基于分層分類的自然資源時空數據組織結構探討

金健，任建福，黃景金，楊鄭貝

（1.廣西壯族自治區自然資源調查監測院，廣西 南寧 530023；2.北部灣經濟區自然資源監測評價工程技術創新中心，廣西 南寧 530219）

自然資源自古以來便是一個國家得以發展的物質基礎，更是人們賴以生存的重要物質保障，保護自然資源就是保護和發展生產力。如何對自然資源進行高效、協同化的保護、開發和利用是新時代自然資源管理亟需解決的問題；而在數字化建設迅猛發展的當代，對自然資源相關數據進行有序組織和高效管理更是自然資源管理最重要、最直接的抓手之一。自生態文明體制改革以來，隨著《深化黨和國家機構改革方案》的出臺，廣西積極組建自然資源廳，將涉及海洋、森林、草地、濕地、水資源的調查監測職責重新整合，進而徹底解決相關部門的數據矛盾。同時，自然資源部在三維立體時空數據庫建設、信息化建設、自然資源調查監測體系構建等工作中多次提出，要建成自然資源日常管理所需的三維立體“一張圖”[1]。這就為今后指明了方向，新時期的自然資源數據組織、管理將不再以單一的二維物理拼接模式延續。

本文圍繞廣西自然資源管理需求，以“成熟一個、集成一個、共享一個”的思路整合各類自然資源調查監測數據（庫）[1]為最終目標，遵循生態系統的整體性、系統性及其內在規律，提出了基于“地上地下、陸海相連”的分層分類三維立體時空數據統一組織結構[2]。通過三維空間的立體分層體現各類自然資源數據之間的邏輯性，通過各層內部的自然資源分類突出自然資源成果數據管理的重點[3]。

1 自然資源數據管理現狀

長期以來，廣西各類自然資源管理均分散組織實施，成果數據海量、種類繁多，涵蓋了耕地、森林、濕地、海洋、礦產、草地等各類自然資源相關業務數據。同時，各部門、各行業、各層級基于職責分工形成了僅滿足自身管理需求的調查監測指標體系和數據的組織管理模式[4]；久而久之，導致了數據成果分散、語義不統一、內容相交叉、指標相矛盾等突出問題，嚴重制約了廣西治理體系和治理能力的現代化建設。

1.1 數出多門

經過多年的分頭組織管理，同種自然資源在不同管理部門所采用的調查監測指標也不盡相同，如海洋資源在自然資源部門的調查指標為自然岸線保有率，而在海洋部門的調查指標主要為海水質量狀況、海水富營養化等。存在于同一地理空間的自然資源可能在不同的管理部門被劃分為不同的資源類型，如河流濕地、湖泊濕地在國土三調中被定義為水系，而在濕地二調中被統一劃定為濕地；種植園地在國土三調中被定義為園地，而在森林資源清查中被劃定為林地。同時，同類自然資源的調查監測工作在不同時期起調的尺度相差甚大，導致數據銜接相當困難，如濕地一調的最小調查面積為100 hm2，濕地二調的最小調查面積僅為8 hm2。上述種種問題，嚴重制約了“一張底板、一套數據和一個平臺”的建設[5]。

1.2 數據孤島

廣西跨部門、跨行業、跨層級間的自然資源調查監測成果數據始終采用相互獨立的組織管理方式，各類數據獨立存儲、各自維護、自行更新，形成物理上的數據孤島；同時，由于各部門、各行業、各層級對自然資源管理需求的不同，導致定義、標準、范圍不一致，形成了邏輯上的數據孤島。因此，采集的數據間無法互通，調查監測成果不能共享，各類數據庫間也無法兼容并用，大大增加了數據合作的溝通成本，嚴重影響了廣西自然資源數據一體化管理建設。

1.3 數據平臺建設

經過多年的信息化建設，2012年廣西建成了以國土資源“一張圖”數據庫綜合審批、監管與統計分析為主的信息數據平臺，相繼建設了28個耕地、礦產、海洋、測繪等國土資源基礎數據庫，數據量超過40 TB。近年來，隨著相關數據成果的匯集、整理和不斷充實，實現了用地、用礦、用海等自然資源日常管理的信息化審批和動態監管。

隨著生態文明體制改革、機構改革以及對各類自然資源調查監測要求的不斷提高，為了更好地適應生態文明建設和自然資源管理的需要，應按照更加科學、簡明、可操作的方式進行數據組織模式的重構，需在現有國土資源“一張圖”的基礎上，匯集各類差異甚大的自然資源數據，利用大數據、云計算、三維可視化等先進技術，建立各類自然資源三維空間上的相互聯系，實現高效的信息化數據統一管理。

2 數據統一組織結構設計

針對廣西自然資源數據管理現狀，重點解決數出多門、數據孤島等現實問題，建立多源海量數據在物理邏輯上的統一，在三維空間上可關聯的組織結構，為自然資源管理提供便利?；诂F有的基礎測繪數據搭建三維空間框架，以三維空間位置作為組織和聯系所有自然資源的基本紐帶；縱向上，實現空間關聯數據的多層疊加和套合；橫向上，將同一層分為歷史數據和現狀數據，可展示各類資源隨時間進程的變化情況，且各類資源數據之間相互融合、相互銜接；最終形成“縱向有關聯、橫向可銜接”的廣西自然資源分層分類時空數據統一組織結構，實現跨部門、跨行業、跨層級的不同數據的有序匯集。

2.1 數據分層設計

分層分類時空數據統一組織結構以廣西現有的基礎測繪成果為框架，以數字高程模型為基底，以高分辨率遙感影像為背景[5]，按照三維空間位置，統籌考慮地下、地表、地上三維立體空間的對應方位；縱向上，由下至上依次分為地下資源層、地表基質與地形地貌層、地表覆蓋層和管理層；橫向上，通過統一標準、數據融合等技術手段形成各時期的自然資源數據成果。通過將廣西自然資源數據從多源二維向有組織、有分類、有時間變化的統一三維時空擴展方式轉化[6]，形成統一協調的支撐自然資源和國土空間開發利用與保護的數據結構基礎。具體分層設計結構如圖1所示。

圖1 廣西自然資源分層設計結構示意圖

1）地下資源層，包括地表以下的各類自然資源調查監測成果。廣西礦產、地下水資源豐富，目前已擁有多年的地下水、礦產資源等調查監測成果數據，還可逐步增加地質等調查成果數據。

2）地表基質與地形地貌層，根據目前廣西的調查監測技術手段，主要包括地質調查、海洋（海底基質）調查、土壤調查等專項調查成果，但還需統一空間坐標、數據格式等形成基質層數據；可采用廣西統一的數字高程模型來表征地形起伏特征。

3）地表覆蓋層，需以國土三調、地理國情普查成果數據為基礎，融合各類自然資源多年的專項調查、專題監測數據，主要包括耕地資源、森林資源、濕地資源、草地資源、水資源、海洋資源等。

4）管理層，需根據廣西自然資源管理現狀和需求具體設計，包括廣西各級行政區劃、地名地址、自然資源權屬界線、生態保護紅線、城鎮開發邊界、自然保護地界線、開發區界線等數據成果。

2.2 數據分類設計

自然資源數據分類將在數據分層的框架下，綜合考慮數據所屬類型、地表覆蓋分類、數據時效性等現實應用需求，對各類自然資源數據進行分類設計。最終，按照統一的空間參考和分類標準，采用多源數據融合技術將基礎調查獲得的共性信息層與專項調查的特性信息層進行空間疊加，建立內容完整、標準統一、動態更新的自然資源數據體系[7]。本文重點探討數據所屬類型分類。

2.2.1 所屬類型分類

根據廣西正在進行的各類自然資源調查監測工作和已有數據成果，將各類自然資源數據分為基底數據類、調查監測數據類、管理數據類、其他數據等4個一級類、23個二級類和111個三級類。一級類依據數據資源的用途進行劃分，二級類依據數據資源所屬的資源類型、管理內容進行劃分，三級類依據所開展的各項具體項目內容進行劃分[8]。數據所屬類型分類組織結構如圖2所示。

圖2 廣西自然資源數據所屬類型分類組織結構示意圖

1）基底數據。該類數據作為統一空間定位的數據基礎，涵蓋了各類基礎測繪數據，具體目錄如圖3所示。

圖3 廣西自然資源分層分類組織結構基底數據類

2）調查監測數據。該類數據根據對應的三維空間位置分別放入地下層、地表基質與地形地貌層、地表覆蓋層，包括廣西已開展的地下、地表、地上各類資源的調查監測歷史、現狀成果數據。具體數據目錄如圖4所示。

圖4 廣西自然資源分層分類組織結構調查監測數據類

3）管理數據。該類數據將放入管理層，涵蓋全區各級行政區劃管理數據、測繪地理信息管理數據以及滿足廣西自然資源日常管理所需的數據[9]。具體數據目錄如圖5所示。

圖5 廣西自然資源分層分類組織結構管理數據類

4）其他數據。該類數據為管理數據的拓展補充，基于歷史數據、現狀數據和管理數據的分析與思考，為未來構建一個統一且帶有社會經濟和人類活動的自然資源分類要素體系，需進一步有機整合社會數據、經濟數據和人類活動數據[10]。信息化社會帶來的大數據也為數據分類體系提供了城市運行方面數據，以用促管，確保數據資源管理持續提效。具體數據目錄如圖6所示。

圖6 廣西自然資源分層分類組織結構其他數據類

2.2.2 所屬資源分類

在數據分層組織設計的基礎上，結合廣西自然資源特性，本文根據國土三調和地理國情普查等分類標準，進行廣西地表基質分類、廣西地表覆蓋分類、廣西土地利用現狀分類和廣西自然地理單元劃定。

2.2.3 數據時效分類

為滿足廣西各類自然資源調查監測動態監管的需求，按照時間順序將各類自然資源分為歷史數據類、現狀數據類和規劃數據類。

2.3 基本功能設計

在自然資源數據分層分類組織結構設計的基礎上，針對各類自然資源數據海量、內容豐富等特點，為組織模型設計了高效瀏覽、查詢、分析等功能。具體功能如圖7所示。

圖7 數據組織結構功能設計

2.3.1 海量數據加載

本文通過分析廣西自然資源分層分類組織模型每一層的數據特點，設計了各層的數據接口，以保證本層內的各類數據能快速入庫并與統一的空間基礎數據進行配準定位，且各層級間數據互不干擾，實現海量時空數據的快速加載。

2.3.2 三維數據展示

分層分類時空數據統一組織結構是由簡單的二維物理拼接方式向三維立體多尺度多時空模式的轉變，將結合大數據處理、UE和CG等平臺開發技術，實現多種應用場景的三維數據快速展示。

2.3.3 數據基本操作

結合自然資源管理的現實需求，對各層各類數據均可實現快速瀏覽、屬性查詢、空間定位、統計分析、專題圖制作和動態更新等操作。

3 技術難點

本文提出的基于分層分類的三維立體時空自然資源數據統一組織結構，是通過建立“地上地下、陸海相連”且相互關聯的數據底板的數據組織形式，形成統一協調的支撐自然資源和國土空間開發利用與保護的數據基礎。因此，需要采用“專業化處理、專題化匯集、集成式共享”的方式，從數據的獲取方式、組織形式、語義內涵等各方面統一標準，同時按照數據整合規范要求，在各數據層內組織對各類自然資源數據進行整合銜接，逐步消除由數出多門而引起的數據冗余、數據打架，逐步打破數據孤島的壁壘。

3.1 統一標準

本文遵循山水林田湖草是一個生命共同體的理念，深入梳理各類自然資源信息化建設的相關標準，結合國家標準體系，協調各類標準之間的矛盾，從邏輯關系、數學基礎、分類體系、分類編碼、術語定義等方面研究完善了現有的自然資源分類標準、地表覆蓋分類標準、數據庫標準、系列技術標準、規程規范等[11]；最終建立了包括網絡基礎設施、數據生產、數據成果、系統開發、應用服務、安全保密等統一的自然資源信息化標準框架體系，重點解決概念不統一、內容有交叉、指標相矛盾等問題。

3.2 數據銜接

以《自然資源調查監測評價體系構建總體方案》和《自然資源部信息化建設總體方案》為指導，在國土三調成果的基礎上，研究了國土三調與各類自然資源調查監測成果數據的相互銜接以及各類自然資源調查監測歷史數據之間的相互關聯銜接，主要解決層內數據歸類模糊、層間數據內容交叉等問題，最終集成建庫，形成具有統一空間基礎和數據格式的各類自然資源調查監測歷史數據庫[12]。

4 結語

基于分層分類的三維立體時空海量數據統一管理模式是新時期生態文明體制改革、機構改革背景下自然資源管理的必然需求，也是推動國土調查向自然資源調查升級的必然要求[1]。為進一步研制自然資源分層分類模型，實現廣西自然資源“一張底板、一套數據”的綜合應用，本文探討設計了廣西自然資源分層分類時空數據統一管理模式，以廣西自然資源信息化現狀為基礎，充分集成并應用已有的信息化數據成果，重點解決了各類自然資源數據融合以及廣西自然資源調查監測標準體系建設等技術難點，為切實加快建立自然資源統一調查、評價、監測制度，健全自然資源監管體制，打牢數據基礎。