自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)三維立體一張圖建設(shè)研究
——以寧波梅山島為例

柳婷，嚴(yán)立，王超

(寧波市測(cè)繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

2019年11月，自然資源部發(fā)布《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》，提出建立面向國(guó)土空間的全天候調(diào)查監(jiān)測(cè)與預(yù)警感知機(jī)制，不斷提高三維數(shù)據(jù)獲取的能力。2020年1月，自然資源部發(fā)布《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》，進(jìn)一步明確了建設(shè)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)掌握自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及變化情況，有效支撐國(guó)土空間規(guī)劃和自然資源各項(xiàng)管理的業(yè)務(wù)需求。2021年2月自然資源部印發(fā)《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)總體方案》，為實(shí)現(xiàn)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果在中央一級(jí)的立體化統(tǒng)一管理、形成一整套滿足應(yīng)用的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)提供支撐。2019年以來，寧波市持續(xù)探索自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建，提出建設(shè)以“一張清單、一張底圖、一個(gè)平臺(tái)、一套體系”為核心的“四個(gè)一”工作布局，為進(jìn)一步強(qiáng)化信息化支撐，推動(dòng)二維調(diào)查走向三維調(diào)查[1]提供了體系保障。

目前，山東省、重慶市等多地構(gòu)建了三維信息化平臺(tái)，建成了“實(shí)景三維山東”“實(shí)景三維重慶”[2～5]，實(shí)現(xiàn)了精度高、種類多、覆蓋廣的三維場(chǎng)景覆蓋，探索了地上三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)的構(gòu)建和大場(chǎng)景三維模型的加載與展示，圍繞自然資源管理進(jìn)行了有關(guān)專題化分析。本文旨在以寧波港口城市的地域特色為切口，以陸海自然資源要素豐富的梅山島為試點(diǎn)，在寧波市三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架下，形成覆蓋地上地下地表、陸地海域的自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，直觀反映自然資源的空間分布和變化特征。基于自主開發(fā)的三維系統(tǒng)，探索調(diào)查監(jiān)測(cè)三維平臺(tái)建設(shè)的總體框架設(shè)計(jì)、應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，為建立立體空間自然資源和規(guī)劃調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)，在全市范圍內(nèi)形成可推廣可復(fù)制的調(diào)查監(jiān)測(cè)模式。

2 總體思路

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

面向多源異構(gòu)的自然資源數(shù)據(jù)體系，按照“邏輯統(tǒng)一、物理分散”的原則，依據(jù)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，向下提供數(shù)據(jù)清理整合提取，向上提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。平臺(tái)依次分為基礎(chǔ)環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框架圖

基礎(chǔ)環(huán)境層：依托寧波市城市大腦，基于政務(wù)云為平臺(tái)運(yùn)行提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟硬件支持，同時(shí)基于現(xiàn)有的國(guó)土基礎(chǔ)信息平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自然資源數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)共享，為平臺(tái)的提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)層：將現(xiàn)有的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理處理，構(gòu)建二三維一體化的調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化提取，針對(duì)非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

服務(wù)層：作為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的橋梁，通過構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)的形式為應(yīng)用層提供調(diào)用接口，對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行資源整合、集成、處理，主要包括基礎(chǔ)地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)、三維分析服務(wù)和空間計(jì)算服務(wù)等。

應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)調(diào)查監(jiān)測(cè)成果立體化應(yīng)用展示，包括地上地下三維立體化場(chǎng)景展示、計(jì)算分析、專題應(yīng)用，提供決策輔助支撐。

2.2 數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)組織

根據(jù)《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》，試點(diǎn)區(qū)以三調(diào)成果和調(diào)查監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容、以數(shù)字高程模型(DEM)為三維基底，以高分辨率遙感影像為背景，按照梅山島陸海資源三維空間位置，疊加行政界限、永久基本農(nóng)田保護(hù)線、生態(tài)管控區(qū)等管理數(shù)據(jù)，分層分類后形成覆蓋地上、地表、地下的自然資源立體時(shí)空數(shù)據(jù)模型，各類數(shù)據(jù)層內(nèi)容如表1所示。

表1 梅山島自然資源數(shù)據(jù)空間組織內(nèi)容

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化整合與建設(shè)

已有資料中空間坐標(biāo)系和格式不統(tǒng)一，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，利用ArcGIS軟件將所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。

按照自然資源部印發(fā)的《地表基質(zhì)分類方案(試行)》[3]4類3級(jí)分級(jí)體系要求，通過標(biāo)準(zhǔn)地層編碼映射，對(duì)地表基質(zhì)模型的分層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化組織，并對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的管線編號(hào)和管點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行編輯修復(fù)，剔除掉重復(fù)編號(hào)，增加缺失編號(hào)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)的主要功能包括立體空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、分類統(tǒng)計(jì)等模塊。目前已實(shí)現(xiàn)桌面端，今后將對(duì)移動(dòng)端進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和完善。

(1)立體瀏覽：提供三維場(chǎng)景的放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)、重定位、視角切換等工具，通過對(duì)地面透明和矢量透明，可以瀏覽地表基質(zhì)數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)等地表及地下資源(圖2)，并根據(jù)用戶瀏覽視角實(shí)時(shí)顯示地理坐標(biāo)。

圖2 地下視角瀏覽地下管線數(shù)據(jù)

(2)查詢功能：點(diǎn)擊三維模型進(jìn)行屬性查詢，通過空間范圍、屬性字段等進(jìn)行數(shù)據(jù)模糊搜索查詢(圖3)。

圖3 三調(diào)數(shù)據(jù)按照土地權(quán)屬模糊查詢

(3)剖切功能：對(duì)地表基質(zhì)模型進(jìn)行任意位置和角度的剖切，立體展示地表不同高度不同類型基質(zhì)的空間分布，并且可進(jìn)行屬性查詢顯示，如圖4所示。

圖4 剖切立體顯示

(4)統(tǒng)計(jì)功能：主要針對(duì)三調(diào)數(shù)據(jù)，以街道或管理線為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分類別統(tǒng)計(jì)，并在三維視角下聯(lián)動(dòng)展示，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可生成餅圖(圖5)，并生成Excel表格導(dǎo)出。

圖5 三調(diào)數(shù)據(jù)按照土地權(quán)屬模糊查詢

(4)計(jì)算評(píng)估：圍繞自然資源管理需求，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下三調(diào)成果分析評(píng)估，并基于地形三維精確計(jì)算，實(shí)現(xiàn)淹沒分析和水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算，針對(duì)耕地資源、海洋資源探索實(shí)現(xiàn)旱改水分析和海岸線變遷分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)立體化展示

目前三維數(shù)據(jù)展示主要有兩種方式，第一種通過直接加載模型文件并進(jìn)行前臺(tái)渲染，第二種采用三維瓦片數(shù)據(jù)服務(wù)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布后再于前臺(tái)渲染。由于前者方式需消耗大量資源，僅支持小范圍模型展示，主流的方式主要采用后一種，如基于WebGIS開發(fā)的框架Cesium，利用3D Tiles技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維瓦片服務(wù)發(fā)布。

本系統(tǒng)集成了多種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，主要包括傾斜模型數(shù)據(jù)，三維地形數(shù)據(jù)，無人船水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)、基于基質(zhì)采樣點(diǎn)的地質(zhì)擬合數(shù)據(jù)、三維地下管線等。由于Cesium僅滿足三維數(shù)據(jù)加載，無法實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)擬合、三維空間分析等要求，本文采用自主研發(fā)的阿拉圖三維平臺(tái)，采用不同工具進(jìn)行不同空間數(shù)據(jù)的立體展示，基于TerrainBuilder將地形數(shù)據(jù)發(fā)布成三維地形瓦片；基于ObliqueModel工具將原始的三維傾斜(.osgb)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.las)發(fā)布成三維瓦片；基于PiplelineBuilder將二維的管線數(shù)據(jù)，直接成生三維模型，并發(fā)布成三維切片服務(wù)；基于GeologicBodyTool直接基于不同深度的采樣基質(zhì)點(diǎn)實(shí)時(shí)擬合生成不規(guī)則三維地質(zhì)體。

3.2 二三維數(shù)據(jù)一體化融合

一般通過圖層開關(guān)控制三維數(shù)據(jù)層和矢量數(shù)據(jù)層的加載和展示，由于矢量數(shù)據(jù)貼在地形表面，而三維數(shù)據(jù)的高程往往高于地形，存在三維數(shù)據(jù)壓蓋地形的情況，無法同時(shí)展示。本文通過實(shí)時(shí)紋理貼圖方式，將矢量數(shù)據(jù)作為三維數(shù)據(jù)的紋理，加載到三維數(shù)據(jù)表面上，同時(shí)通過獲取二維數(shù)據(jù)的屬性，即可關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)三維信息，解決三維數(shù)據(jù)無法屬性查詢、單體化等問題，實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和屬性融合。

3.3 基于地形的三維精確計(jì)算

基于地形的三維空間計(jì)算是三維場(chǎng)景分析的重要支撐，本文研究的三維精確計(jì)算包括三維剖面計(jì)算、水庫(kù)容積計(jì)算等，本文設(shè)計(jì)基于三維地形數(shù)據(jù)計(jì)算方法，主要步驟包括點(diǎn)位采樣、獲取高程、構(gòu)建三維三角格網(wǎng)、計(jì)算求和等：

(1)點(diǎn)位采樣，將平面查詢范圍內(nèi)按照格網(wǎng)大小進(jìn)行劃分，并獲取每個(gè)點(diǎn)平面坐標(biāo)信息(x，y)；

(2)獲取高程，將采樣點(diǎn)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行相交計(jì)算獲取點(diǎn)位高程；

(3)利用Turf.js工具，進(jìn)行三角格網(wǎng)擬合；

(4)基于三角格網(wǎng)計(jì)算單元表面積，或者基于截面高度生成單元體塊；

(5)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行累計(jì)求和。

3.4 淹沒分析

寧波幾乎每年都有臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，淹沒分析是選取目標(biāo)點(diǎn)和淹沒緩沖區(qū)，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的高程值(水底高程)，分析當(dāng)水位上升超過水底高程時(shí)的淹沒情況，計(jì)算分析淹沒地類類型和淹沒面積，為臺(tái)風(fēng)應(yīng)急提供決策支撐，如圖6所示。

圖6 淹沒分析

3.5 旱改水分析

作為耕地資源潛力分析的一種場(chǎng)景，選取一定范圍內(nèi)的旱地，通過設(shè)立附近是否有水源地、是否符合坡度小于25°要求、是否與水源地高差合理等條件，分析該旱地能否作為改造成水田的潛力，如圖7所示。

圖7 旱改水分析

3.6 海岸線變遷分析

海洋資源是寧波市重要的自然資源，通過加載2018年和2019年兩期影像及海岸線數(shù)據(jù)，分屏設(shè)置獨(dú)立精細(xì)場(chǎng)景進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操作，對(duì)不同時(shí)期的海岸線變化情況進(jìn)行展示和分析對(duì)比，如圖8所示。

圖8 2016年和2019年海岸線變遷分析

4 結(jié) 語

本文以梅山作為試點(diǎn)，建設(shè)了自然資源三維“一張圖”，搭建了自然資源三維可視化立體系統(tǒng)，探索了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)三維立體化展示，實(shí)現(xiàn)了專題三維場(chǎng)景分析，能夠?qū)ψ匀毁Y源立體化調(diào)查監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急、資源潛力保護(hù)與利用提供信息化支撐，對(duì)提升自然資源現(xiàn)代化治理能力和治理水平具有重要意義。下一步將探索研究制定符合寧波實(shí)際的三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案和數(shù)據(jù)分類體系，持續(xù)完善自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并探索形成以“行政管理+技術(shù)手段”聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，保障自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)的鮮活性，進(jìn)一步深化三維分析功能，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)自然資源三維分析、時(shí)空演變與趨勢(shì)預(yù)測(cè)等應(yīng)用，在全市范圍內(nèi)形成可推廣可復(fù)制的調(diào)查監(jiān)測(cè)模式。