基于天空地大數據的自然資源“一張圖”平臺設計與實現

韓健 劉斌 任俊儒 董加旺

（華北地質勘查局五一四地質大隊，河北承德 067000）

2020 年1 月，自然資源部發布《自然資源調查監測體系構建總體方案》，對建設自然資源調查監測三維立體時空數據庫，掌握自然資源基礎數據及變化情況，支撐國土空間規劃和自然資源各項管理的業務提供了指導。2020 年9 月，河北省人民政府辦公廳印發《關于支持承德市建設國家可持續發展議程創新示范區的若干政策措施》，提出了推動承德市產業轉型升級、綠色發展，對生態環境、資源節約利用等方面提供了政策支持。2021年自然資源部制定了《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》，為加強自然資源調查評價監測工作提供了基本遵循。

1 前言

衛星遙感信息具有可覆蓋面積大、探測能力強及現勢性強等特點[1]。在中小尺度上，無人機遙感能發揮更大的作用，可以獲取更精確的地物信息，對自然資源監測技術的發展和應用具有重大意義[2]。大數據的優勢在于能夠顯著提升不同部門相互間的開放度、關聯度、共享度[3]。通過整合多源、海量的自然資源數據及其相互關聯的數據，推動自然資源管理從經驗決策向數據決策轉變[4]。傳統的自然資源管理方式已不符合“互聯網+”時代的發展要求，自然資源主管部門需要轉變傳統思維方式，主動擁抱“互聯網+”技術，積極探索基于“互聯網+”的自然資源管理新模式。衛星遙感技術、無人機遙感技術、大數據、互聯網等技術與自然資源業務的融合，實現基于天空地立體大數據的自然資源調查監測數據的可視化瀏覽、查詢、統計、分析等實時應用，可有效支撐國土空間規劃和自然資源管理[5]。

目前，自然資源數據應用發展趨向于：標準化、一體化、定制化、產品價值化。“一張圖”平臺可展示復雜、龐大的測繪成果數據，實現自然資源數據的高效展示和應用。許多學者針對“一張圖”平臺開展研究，其中：林曉菲等人分析了南京市級規劃與自然資源機構整合后的業務、數據和信息化現狀以及審批系統建設面臨的實際問題，提出了基于“一張網”“一張圖”和國土空間基礎信息平臺的一體化審批系統建設主要思路和總體框架[6]。楊俊宴等人在分析了自然資源管理的需求后，提出了時空大數據平臺建設的技術路線和時空大數據服務自然資源管理的建設思路[7]。黎雷等人探討研究了空間數據快速處理、發布、分析的技術難點及解決思路，提出了應用時空數據服務智慧城市解決方案[8]。隨著城市各種成果數據的不斷積累，相關單位實施管理和監督監察及自然資源的研究編制等工作的愈加繁瑣，研究如何合理的管理和利用這些越來越多、越來越重要的數據成果，如何保證這些成果從生產、建庫到更新的過程的順暢，保證信息系統順利推行并高效利用，這些問題能否順利解決關系到數據成果是否能順暢的建庫、更新和應用，因此，需要在天空地大數據背景下建設自然資源一張圖項目，以提高工作效率與管理監督水平[9]。

2 開發工具

采用分布式微服務的方式進行平臺軟件的開發。使用SpringBoot+SpringCloud+SpringCloud-Alibaba 微服務的形式進行建構與開發。文件服務器使用minio作為對象存儲服務。SpringSecurity技術作為權限控制框架，進行登錄用戶的認證與授權工作。nacos（Dynamic Naming and Configuration Service）作為分布式微服務架構注冊與配置中心，動態的服務發現與配置管理。Gateway 作為微服務平臺的網關采用sentinel來保證微服務之間穩定性。docker 虛擬化容器技術，一次構建、隨處運行，更快的應用交付與部署、更便捷的升級與擴容、更簡單的系統維護、更高效的利用計算資源。保證服務的安全性、可靠性以及高可用性。

圖1 自然資源“一張圖”平臺技術架構圖

圖2 自然資源“一張圖”平臺部署架構圖

3 平臺架構

自然資源“一張圖”平臺的建設可提供國土資源利用、森林資源、草原資源、濕地資源、綠地資源、水資源、礦產及地質監測等專題內容，使得自然資源的三維空間立體形態準確表達及一體化展示。因此，根據其他學者對于一張圖建設框架，在平臺建設中充分考慮平臺靈活性和擴展性，自然資源“一張圖”平臺采用面向服務（Service-Oriented Architecture，SOA）框架[15]，基于B/S架構設計以自然資源數據天空地大數據為基礎，利用圖形化、可視化、三維化等技術手段，開發三維自然資源管理平臺系統，實現對自然資源基本情況的管理與展示。結合上述技術，平臺總體架構圖如下所示：

圖3 自然資源“一張圖”平臺

支撐層主要是負責標準規范體系、平臺運行環境、平臺安全體系，從標準規范、安全體系、政策法規等方面保障平臺的安全和規范。就平臺的運行環境而言，從基礎硬件、基礎網絡、基礎軟件等方面保證平臺的穩定性、可用性、可擴展性，為整個信息資源的共享與應用提供支撐。

數據層負責對收集到的自然資源數據按照標準化進行分類、整理、入庫。數據是一切應用的基礎，數據的合理分類為整個平臺實現共享提供了保證。在數據層的設計中，采用數據庫分別存儲元數據目錄、基礎地理信息、專題規劃數據庫、非空間專題數據庫、其它專題數據庫等。這種分類的存放和管理有利于實現對不同類型數據的更新、發布等操作，實現數據的集中管理。

服務層由平臺提供的各類業務功能接口和數據接口組成。通過組合和封裝服務層提供的各類服務接口資源，可以實現資源的分布式交換共享服務。

應用層是自然資源“一張圖”系統的體現形式，依托支撐層、數據層的基礎上，針對實際業務需求，設計與實現國土資源利用、森林資源、草原資源、濕地資源、綠地資源、水資源、礦產及地質監測功能應用。

4 關鍵技術

基于天空地大數據的自然資源“一張圖”平臺，需將天空地大數據進行標準化、一體化展示，提供時間、空間多維數據展示集成，并根據最新獲取數據及時更新數據庫，使得全方位、全過程了解對象。

將基礎地理信息數據、地理國情監測數據、自然資源數據等多源、多尺度、多時相、多格式等特性的海量空間數據有機地組織、整合成“一張圖”，必須統一空間基準、建立時空序列，利用標準的接口方式提供服務。一張圖平臺建設的關鍵是架構優化，包含基礎構架、數據庫搭建等，同時還包含數據的接口及標準化處理。

5 平臺應用及特點

依托自然資源“一張圖”數據集成、動態統計分析及展示等關鍵技術，自然資源“一張圖”平臺具有六大特點：①衛星遙感與無人機遙感、物聯網及地面實測相結合；②專題內容與綜合監測相結合；③二維數據和三維數據相結合；④地上數據與地下數據相結合；⑤地理要素與地質數據相結合；⑥人工解譯與機器學習相結合。

圖4 自然資源“一張圖”登陸界面

圖5 自然資源“一張圖”三維基底

自然資源“一張圖”分為專題模塊、展示大屏模塊、運維管理模塊的建設。

專題模塊集成了電子地圖、遙感影像、數字高程模型、三維傾斜攝影模型、地質數據、物聯網數據等基礎數據，參照《自然資源調查監測體系構建》中自然資源數據空間組織結構（圖6）進行數據梳理，將多源數據匯聚于同一平臺，包含土地資源、森林資源、草原資源、濕地資源、水資源、地表基質、地下資源和自然資源綜合看板等專題，可實現對山水林田湖草單項的專題數據展示，同時使得自然資源的三維空間立體形態地準確表達及一體化管理。

圖6 自然資源空間數據組織結構圖

專題模塊基礎功能包含：搜索、底圖切換、底圖透明度設置、是否加載地形設置。工具類功能包含：測距、測面、測高、全圖、全屏、清除、開挖、截屏、視角管理、獲取視角。分析類功能包含：地下模式、開挖分析、影像對比、地質剖切、剖面分析、查詢分析、無人機巡查、刀架剖切、地質裁切、土壤質量、全景。

展示大屏模塊是由山水林田湖草等重點關注專題及地圖數據構成。通過提取土地資源、森林資源、草原資源、濕地資源、水資源、地表基質、地下資源等專題統計信息、變化信息匯總于展示大屏，可更加直觀展示管理者所關注的關鍵點信息，展示自然資源組成、分類、權屬分布情況。

運維管理模塊實現用戶權限管理、平臺日志管理及平臺各項參數配置管理等，實現平臺的調度與監控。

6 結論

本文基于天空地大數據的自然資源“一張圖”平臺設計與實現進行了研究，通過平臺架構設計及關鍵技術的研究，探索了三維自然資源管理平臺原型系統，實現專題模塊、展示大屏模塊、運維管理模塊等功能模塊的開發，為實現自然資源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同體管理能力和管理體系的現代化提供了平臺支撐，同時也為國土規劃、智慧城市等領域提供數據及技術支撐。