海域使用立體分層數據模型構建與應用

摘要：海域立體空間管理是海洋空間優化、提升海域資源利用效率的有效方式，文章旨在信息化層面將海域作為立體空間管理對象，為海域使用權立體分層設權工作提供數字化、自動化技術支撐。利用國家海域動態監視監測數據庫中的調查數據、規劃數據和權屬管理數據，在數據特征分析和概念設計的基礎上，采用實體數據模型將二維矢量權屬數據轉換為三維模型，按照本體構建、數據關聯和分析應用的技術路線，構建了海域使用立體分層數據模型，并應用于三維可視化海域使用立體分層應用系統的研發。海域使用立體分層模型在一致性、可讀性、靈活性、效率等方面均滿足應用需求，優越于傳統的二維海籍數據模型。系統基于Cesium 三維虛擬地球引擎，構建了三維立體海籍的符合性、沖突性分析，以及海籍權屬數據的綜合統計管理等功能。海域使用立體分層的數據模型和應用系統實現了海域使用權立體分層設權項目的管理和決策支持，為廣東省海域使用權立體分層設權工作的前期探索提供了有效的信息化手段。

關鍵詞：海域使用權;立體分層;數據模型;概念設計;數據關聯;三維可視化;三維空間分析

中圖分類號：P74 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）08-0013-07

0 引言

《中華人民共和國海域使用管理法》規定，海域指的是中華人民共和國內水、領海的水面、水體、海床和底土。海域是海域使用權的客體，作為立體空間，具有底土固定性、水體流動性、功能多樣性及利用立體性等特點，具有獨立的使用價值和經濟價值[1-3]。

社會經濟發展和科技進步使得海洋資源的深入開發利用具有必要性和可行性，從三維空間尺度上把握海域特性，開展海域立體開發利用具有強烈的現實需求。近年來，隨著用海規模的持續擴大，海域立體分層使用已成為緩和用海沖突、優化海洋空間開發利用的有效途徑[2]。2019年，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于統籌推進自然資源資產產權制度改革的指導意見》，首次從中央層面提出“探索海域使用權立體分層設權”。之后在福建、廣東、山東、浙江等地陸續開展了海域使用權立體分層設權的理論探索和試點實踐。2023年11月，自然資源部進一步發布《關于探索推進海域立體分層設權工作的通知》，將推動海域管理模式從“平面”向“立體”、從“二維”向“三維”轉變，深化探索海域物權制度建設。

然而，在對海域的規劃管理、分析評價方面，對于海域的研究更多是按照沿岸、近岸、遠海等離岸距離的概念進行橫向劃分[4-6]，按照水面、水體、海床和底土等立體分層概念的縱向劃分較少，難以為海域使用的立體分層管理提供支撐。在涉海信息化研發層面，GabrieleP等人研發的海洋環境監測信息系統主要研究海洋表面石油污染對船舶海運的影響[7];金永福等人研發的海域使用管理信息系統主要研究二維海籍管理[8]。目前少有將海域作為立體空間進行可視化表達和應用開發的針對性研究，未能利用數字化、三維可視化手段直觀展示海域立體空間管理，從而也難以在信息化層面支撐海域使用權立體分層設權工作。

在數據組織上，地理信息領域常見的三維數據模型主要包括實體數據模型、面數據模型和點數據模型3種。實體數據模型使用剛性實體表達地理信息對象，著重表達對象的空間形態信息，例如三維地質體模型構建[9-10];面數據模型使用曲面、多邊形網格等面要素表達地理信息對象，著重表達對象的表面信息，例如采用傾斜攝影測量方法構建的房屋模型[11-12];點數據模型使用離散點集等點要素表達地理信息對象，能實現對象空間形態和表面的精細化表達，例如采用三維激光測量方法構建的建筑物、構筑物模型[13-14]。在公開可檢索的文獻中，少有對于海域立體空間三維數據模型構建的研究。

本文提出的海域使用立體分層數據模型，解決了海域使用立體分層在信息化系統中數據結構、數據操作和數據約束等方面的設計問題，是海域立體空間管理可視化表達和應用開發的基礎，為海域使用立體分層應用系統研發、實現海域立體權屬審批和管理提供了數據驅動。

1 數據特征分析

海域使用立體分層涉及的數據資源主要包括海洋現狀調查、海洋專項規劃和海洋權屬管理等數據，其主要形式為矢量數據（以面狀為主）和相關的表單、文檔資料。

海洋現狀調查數據內容主要包括近年來的涉海專項調查，如近海海洋綜合調查與評價專項、海島礁測繪工程、海岸線修測、漁業資源調查等;海洋專項規劃數據內容主要包括省級國土空間規劃生態保護紅線海洋部分、海岸帶資源環境承載能力評價、海岸帶保護利用專項規劃及修編、養殖水域灘涂規劃、海上風電發展規劃、沿海港口布局規劃、沿海公共錨地總體規劃等數據;海洋權屬管理數據是其中的核心數據，內容主要包括海域使用權屬圖斑和項目用?；拘畔?、宗?；拘畔ⅰ㈩A審信息、立項信息、論證信息、批復信息、初始登記信息、變更轉讓和續費信息、注銷登記信息等數據。

重要存量數據估算如下：以廣東省為例，廣東海域遼闊，內水和領?？偯娣e約為6.47萬km2。截至2023年6月底，國家海域動態監視監測數據庫中，廣東省現存有效確權用海項目2128個，確權用海面積83487.78hm2。按用海類型統計，漁業用海最多，占比30.92%，其次是工業用海和交通運輸用海，占比分別為27.81%和24.06%;按用海方式統計，開放式用海最多，占比37.83%，其次是填海造地，占比18.99%。

2 概念設計

海域使用立體分層模型在概念設計上主要是對用海空間及其關系的分析。結合海域使用立體分層涉及的數據資源特征和實際需求，海域使用立體分層的概念模型設計主要包括以下內容。

2.1 空間模型釋義

本文的海域使用空間模型設計，按照《中華人民共和國海域使用管理法》及近年來自然資源部、各省市實踐，采用“四層學說”[3，15-16]，即將用海空間由上至下劃分為水面、水體、海床、底土等4個部分。

2.2 空間模型的關系設計

根據海域使用權立體分層確權管理相關制度設計[17]，用?？臻g的關系包括現狀空間的用海兼容性和規劃空間的符合性。前者的判別原則主要從用?；顒拥目臻g排他性、用?；顒影踩?、海域環境質量、空間連續性等方面考慮。后者的判別原則主要是用海活動與國土空間規劃、涉海專項規劃等是否存在沖突。

2.3 空間模型與用?；顒拥年P系設計

空間模型與用?；顒拥年P系是多對多的關系。同一種用?；顒涌梢詫鄠€空間模型，如跨海橋梁、樁基式海上光伏、水面建筑物等用海主要使用水面;溫（冷）排水、污水達標排放等用海主要使用水體;底播養殖等用海主要使用海床;海底電纜管道、海底隧道等用海主要使用底土。同一個空間模型可以對應多種用海活動，如跨海橋梁及附屬設施用海與航道可共同使用水面空間;海上風電和筏式、網箱養殖可共同使用水面、水體空間。

3 技術路線

綜合以上數據特征分析和概念設計，海域使用立體分層管理比較關注不同用海類型的空間形態，且存在大量二維矢量的歷史數據。因此，擬采用實體數據模型進行建模，按照本體構建、數據關聯和分析應用的思路，開展海域使用立體分層模型構建（圖1）。

3.1 本體構建

本體是一種由被精確定義的概念及概念間關系組成的、機器可理解的、明確且形式化的規范說明[18]。海域使用立體分層模型的本體以三維白模為模型原型[19-20]，以宗海為主體管理單元，將現有二維矢量海域使用權屬審批成果基于縱向深度表達轉化為實體化的海洋時空立方體模型。具體構建過程詳述如下。

3.1.1 構建要素數據集

構建包括坐標信息、坐標索引信息、屬性信息以及坐標參考信息的要素數據集。其中，坐標信息為構成宗海的各個邊界點的平面坐標信息;坐標索引信息記錄坐標信息的存儲邏輯，例如輸入點在哪里、有多少坐標點等;屬性信息為項目名稱、批復文號、批復時間、面積、豎向使用范圍、用海類型、用海方式、海域使用金等宗海的相關信息，其中，對于豎向使用范圍，增量數據將具備明確的水深起止信息，存量數據可采取“水面”“水體”“海床”“底土”空間信息表達方式[21];坐標參考信息定義了坐標系統等內容。要素數據集是海域使用權立體分層信息更新的主體。

3.1.2 構建立體模型

提取構建的要素數據集的平面坐標信息和豎向使用范圍信息，每個矢量要素根據其用海類型和用海方式構建1個組成結構和空間形態相對固化的立體模型，計算立體模型的頂點、法線以及索引（圖2）。建模時通常以單個模型中心點為原點存儲相關坐標點的相對坐標，以提升模型存儲效率;通過加密頂點密度，豐富模型細節，尤其是跨海橋梁、海底隧道、風電場、海底管道等立面結構較復雜的用海類型，可根據行業一般性的發展規劃要求豐富模型細節部件。相鄰的模型頂點構成模型的三角面，模型頂點和三角面通過編號構建索引;計算三角面的法線，準確獲知每個面的方向信息，以便后期作為光照渲染的輔助[22]。

3.1.3 三維模型協議解析

將構建的立體模型初始化，讀取模型的坐標信息、坐標索引信息、屬性信息以及坐標參考信息，計算模型的頂點、法線以及索引，按照obj、gltf、glb、fbx和dae等三維模型格式協議進行解析，生成對應的1個或多個三維白模。

3.2 數據關聯

海域使用立體分層模型需通過相關數據關聯，體現不同用海活動在特定海域空間范圍的協調程度。以《海域使用分類（HY/T123-2009）》《國土空間調查、規劃、用途管制用地用海分類指南》等界定的用海方式分類為基礎，制定海域使用立體分層數據模型的海域使用分類體系。在遵循空間排他性、用?；顒影踩浴⒑Ｓ颦h境質量和空間連續性等原則的基礎上，梳理、歸并不同用海方式對海域空間層次的利用情況[17，23]，結合海洋現狀調查、海洋專項規劃等關聯數據，構建包括兼容規則和沖突規則在內的海域使用權立體分層的數據關系模型，從而揭示不同海域使用分類之間隱含的相互關系。

3.3 分析應用

基于海域使用權屬分類體系與兼容性判別規則，對物理實體對象和管理對象實現動態適配展示和可視化應用。在本體構建和數據關聯的基礎上，對數據模型配以符號系統，在三維場景中進行清晰明確的展示。符號系統既可以包括矢量面進行豎向拉伸的概略符號，也可以包括能體現海域使用細部構造的復雜性抽象符號，如養殖網箱、風電樁、海底電纜、石油平臺、跨海橋梁等。海域使用分類的立體符號化展示可便于區分用海的立體層次，反映用?；顒訉λ?、水體、海床及底土不同層次海域空間占用情況。

4 模型應用實驗

海域使用立體分層應用系統，采用B/S架構，基于主流的三維地圖框架Cesium 三維虛擬地球引擎[24-25]，以海域使用立體分層的數據模型為基礎，結合海洋專項調查、涉海規劃、海籍管理等專題信息，實現三維立體海籍的符合性、沖突性分析以及海籍權屬數據的綜合統計管理，探索海域使用權立體確權管理信息化路徑。

4.1 應用設計

海域使用立體分層應用系統具體包括海域使用立體分層模型的可視化、關聯查詢和分析應用等功能。

4.1.1 模型可視化

海域使用立體分層模型可視化分為存量數據的模型和增量數據的模型。針對存量數據，在現有數據的屬性信息和平面坐標信息基礎上，按照“水面”“水體”“海床”“底土”的分類進行立體空間信息表達（圖3）;針對增量數據，則依據數據的屬性信息、平面坐標信息和明確的水深起止信息進行立體空間信息表達。

在實景三維的展示框架下，用戶可從高空、平地（海平面）和海底等視角進行瀏覽和漫游。同時具備縮放、平移、旋轉、定位、鷹眼、屬性查詢、空間量測、分屏對比等基本功能。

4.1.2 模型關聯查詢

按照應用需求，對海域使用立體分層模型的關聯數據進行編目，對海域使用的現狀、規劃、權屬管理等信息，按照空間關聯或屬性關聯的方式進行編目組織。用戶可以對數據模型進行特定用海類型、用海方式、項目管理階段、年份或區域的模型進行檢索、查詢;對選區范圍內的海籍總數、面積、金額等信息進行統計，使用自定義剖面對海籍的空間分布進行查看，并以圖表形式展示。

4.1.3 模型分析應用

在模型可視化基礎上，在同一平面位置上，對不同用海類型、用海方式的海域使用設置兼容性規則，用于支撐不同用海項目的沖突分析。具體方法是對不同用海類型、用海方式的海域使用進行編碼，根據《海域使用分類》（HY/T123-2009）共有20種海域使用方式，對所有編碼進行兩兩兼容性關系設置，并進行存儲。例如，固定式海上風電可與海底隧道、溫冷排水等海域使用方式兼容，油氣開采可與透水構筑物（潛堤等水下構筑物）、取排水口（管涵）、固定式人工魚礁、開放式養殖（底播）、跨海橋梁（橋面）、海底隧道、海底場館、海底電纜管道、溫冷排水等海域使用方式兼容。設置的規則可按照具體政策要求進行變更。

規則設置后，可用于分析新項目是否與已有權屬和規劃數據存在沖突，凸顯沖突空間和內容，從而輔助新項目海域使用論證等用海審批決策工作（圖4）。用戶通過上傳新項目用海范圍或在系統中自定義范圍，系統將基于海域使用權立體分層的數據關系模型，自動導出范圍內已有的用海情況和規劃情況，并分析得出范圍內能夠兼容的用海類型和用海方式。

4.2 應用評價

從一致性、可讀性、靈活性、效率等方面對模型應用成果進行評價。

（1）一致性。根據模型的邏輯設計，海域使用立體分層模型以海域使用要素的立體空間坐標為關鍵索引信息，關聯用?；顒拥膶徟F狀和規劃信息，模型中各元素的信息合理、完整。

（2）可讀性。海域使用立體分層模型通過對用?；顒影凑账?、水體、海床、底土4個部分進行分層拉伸，形成海域使用的三維可視化表達，比原來的二維海籍數據更易于理解用?；顒釉谪Q直方向上的分布情況。

（3）靈活性。海域使用權立體確權管理尚處于業務探索階段，在全國各沿海省份進展不一，因而對具體關注的信息有不同側重點。本文設計的海域使用立體分層模型，對于立體分層的粒度和所關聯的信息都有很強的可擴展性，可適應不同管理政策的變化。

（4）效率。海域使用立體分層模型對用?；顒酉嚓P信息實現高度的結構化存儲，存儲效率高;同時，根據業務邏輯進行了本體構建層、關聯數據層和分析應用層等層級的劃分，有效降低數據冗余度。因此，海域使用立體分層模型比一般的三維模型具有較高的存儲效率和查詢效率。

綜上所述，海域使用立體分層模型在一致性、可讀性、靈活性、效率等方面均滿足應用需求，優于傳統的二維海籍數據模型。海域使用立體分層應用系統以海域使用立體分層模型為基礎，為存量的海域使用確權項目構建了2539個立體分層數據模型，實現了海域使用立體分層數據管理和應用分析，有效支撐了廣東省海域使用權立體分層設權試點探索工作。

6 結論與討論

本文提出了一種海域使用權立體分層的數據模型設計，并以此為基礎研發了三維可視化的海域使用立體分層應用系統，實現了海域使用權立體分層設權項目的管理和決策支持，在廣東省全面開展海域使用權立體分層設權試點工作中得到了有效使用，為廣東省全面開展海域使用權立體分層設權前的數據摸查、規則設置等工作提供了有效的信息化手段。

目前各地的海域使用權立體分層設權工作尚處于探索和試點階段，數據模型和應用系統將隨著相關政策的全面實施不斷完善，以進一步滿足海域立體權屬審批和管理工作的要求，為實現全新的三維立體海籍管理模式變革提供數字化、自動化技術支撐。

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