自然資源三維立體“一張圖”建設思路探討

鄧頌平，周俊杰，范延平，姚 敏，李治君，趙 越

（自然資源部信息中心，北京 100830）

0 背景

2018年，自然資源部提出自然資源相關業務系統要由二維系統向三維系統轉變。2019年，在“十四五”基礎測繪規劃編制工作啟動時提出將“實景三維中國建設”納入自然資源部“十四五”基礎測繪重點工作。《自然資源部信息化建設總體方案》要求，全面增強自然資源三維動態監測與態勢感知能力，提升地上、地下自然資源管理的一體化、精細化和智能化水平，形成地上地下、陸海相連、集成融合、可持續更新的自然資源三維立體“一張圖”大數據體系。加快推進各類自然資源、國土空間各類要素的三維實景數據獲取，開展物理空間實體對象的單體化和對象化的仿真建模，建立二三維一體化的自然資源和國土空間三維實景數據庫，實現客觀世界的大場景三維動態可視化管理，并努力實現動態實時實景可視化，提升自然資源治理能力和治理現代化[2]。

2020年，《自然資源部網絡安全與信息化工作要點》明確提出，構建自然資源三維立體“一張圖”[3]，通過國土空間基礎信息平臺對自然資源三維立體“一張圖”數據進行統一管理與應用，實現自然資源管理與服務的精準化和高效化。

1 建設目標

按照《自然資源部信息化建設總體方案》的整體部署，自然資源三維立體“一張圖”建設遵循“一張網”“一張圖”“一平臺”和“三大應用體系”[2]原則。通過建立安全高效的自然資源“一張網”、全國統一“地上地下、陸海相連”的自然資源三維立體“一張圖”、完善的分布式國土空間基礎信息平臺、不斷滿足新業務要求的“三大應用體系”等，形成自然資源三維立體“一張圖”數據資源管理體系與應用服務支撐信息化機制，為建立國土空間規劃體系、用途管制和生態修復、自然資源確權登記等新時代國土空間開發利用保護格局提供數據支撐和技術支撐，為國家各部門信息共享和業務協同提供支持，保障國家戰略有效實施、促進國家治理體系和治理能力現代化。

2 總體框架

自然資源三維立體“一張圖”建設以統一的標準規范和安全運行體系為保障，以統一的自然資源信息化基礎設施和數據為基礎，遵循國土空間基礎信息平臺總體架構[1]，通過國土空間基礎信息平臺進行管理并提供滿足自然資源管理需求的國土空間規劃、自然資源調查監測、耕地保護、生態修復、礦產資源管理、土地管理等多種三維應用。國土空間基礎信息平臺三維擴展框架如圖1所示。

圖1 國土空間基礎信息平臺三維擴展框架

3 主要建設內容

3.1 數據標準制定

3.1.1 三維數據生產建設指南

依據自然資源信息化業務域的實際應用場景需求，提出三維數據生產建設指南規范，約定傾斜攝影、激光點云、精細模型、BIM等主流三維模型數據的一種或多種主要交換格式及主要生產技術指標。

3.1.2 通用三維數據交換格式標準

除兼容主流的三維數據格式外，針對多源三維空間數據服務發布與共享，建立開放的三維空間數據交換格式，通過一種高效、易擴展、可協作的數據規范，滿足用戶在不同終端（移動、瀏覽器、桌面）三維數據傳輸和解析方面的需求。

3.1.3 三維數據匯交與更新技術規范

在建立數據格式標準規范的基礎上，保證數據的現勢性，建立行業三維模型數據匯交與更新技術規范。

3.1.4 三維數據共享服務規范

根據不同部門對三維數據服務的不同需求，從三維信息服務共享的范圍、內容、權限、時效和更新頻率等方面制定數據共享與安全等技術標準。

3.2 三維實景數據庫建設

（1）三維地形數據庫。建立全國地形庫，利用已有或收集的全國更高精度DEM、DSM地形數據，經過拼接融合、降噪等處理后，形成三維地形數據庫，并將地形數據生成緩存文件后發布服務。三維地形數據庫將作為自然資源“一張圖”大場景三維實景展示的主要底板。

（2）三維自然資源確權登記與不動產登記數據庫。應用自然資源確權登記成果及不動產登記數據，構建自然資源與不動產登記一體化的三維實景數據庫。

（3）三維探明儲量礦產資源數據庫。利用鉆孔、剖面圖、水平投影圖等地質勘查資料，構建三維礦體模型，形成三維探明儲量礦產資源數據庫。

（4）三維地質環境數據庫。收集和整理各類地質勘查資料，利用鉆孔資料、地質圖、地形圖、剖面圖等多元信息進行多源數據整合與三維建模，建立鉆孔實體模型、三維地質結構模型、三維地質屬性模型等。

（5）三維海洋觀（監）測數據庫。整合通過海洋站、海洋雷達站、浮標、海底觀測、標準海洋斷面、海洋生態監測點、衛星海洋觀（監）測、漂流浮標和海洋機動觀（監）測等方式采集的數據，以海底地形數據為底板，建立海洋三維立體觀（監）測數據庫。

（6）三維城市精細模型數據庫。基于3DMax、MAYA等軟件建立模型數據，通過制作建筑物框架，采用現場拍攝的紋理，并輔以光影的效果建立精細模型數據，可有效真實還原城市綜合體的復雜構造。

3.3 二三維多源數據獲取與融合

針對現狀、規劃管控、管理、社會經濟、傾斜攝影建模和BIM、3DMax建筑物模型、地質體等數據，開展二三維多源數據融合，形成自然資源三維立體“一張圖”。對現狀、規劃管控、管理、社會經濟數據統一空間參考，開展三維自然資源場景制作，生成緩存文件，發布二三維數據服務。對傾斜攝影建模數據進行單體化，對BIM、3DMax建筑物模型、地質體等數據進行格式轉換，生成緩存文件，發布地圖服務。二三維多源數據獲取與融合流程如圖2所示。

圖2 二三維多源數據獲取與融合流程

3.4 國土空間基礎信息平臺三維可視化與分析能力擴展

國土空間基礎信息平臺三維擴展功能如圖3所示，包括大場景多源異構數據二三維一體可視化、三維基礎分析、三維專業分析、自然資源空間分析、查詢與統計全面三維場景化、三維專題數據產品、二三維一體化數據存儲與發布管理等。

圖3 國土空間基礎信息平臺三維擴展功能

3.4.1 三維數據管理能力

對傾斜攝影、激光點云、手工建模等各類三維模型數據提供統一的存儲、更新與資源目錄管理能力。支持模型的文件型、數據庫型存儲方式，支持數據服務和地圖服務的發布與管理，支持模型緩存數據的管理。

3.4.2 三維可視化能力

通過三維符號化技術，實現點、線、面要素在三維場景中的快速構建與可視化表達。應用三維可視化特效，真實再現國土空間分布。

3.4.3 三維基礎應用服務能力

提供坡度坡向分析、等高線分析、通視分析、可視域分析、日志分析、陰影率統計分析、天際線分析、剖面線分析、限高分析等功能，三維體間的交、差、并等三維空間分析服務，基于三維場景的合規性分析、項目選址分析等通用基礎分析服務。

3.4.4 三維數據共享服務能力

對三維數據服務、地圖服務、應用服務等提供安全可靠的共享服務機制與技術實現路線，實現三維數據能力滿足國家發展和改革委員會、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、水利部、農業農村部等部門信息共享需求，服務業務協同部門。

3.4.5 三維專題數據產品制作

在提供三維基礎數據服務的基礎上，按照實際工作和各部門需求，開展特定專題三維產品定制與服務，將成熟的產品接入平臺，通過平臺為廣大的用戶提供服務。

4 建設模式

自然資源三維立體“一張圖”按照“各負其責、分布式管理”和“集成整合、共建共享”的原則進行建設，如圖4所示。采用分布式構架，實現物理上分散、邏輯上集中。面向自然資源部，基于內網為項目審批、日常監管、分析決策、國土空間規劃編制、“三區三線”劃定等工作提供數據和技術支撐。面向其他相關部委，基于國家電子政務內網提供國土空間“底數”“底線”數據服務，同時提供專項規劃、審批項目的套合比對分析等功能。面向社會組織和公眾，對相關數據進行加工處理，提供基于互聯網的數據服務。

圖4 自然資源三維立體“一張圖”建設模式

5 主要進展

5.1 標準體系建設

《國土空間基礎信息平臺建設規范》《自然資源三維立體“一張圖”數據標準》《基于國土空間基礎信息平臺開展城市信息模型集成和應用指南》等相關標準規范建設正在開展，部分標準已形成征求意見稿。

5.2 數據資源體系建設

整個自然資源三維立體空間被劃分為地下資源層、地表基質層、基底層、地表覆蓋層、規劃管控層、管理層、社會經濟層。

（1）地下資源層包括礦產資源調查、地下空間利用調查、陸地地質調查、海洋地質調查、地質災害調查數據。

（2）地表基質層包括巖石、礫石、沙和土壤等調查數據，海底基質調查數據。

（3）基底層包括多時相遙感影像數據、陸地三維模型、海底地形三維模型、城市三維數據、陸地地形地貌等基礎地理、海洋基礎地理數據。

（4）地表覆蓋層包括重點區域、地下水、海洋資源、生態狀況等監測、應急數據，森林、草原、水、濕地、海域海島等專項調查數據，第三次全國國土調查及變更調查、地理國情普查和監測數據。

（5）規劃管控層包括生態保護紅線、永久基本農田控制線、城鎮開發邊界等重要控制線，“五級三類”國土空間規劃數據。

（6）管理層包括地政、礦政、海政、測政等日常審批和監督業務數據，自然資源確權和不動產登記、自然資源資產數據。

（7）社會經濟層包括互聯網信息數據，社會、經濟、人口數據。

5.3 三維數據庫建設

5.3.1 三維礦產資源儲量數據庫

為推動全國礦產資源儲量的三維管理水平，2020年9月2日，自然資源部印發《礦產資源國情調查技術要求》，要求大中型礦區建立礦產資源儲量估算空間范圍立體圖，立體圖由礦體（含油氣層）、地層、構造、鉆孔等內容組成，有條件的礦區可開展地質建模，無條件的礦區可開展礦體建模。

5.3.2 三維時空數據庫

自然資源三維立體時空數據庫是自然資源三維立體“一張圖”的重要內容，是國土空間基礎信息平臺的數據支撐，由1個主庫、9個分庫組成，涉及土地、礦產、森林、草原、濕地、水、海域海島7類自然資源[4]。

5.3.3 三維海洋觀（監）測數據庫海洋生態預警監測是自然資源調查監測體系的重要組成部分，是自然資源管理的基礎支撐和管理手段。各類監測數據成果逐級匯交、集成至海洋生態預警監測信息化平臺，實現海洋生態信息的集中管理與共享服務，支撐監管督察、資源環境承載力監測預警、城市體檢評估等工作。相關成果納入自然資源三維立體“一張圖”[5]。

5.3.4 三維全國森林資源調查監測數據庫

全國森林資源調查監測是一項重大的基礎性自然資源調查工作，其目的是掌握全國森林資源分布、種類、數量、質量、結構和生態狀況以及變化情況。各級成果經逐級檢查驗收后納入全國森林資源調查監測數據庫，由國家統一匯總，并納入自然資源三維立體時空數據庫[6]。

5.4 國土空間基礎信息平臺三維數據接入和調用技術要求

在國土空間基礎信息平臺數據接入和調用技術要求基礎上，對接入或匯集到國土空間基礎信息平臺三維數據的數學基礎、數據格式或服務類型，以及調用國土空間基礎信息平臺三維數據的數學基礎、服務類型、服務地址等內容給出明確要求，如表1所示。

表1 國土空間基礎信息平臺部分三維數據服務格式

5.5 國土空間基礎信息平臺三維功能擴充基本實現

國土空間基礎信息平臺的坡度坡向分析、等高線分析、通視分析、可視域分析、日志分析、陰影率統計分析、天際線分析、剖面線分析、限高分析等三維基礎分析功能已基本實現。

6 應用展望

在技術方面，三維GIS技術經過近10年的發展，逐步解決了空間全要素數據表達模型、多源數據融合、三維數據標準體系建設、真三維模型分析運算及大數據量的模型管理等方面的問題。在三維數據生產成本方面，單位面積的生產成本逐年降低，數據生產的軟件廠商越來越多，技術手段也越來越豐富。在應用效果方面，基本解決了三維GIS從“好看”到“好用”的問題，為三維GIS面向實際業務應用場景提供了技術支撐。

（1）在礦產資源管理方面，通過DEM、DOM建立地表三維模型；利用鉆孔、剖面圖、水平投影圖等地質勘查資料構建三維礦體模型；采用激光點云結合虛擬全景技術，對地下巷道空間建立地下采掘空間模型；實現三維空間可視化，達到礦產資源儲量自動計算、扣減核銷等應用效果。

（2）在三維地質環境與防災減災方面，利用鉆孔資料、地質圖、地形圖、剖面圖、地質環境監測等多元信息進行多源數據整合三維建模，通過地質災害發生前后的三維地形對比分析、力學仿真分析等功能，實現三維地質災害管理、分析與監測。

（3）在國土空間規劃編制實施與監測評估方面，以基礎地形與影像數據為基底，整合已有的城市精細模型或傾斜攝影數據，整合各類現狀、規劃、管理等數據資源底板，搭建國土空間規劃三維輔助編制平臺，利用實景三維場景，完整、真實地還原國土空間分布，為“三線”劃定、空間規劃分區劃定、城市設計等提供更直觀的輔助設計依據。擴充國土空間規劃“一張圖”實施監督信息系統中的規劃實施階段項目輔助選址、項目合規性審查、規劃沖突檢查的三維場景應用。

（4）在海洋管理三維應用方面，集成地形數據，港口、導航物、航行物數據，海洋測量點數據，二維電子海圖數據，洋流、潮汐、大氣等各種動態場信息，實現三維場景下的動態監管，對規模動態標量場、向量場及復雜屬性信息數據進行高質量的實時可視分析。