2.2.2 多源數據融合

本項目中多源數據的融合關鍵是要解決以實景三維模型為核心的多維空間數據融合可視化及數據操作的問題，在以Cesium 為內核的可視化平臺中，影像、地形數據主要是通過與實景三維模型進行坐標匹配后進行服務發布，通過調用服務疊加于實景三維模型之上，成為智慧城市建設的地理底圖，實現數據的融合。對于矢量數據與實景三維模型的融合，需針對0 維點數據、一維線數據和二維面數據分別制定與實景三維數據融合的方法。

2.2.2.1 點、線數據與實景三維融合

0 維點數據和一維線數據在空間數據結構上相對簡單，兩類數據在實景三維空間上的占有度和表面較小。0維點數據，特別是地名地址等數據，可以直接在空間位置上進行落點可視化。

一維線數據能夠通過主要是通過以下兩種方式解決與實景三維的融合可視化問題：

①體貼合落位法，即一維線如道路、邊界等線要素直接與實體三維表面貼合，靈活設置線寬度、線性。該方法優勢在于與三維實景的貼合度高，地理空間實體化表達清晰，缺點是線經過實景三維中異狀面體結構時出現一維線異形現象。

②浮空法，即一維線不與實景三維進行貼合，懸浮在實景三維模型一定高度上。該方法優勢是一維空間要素完整，空間形態與原數據基本一致，缺點是在三維視角調整過程中，隨著視角的降低，越接近平視，視域越深，視野內的一維線要素越多，視覺效果較為雜亂。

矢量數據中的特殊點、線數據如鉆孔、管道數據通過直接加載顯示不能直觀的體現數據的特征，因此可以通過讀取二維shapefile 數據來創建對應三維實體進行可視化展示，從而得到更直觀仿真的點、線加載效果。

2.2.2.2 面數據與實景三維融合

二維面與實景三維模型在面域空間里具有較高的重疊，即簡單疊加會產生交叉沖突，點線和實景三維的融合方法不適用于面和實景三維的融合。為了充分發揮實景三維視覺真實性的優勢，并提高模型的空間應用深度，通常會利用二維面數據對實景三維模型進行單體化，實現面數據與實景三維數據的融合。根據實景三維模型的表面起伏度和二維面的大小，將同一空間域內的二維面進行三維升維，形成貼合實景三維模型表面的三維實體包圍盒。

2.2.3 基礎測繪數據的地理實體改造方法

本項目中地理實體數據生產主要是通過采集測繪的方式獲取，通過數據轉換生產形成符合標準的地理實體數據。相較于實體數據采集方法，基礎測繪成果數據改造工作在數據編輯前需要進行數據的抽取轉換，主要是將基礎測繪成果繼承的部分抽取轉換為地理實體數據或者可通過編輯加工轉變成地理實體的預處理數據。由于基礎測繪數據與地理實體在語義和內涵上的差別，傳統基礎測繪數據轉換為地理實體時存在一定的難度。

2.2.3.1 語義映射

①數據源確定。本項目依據地理實體數據分類、組織等要求，對基礎測繪數據進行分析，選取地理實體生產所需的生產數據源和參考數據源。生產數據源為地理實體數據生產提供圖形基礎和屬性參考，參考數據源為地理實體數據生產提供參考依據。

②創建實體庫模板。主要過程如下：1）創建地理實體庫。2）創建地理實體數據集，數據集分類、空間參考依據標準。3）創建地理實體圖層，圖層名、字段名等依據標準。

③數據映射抽取方案定義。數據抽取方案，就是將數據映射的內容用方案的形式固定下來，目的是提供給軟件執行提供依據。在數據抽取過程中能將生產數據源的數據抽取到地理實體模板庫中，如表1 所示。

表1 數據映射轉換過程設計

2.2.3.2 數據抽取

首先，將源數據進行預處理，主要是指將生產數據源提供的源數據進行格式統一和坐標轉換，使其滿足實際生產需要和相關數據規定。其次，將生產數據源中的數據抽取到地理實體模板庫的過程，抽取的依據是通過數據抽取方案，具體流程如圖1 所示。

圖1 數據抽取流程

2.2.3.3 實體編輯

按照統一提取和編輯原則，從數據源中提取、編輯生產地理實體數據，對地理實體數據進行檢查和入庫。數據編輯與處理的內容包括圖形的編輯和屬性的編輯：

①抽取的數據通過數據繪制、編輯生產成為符合標準的地理實體數據。

②對生產的數據成果進行質檢與修改。

③對通過質檢的成果數據進行地理實體唯一編碼。

④將地理實體最終成果數據入庫。

2.2.3.4 空間處理

本研究對結構化、非結構化的時空大數據進行空間處理，主要包括：統一格式、一致性處理和空間化。

統一格式：不同數據能夠基本實現無損格式轉換，對于無拓撲關系圖形數據要能夠轉換至基礎時空數據，并建立拓撲關系。格式統一后的基礎時空數據合并、接邊，數據表格能夠實現自動屬性賦值。

一致性處理：對于存放的矢量數據、影像數據和實體數據，將更新后的數據快速及時進行地圖綜合，利用綜合的結果聯動更新相應范圍數據，原內容自動變成歷史數據。

空間化：匯聚的數據，有些帶有空間位置坐標信息，經過了統一時空基準后，即可匹配集成；部分自身沒有空間坐標信息，但在屬性項中蘊含了地名地址；還有一部分只是蘊含了一些地名基因，要通過基于語義和地理本體的統一認知，提取地名譜特征。

2.2.3.5 數據標準體系建立

通過數據匯聚與空間化處理后，對多源數據的引入格式建立通用模板，在此基礎上編寫FME 程序，進行快速的定位匹配，利用程序形成自動化的三域標識添加。根據統一空間化后的數據，制定數據標準，形成統一規范的數據體系，供后續平臺調用。

3 自然資源一體化的成果展示與應用

本研究實現了保定高鐵片區的自然資源時空一體化建設示范，具體完成了保定高鐵片區的實景三維模型、DOM、DEM、DSM 等數據的生產、地形圖制作入庫、地層三維模型、地下空間三維模型的制作工作；多源數據分類處理及與實景三維的融合工作以及保定高鐵片區內基礎測繪數據向地理實體轉換工作。項目部分成果效果如圖2-圖5 所示。

圖2 地形數據與實景三維模型融合效果

圖3 實景三維模型

圖4 點、線數據與實景三維模型融合效果

圖5 地理實體改造成果

4 結論與展望

本研究通過收集保定市高鐵片區內地上與地下的各類自然資源數據，建立統一的數據整合標準，對包含遙感影像、實景三維、地下空間、地質結構、地形圖、地下管線及人口等多源異構數據進行融合，初步建立多源異構的自然資源時空數據快速融合的方法體系，為保定市自然資源管理的信息化建設和應用提供一定參考。

目前，新型智慧城市建設目前已在全國陸續展開，開展基礎時空數據、公共專題數據，甚至物聯網實時感知數據、互聯網在線抓取數據、根據本地特色擴展數據的獲取、存儲、處理、共享、集成、挖掘分析、泛在服務的研究探索，既是對當前數據的綜合運用，也是對今后工作開展打下了堅實的基礎，進而為智慧城市建設打下良好的基礎。