面向國土空間決策的江蘇時空大數據情勢研究★

杜 萌，石善球

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇 南京 210013)

1 概述

結合目前自然資源管理的新形勢，自然資源管理的重點工作主要包括資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價[1]、國土規劃實施監督評估、城市體檢、國土空間保護開發利用態勢監測乃至預測預警研究等[2-3]，以上不僅是現階段自然資源管理的重點工作，也是研究的熱點和難點。結合新的研究難點，本文展開面向國土空間決策支持的江蘇時空大數據情勢分析技術研究。

該研究緊緊圍繞江蘇省“山水林田湖草海”和國土空間開發利用保護情勢，基于現有的基礎時空數據集，參考國土空間雙評價指標體系等技術指標，進行山、水、林、田、湖、草、海等自然資源情勢分析表達內容研究[4]，實現自然資源的多樣化表達。同時緊扣當前的管理重點和難點，結合自然資源管理新形勢和國土空間開發利用評價等工作，圍繞全省重要區域以及自然資源、城鎮發展、交通變遷等方向，開展時空大數據分析決策模型及指標的研究，并開展系統建設方案研究[5]。通過該研究進行自然資源國土空間深度分析挖掘和分析評價，為自然資源管理和國土空間優化提供一些支撐，為國土空間優化方案提供借鑒和參考。

2 研究內容

2.1 自然資源國土空間情勢表達研究

圍繞江蘇全省“山水林田湖草海”自然資源和國土空間開發利用保護情勢，參考國土空間雙評價指標體系等技術指標，結合自然資源的稟賦特點和變化特征，進行山、水、林、田、湖、草、海等方面的自然資源情勢分析表達內容及方法研究。

2.2 時空大數據分析決策模型研究

在自然資源國土空間情勢表達研究的基礎上，圍繞江蘇全省重要區域以及自然資源、城鎮發展、交通變遷等方向，確定時空大數據分析決策模型的內容，針對模型開展模型指標內容確定以及分析挖掘方法的研究，實現時空大數據深度分析挖掘和分析評價。

2.3 業務化系統建設方案研究

基于多時點情勢數據的對比以及山、水、林、田、湖、草、海的分布特征和變化規律，完成可視化頁面配置方案研究；根據不同用戶群體，進行不同場景、不同參數的配置方案研究，實現業務系統模型參數化、規則化、定制化，并進行業務化系統的高性能計算研究。

3 研究思路

3.1 自然資源國土空間情勢表達研究

3.1.1 綜合情勢

基于二三維地圖對全省時空態勢進行全方位呈現，直觀展現全省綜合概況，通過3D地圖、專題圖、柱狀圖、餅狀圖、儀表盤、詞云圖、熱力圖等全面展現全省山、水、林、田、湖、草、海等重要國土空間情勢指標內容、資源特征、分布情況等。并建設綜合情報板，對全省的重點關注的自然資源數量、面積、長度、覆蓋率等整體特征進行綜合統計、表達。

3.1.2 專題情勢

自然資源國土空間專題情勢分別按照山、水、林、田、湖、草、海等模塊獨立展示，每一個模塊在展示自然資源的稟賦特征的基礎上，進一步展示自然資源及國土空間的多年份的變化規律、分區分類特征、用地類型的變化流轉情況、專題設施的分布特征、名山名水特色名片等，進行專題資源的特色情勢表達。根據瀏覽需求將時空大數據庫中的個別數據組合，自定義地理區間、時間區間，將時空數據以多窗口等各種形式加以展現，輔助決策者了解數據變化趨勢。

其中在山專題中，所有山體山峰按照江蘇省市級范圍進行統計分析，并按坡度分級分類統計，同時加入全省的地質災害點數據進行疊加分析，輔助決策判斷，如圖1所示；在水專題中，增加詞型庫內容，進行圖庫數據的交互，查看全省骨干河流，并定位重點水系，動態疊加重點河流的周邊1 km～5 km內的三調土地利用圖斑，進行河邊土地利用統計分析，并可分析土地流轉情況。同時增加全省的流域、濕地、水運樞紐、水利風景區、江蘇最美水地標等數據內容，進行重點水系周邊的查看及分析；在林專題中，分別展示天然林地、綠化林地，并對重點國有林場、省級林場、森林公園的情勢變化進行查看分析，疊加生態紅線、自然文化保護區數據進行分析判斷，同時可分析重點林地區域多年的覆蓋變化，輔助資源決策；在田專題中，增加種植大棚的數據進行分析，疊加基本農田數據，查看農田的變化情況，如圖1所示；在湖專題中，增加多年份省管、市管湖泊數據遙感影像、矢量數據，分析湖泊變化，疊加統計湖泊3 km范圍內土地利用圖斑，統計周邊地類的流轉情況，如圖1所示；在草專題中展示牧草地、護坡草地、固沙灌草地的范圍，并進行不同坡度草地的展示及分析；在海專題中，展示江蘇省管海島及海域灘涂，對港口、港區、碼頭等數據進行疊加分析，并將多年份海岸線進行展示及變化分析。

3.2 時空大數據分析決策模型研究

3.2.1 分析決策模型內容

在自然資源及國土空間情勢表達研究的基礎上，進一步進行國土空間數據的分析與挖掘，從地形地勢、交通通達、城鄉格局、生態保護等多個維度，進行國土空間用地態勢等方面的深度評估、診斷，研究并設計時空大數據分析決策模型的內容。

本研究基于當前國土分析的政策、時點熱點、行業依據，以及現有的時空數據內容，充分結合國土空間雙評價指南、地形地勢分析、交通通達性分析、國土空間用地態勢分析、城鄉格局分析、人口流動分析、生態保護分析、公共服務分析等分析內容及要求，最終確定16個國土空間分析決策模型。模型分別為地形地勢評價、交通優勢度分析、交通可達性分析評價、國土空間用地態勢分析、城鎮體系與空間結構分析、人口聚集度評價、耕地破碎度分析、農村居民地布局分析、生態環境分析、生態廊道分析等分析決策模型內容研究，如圖2所示。

3.2.2 分析決策模型指標

針對不同的分析決策模型，進行對應分析決策模型的指標研究，以及模型場景、參數配置方案研究。在地形地勢類模型中，采用評價范圍、高程、坡度等指標進行分析；在交通通達類模型中，采用評價范圍、數據時點、交通網絡密度、交通干線影響等指標進行分析；在國土空間用地態勢類模型中，采用評價范圍、數據時點、去除圖斑圖層及緩沖區范圍、聚合距離、連片度、緊湊度等指標進行分析；在城鄉格局分析類模型中，采用數據時點、距離交通干線距離、城鎮建成區范圍等指標進行分析；在人口流動分析模型中，采用評價范圍、評價時點、聚集時段、人口流向等指標進行分析；在生態保護分析模型中，采用生境質量指標、生態保護指數、生態結構指數、土地脅迫指數等指標進行分析；在公共服務評價模型中，采用距離學校、醫院、商場、運動館等公共設施輻射范圍指標進行分析。

在對應的每一類分析決策模型中，可以自定義場景，選擇感興趣的指標及參數，并對指標的值進行設置和調整，獲取分析結果，進行國土空間數據的深度分析。其中以可利用國土空間評價模型為例進行說明，可利用國土空間評價模型來評價一個范圍地區的剩余或潛在可利用國土空間，因此確定該模型的分析指標包括地形地勢影響因子、水域影響因子、林草地影響因子、基本農田保護區影響因子、現有建設用地和高壓線范圍影響因子。可以設計選擇固定場景和自定義場景進行分析評價，在對應的場景下選擇評價的時間點、感興趣范圍、評價指標內容及緩沖區，并對地形地勢因子進行分析評價，依據DEM數據進行坡度適宜性分級，依據自定義坡度要求計算地形地勢適宜性的圖形和面積，疊加土地利用地表覆蓋數據，去除水域、林草、基本農田、已建成建設用地區、高壓線等影響指標，計算并統計可利用的建設用地區域，生成可利用國土空間分布結果。

3.3 業務化系統建設方案研究

3.3.1 可視化頁面搭建研究

針對自然資源國土空間情勢分析和時空大數據分析決策模型內容，進行可視化頁面搭建的研究。面向具體的大數據分析和可視化需求，支持選擇可視化組件或可視化模板，選擇分析模型、選擇數據源或已建的指標，通過拖拽組織的方式完成大數據分析和數據可視化展現，實現分析結果的定制可視化表達。在整個系統建設中，可以實現可視化定義數據集，并且支持已構建的各類分析模型接入，使自定義選擇分析模型用于搭建應用場景。

提供面向專題和業務應用場景構建相應分析指標的功能，實現可視化、流程化地快速、靈活定制指標并實現指標的管理，能夠滿足簡單指標和復合指標中的各類指標定制、指標驗證、指標發布和指標管理及指標執行優化的要求，從而實現對業務指標、圖、表、空間等多種控件進行組合展現。

3.3.2 模型面板設計及定制化研究

進行模型設計面板、模型算子面板、模型屬性面板的設計研究，根據模型應用需求拖拽算子進入模型設計面板，利用連線控制模型流程走向，實現各模型通用設置、參數設置以及輸出設計研究。根據不同瀏覽群體需求，進行對應場景方案研究，實現模型的可定制、可計算，結果的可輸出、可存儲等功能研究。

4 關鍵技術

4.1 時空大數據可視化情勢分析技術

針對時空大數據的情勢可視化分析，采用高性能計算平臺，實現可視化指標數據的快速抽取、計算和表達，并綜合采用Mapbox 地圖渲染技術、Echarts可視化框架等，設計二維地圖、三維地圖、熱力圖、流線圖、關系圖、圖斑回溯、詞云圖及10余類可視化圖表組件，實現江蘇多專題自然資源國土空間數據的情勢分析和表達。

4.2 基于Cesium的二三維一體化展示

針對時空大數據特征，基于Cesium進行一場景、多微件模式構建；基于Provider擴展支持Vector Tile，WMS，WMTS等二維服務；以S3M發布三維切片服務，支持三維建模、傾斜攝影等數據；基于ES的動態白模展示技術有效提升白模展示效率；融合ECharts，MapV等二維展示技術，提供豐富的多維數據可視化表達，實現二三維一體化的展示。

4.3 基于Spark、并行計算的時空大數據挖掘技術

時空大數據分析對分析挖掘工具提出了更高的要求，傳統的數據分析工具GeoTools等已不適用于大數據分析挖掘。本研究基于服務編排、算子集成、建模工具等進行時空大數據分析挖掘，采用了Spark與ArcGIS GA技術融合，構建高性能大數據分析解決方案，通過并行運算框架，搭建云GIS環境，實現豐富的大數據分析算子，以Spark、并行計算等技術實現空間大數據分析挖掘。

4.4 “規則引擎+頁面搭建”技術

采用“規則引擎+頁面搭建”的新型模式，實現指標體系靈活建立、模型的自主構建、頁面拖拽搭建。結合江蘇時空數據集特點，開發數據輸入類、數學運算類、空間分析類等算子形成規則引擎。數據輸入類實現大數據解析、分析的算子集合；數學運算類實現大數據歸類、聚類、異常值等常用的數據運算；空間分析類實現大數據緩沖分析、疊加分析、相交分析、相離分析、鄰域分析等空間位置分析。使用頁面搭建技術完成模型算子的搭建，實現決策分析模型的構建。

5 結語

本研究結合目前自然資源國土空間發展新形勢，采用時空大數據情勢分析方法對自然資源的山水林田湖草海等進行了綜合情勢和專題情勢的多樣化分析及可視化表達研究，并進行國土空間決策分析模型、指標配置的研究，進行多樣化、定制化、場景化的業務系統建設方案的研究。本文以可利用國土空間評價為例，展示了分析模型的分析算力及分析結果，真正實現時空大數據“數據→信息→知識”，為自然資源管理、國土空間優化以及其他行業空間分析評價提供服務和支撐。