面向建設用地專題分析的實體模型及應用

蔣鳳釵,練 栩,徐 然,雷麗珍,劉雪俊

(1.廣東省國土資源技術中心,廣東 廣州 510060; 2.自然資源部粵港澳大灣區自然資源數據協同應用工程技術創新中心 廣東 廣州 510060)

數字政府改革建設對自然資源管理數字化轉型提出了更高的要求,數據應用是數字化轉型的核心。如何釋放自然資源和空間地理數據價值,以適應數字化轉型中多樣化、快速的數據應用需求,仍需進一步深入研究。目前,國內外許多研究者圍繞構建科學的數據模型、提升數據應用效率展開了系列研究。在數據模型方面,文獻[1—2]從自然資源三維立體時空主數據庫建設技術框架出發,研究了時空數據模型構建方法;文獻[3]提出了多粒度時空對象數據模型,以解決傳統GIS向全空間信息系統的擴展問題;文獻[4]設計了一種自然資源實體對象的圖數據模型,并利用Neo4j圖數據庫中實現了實體和關系的構建和組織;文獻[5—6]對地理實體的空間組織和多態特征進行了分析和實踐探索。在數據應用效率提升方面,文獻[7]構建了面向智慧城市數據管理和應用的分析型數據倉庫;文獻[8]利用圖數據庫,實現了土地全生命周期數據關聯和分析應用;文獻[9]從業務角度提出了土地全生命周期關聯思路;文獻[10]基于全生命周期模型,探索了“一碼管地”的數據協同應用。

目前多數研究是利用面向對象思想,通過改變現有基于圖層的時空數據組織模式,實現對實體對象時間、空間、屬性上的動態變化及實體間的泛在關聯,即試圖通過改變數據管理模式,以提高數據分析效率,很少有面向專題分析的實體數據模型及應用效率提升的研究。

業務上對建設用地的管理貫穿于規劃、審批、開發利用等多個環節,且有明確的監管要求[11]。這不僅使建設用地數據類型增多,且使數據應用分析復雜,需協同關聯多環節業務數據。目前,建設用地專題分析主要通過反復的圖層疊加、庫表掛接及人工核查等方式實現,效率普遍不高,自動化程度有待提升。究其原因,主要是當前的時空數據管理模式不支持對建設用地實行對象化管理,面向業務上提出的專題分析需求,往往無法快速協同多源數據響應。針對時空數據管理在建設用地專題分析中的不足,本文以建設用地為對象,面向批而未供核算、建設用地地類回溯、臨時用地監測監管、閑置土地分析及疑似違法用地識別等專題分析問題,設計構建建設用地實體模型,實現多源數據協同關聯,解決建設用地分散管理、分散應用的核心問題,進一步提升數據分析效率。

1 建設用地實體及業務邏輯

1.1 建設用地實體類模型

建設用地實體是能夠獨立識別、具有獨立監測和統計分析意義的對象,反映的是客觀世界已經或將要作為建設用途使用的土地特征,包括其地理位置、空間形態、自然屬性、分布規律及成因機理等[12]。根據建設用地實體的概念,結合業務需求,本文將建設用地抽象為現狀建設用地實體、實施建設用地實體和規劃建設用地實體[3-4]。其中,實施建設用地實體又根據業務環節不同,劃分為農用地轉用與土地征收項目實體、土地供應項目實體、臨時用地項目實體、閑置土地實體等。進一步,根據建設用地實體類,以及子類與對象之間的繼承和聚合關系,構建一個具有層次結構的建設用地實體類模型,如圖1所示。

圖1 建設用地實體類模型

1.2 建設用地業務邏輯與數據協同

建設用地全生命周期流程可劃分為國土調查、空間規劃、農轉用審批、土地征收、土地儲備、土地供應、開發利用、耕地占用補劃、執法巡查、土地整治修復、確權登記等若干環節[12],即調-規-批-征-儲-供-用-補-查-修-登。不同的業務環節涉及不同的建設用地實體,構建任意兩個實體間的關系,往往都具有統計和分析意義(如圖2所示),如構建實體間“批-供”關系,可反映批而未供或已批已供信息。

圖2 建設用地實體業務邏輯關系

面向不同專題分析需求,建設用地實體所需要協同關聯的數據不同,本文以5個專題應用場景為切入點,梳理形成了數據協同關系,如圖3所示。

圖3 面向建設用地專題分析的數據協同關系

其中,批而未供面積核算專題須為業務實時推送已批未供應的建設用地面積;建設用地回溯專題須支持業務上查看任意圖斑的地類及地類變化;臨時用地監測監管專題須為業務實時推送到期未復墾,特別是占用耕地的項目;閑置土地分析專題須為業務提供閑置土地用途、受讓人、閑置原因等信息;疑似違法用地識別專題須推送疑似違法用地范圍及違法類型等信息。以上5個專題分析場景須以建設用地實體為載體,協同關聯多源土地業務信息,是自然資源管理中典型的數據應用場景。

2 建設用地數據實體模型

上述分析表明,建設用地專題分析中業務邏輯及數據協同關聯復雜。為優化時空數據管理模式,本文提出了面向專題分析的建設用地實體模型,以支持專題分析中多源數據的協同關聯,可支持一鍵生成專題分析結果。

圖4為建設用地數據實體模型。建設用地實體是一個抽象類,建立在統一的地理網格單元上,便于對建設用地實體進行編碼和索引。農轉用與土地征收項目、臨時用地項目、閑置土地項目、監測圖斑和調查建設用地等實體類作為建設用地實體的子類可以繼承父類建設用地實體的屬性和方法。同時,由于上述建設用地實體數據又分別用于支持不同的專題分析(如圖3所示),因此,又各自有特定的專題屬性與方法。實體幾何、時空演變和業務聯系主要用于描述建設用地實體的幾何屬性,基于空間位置的時間、形態和地類信息變化的跟蹤信息,以及基于土地生命周期過程的業務場景對實體關系的定義和描述。

圖4 建設用地數據實體模型

3 專題分析型數據環境及一鍵式分析

3.1 建設用地專題分析型數據環境構建方法

建設用地專題分析型數據環境主要通過梳理實體與業務數據之間的業務語義關系,構建建設用地實體數據與業務數據之間的關聯關系得到。

首先,面向本文研究的5個專題分析場景,建立支持各專題分析的建設用地實體及業務數據之間的聯系信息,見表1。

表1 專題-實體-業務語義關系

然后,基于空間疊置建立實體間的空間關系,并利用實體與業務數據之間的語義關系整合業務數據生成基礎分析表,建設用地實體與基礎分析表之間通過唯一標識實現關聯,如圖5所示。

3.2 支持時空演變分析的數據環境構建方法

時空演變信息記錄建設用地實體的產生時間和消亡時間,以及建設用地實體的形態、拓撲和屬性等特征隨時間流逝而變化或維持原狀的過程,具備表達現實世界中實體的連續變化或離散變化的能力,支撐對建設用地實體全生命周期地類信息進行跟蹤管理。本文定義建設用地實體A的時空演變模型公式為

A={UID,T(Ta),P1(Ta),P2(Tb),…}

(1)

式中,UID為建設用地實體唯一對象標識碼;T(Ta)為變為建設用地的時間,即產生時間;Ta、Tb、Tc為時間以地類變化為例;P1(Ta)、P2(Tb)、P3(Tc)表示建設用地實體產生前的地類特征集合,選取從Ta到Tb中最晚的時間作為建設用地實體的產生時間。

以某一建設用地實體的時空演變為例,如圖6所示,2018年,存在耕地實體①、園地實體①和建設用地實體①;2019年,園地實體①、建設用地實體①消亡,合并為一塊建設用地②;2020年,建設用地實體②、耕地實體①消亡,再次合并為一塊建設用地實體③。

圖6 時空演變過程

3.3 一鍵式專題分析實現

由于本文的建設用地實體模型已經考慮了專題分析的數據要求,因此,依據該模型整合集成的建設用地數據環境,可以隱藏建設用地專題分析的復雜計算過程,支持一鍵式專題分析。

在建設用地專題分析型數據環境基礎上,構建一鍵式專題計算模型,如圖7所示,實現以建設用地實體為基礎,按照時間、空間、項目類型等不同維度生成分析結果。

圖7 一鍵式專題計算模型

4 應用及結果討論

4.1 應用區與數據

選取廣州市番禺區、南沙區為示范應用區域,建設用地面積為1333 km2(番禺530 km2,南沙803 km2),范圍上的14個街道(番禺11個,南沙3個)、11個鎮(番禺5個,南沙6個)共564.26 km2(番禺294.12 km2,南沙270.14 km2),對所構建的實體模型、分析型數據環境和一鍵式專題分析進行示范應用。

為對本文提出的面向建設用地專題分析的實體模型進行驗證,從廣東省自然資源一體化數據庫及業務系統中收集了覆蓋廣州市番禺區和南沙區的歷年調查數據、業務管理數據等,見表2。

表2 數據源情況

4.2 應用結果

基于本文的建設用地實體模型,以及根據本文提出的專題-實體-業務語義關系(見表1)及建設用地專題分析型數據環境整合集成方法(如圖5所示),面向專題分析場景,從地類圖斑、臨時用地、基本農田保護等業務數據中提取專題分析信息,通過空間疊置和屬性關聯(如圖8所示)構建形成建設用地實體數據環境,作為一鍵式專題分析的基礎。

圖8 數據關聯

按照上述方法構建形成的數據環境包括:256個農用地轉用與土地征收項目實體,用于批而未供數量核算;128個臨時用地項目實體,用于臨時用監測監管分析;110個閑置土地實體,用于分析研究區域閑置土地情況;3447個監測圖斑實體,用于疑似違法用地識別;3484個現狀調查圖斑實體,用于記錄建設用地回溯信息。

在所建立的建設用地專題分析型數據環境支持下,本文研發了一鍵式智能專題分析工具。該工具隱藏了復雜的人工干預和模型細節,可實現一鍵式快速專題分析結果。其中,批而未供數量核算結果可獲取任意一個農用地轉用與土地征收項目的已批已供、批而未供的數量和空間分布信息。

臨時用地監測監管分析結果支持以項目為單位查看是否到期未復墾,并獲取其占用耕地和永久基本農田的面積、空間分布。

閑置土地分析結果如圖9所示,支持按土地利用類型、閑置原因、受讓人等不同維度進行統計分析。

圖9 閑置土地分析結果

疑似違法用地識別專題分析結果如圖10所示,通過關聯業務過程數據,可快速甄別遙感監測圖斑中新增推填土、建(構)筑物和線形地物的違法情況,計算違法面積。

圖10 疑似違法用地分析結果

地類回溯專題分析結果可查看任意一塊建設用地變更前地類及由耕地變為建設用地的具體時間。

4.3 結果討論

本文構建的面向專題分析的建設用地實體模型及數據整合方法能夠基于建設用地專題分析場景整合集成分布于不同系統的異構土地業務數據,形成建設用地專題分析型數據環境。同時,一鍵式智能分析專題工具的研發及應用也表明,在分析型數據環境支持下,一次建模、多專題分析能夠很大程度上隱藏分析模型的細節和復雜度,降低人工干預,提升建設用地專題分析的智能性。

5 結 語

本文對建設用地實體模型進行了研究設計,構建了實踐區分析型數據環境,并實現了一鍵式智能專題分析,取得了一定的成果。

(1)圍繞調查監測、用地審批和土地供應等業務需求,協同空間、時間、業務和管理維度的關聯關系,細化形成了建設用地實體數據模型。

(2)面向業務場景構建了分析型建設用地集成化數據環境,解決了操作型數據處理向分析型數據處理轉變的技術問題。

(3)提出了一次建模、多專題、可持續應用的建模分析技術思想,研發了建設用地智能專題分析模型工具,建立了系列可彈性配置的分析路徑,實現了不同數據專題的一鍵式分析和專題產品生成。