省級自然資源監測數據庫建設研究

張大騫，郭昌達，陶 旸 ，劉善磊

（1.江蘇省基礎地理信息中心，江蘇 南京 210013；2.江蘇省自然資源廳，江蘇 南京 210017）

自然資源時空信息管理是提升自然資源管理水平、推動自然資源治理體系現代化建設的一項重要研究課題[1-2]。2021年2月8日，自然資源部專門印發了《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》（以下簡稱“國家三維方案”），提出建設由1個主庫、9個分庫組成的國家級自然資源三維立體時空數據庫，作為支撐自然資源各項管理的重要數據基礎。自然資源監測數據庫是9個分庫之一，負責自然資源常規監測、專題監測、應急監測等數據成果的集成建庫管理[3]。

2021 年以來，監測工作得到了常態化的制度支撐[4]。在國家監測工作要求基礎上，為提升江蘇自然資源精細化管理水平，加快構建省級自然資源統一監測體系，形成可復制、可推廣的自然資源監測技術方法、工作流程和指標體系，江蘇省自然資源廳部署多家單位全面開展耕地資源監測、城市要素監測、林草濕監測等各類試點監測工作。在全省監測及各項試點工作基礎上，開展了自然資源監測數據庫建設研究，提煉關鍵技術并形成研究成果，為集成管理省級自然資源監測數據成果、全面納入自然資源三維立體時空數據庫體系提供支持。

1 數據庫設計

1.1 數據分層

目前，自然資源監測工作主要是掌握地表自然資源分布，綜合參考自然資源數據的立體分層劃分、數據來源及類型，其數據成果由管理層、空間基底、地表覆蓋三大類數據集構成[5-6]，各大類數據集由若干數據子集構成。

1.2 數據模型

自然資源三維立體時空數據模型是自然資源在時間、空間、語義、管理、服務等方面一體化表達的實體模型?！皣胰S方案”提出的模型集成了實體表達模型、時空演變模型、地球空間網格模型、業務關系模型，可準確反映自然資源實體的時態、位置、數量、質量、生態五位一體的時空-屬性關系，實現自然資源的一體化表達，達到橫向上匯聚多種要素，縱向上融合多種尺度，時間上連續動態拓展[3]。

省級三維數據庫通過具體的實體分級分層編碼，實現面向自然資源管理需求的數據實體生產。在實體分級分類基礎上，通過擴展時間標簽實現自然資源實體生命周期跟蹤管理。通過添加建立語義關聯標簽、空間關聯標簽，表達在一定的空間區域內，不同空間實體之間存在語義、空間聯系。

1.3 邏輯設計

自然資源監測工作是系統性工程，數據來源多樣，且近年來工作要求不斷變化，內容、結構變動較大。為便于建庫工作的順利開展，特別是歷史數據成果的銜接集成，各監測數據集原則上保持原有數據結構和字段屬性，歷史數據暫時只進行統一坐標系統、高程基準、存儲結構等標準化處理?，F狀數據通過添加唯一標識碼、時間、三調關聯標識、備注等字段，便于數據成果與三調底版數據掛接、成果時序動態管理。通過模型擴展表用于描述自然資源實體間的邏輯關聯、空間關聯關系，提升數據快速應用、精準服務價值。通過實體分級分類編碼，表達實體間存在層級關聯。通過梳理實體和實體之間存在各類關系，通過建立關聯表，實現相關關系的快速索引查詢。通過建立實體變更關系表，記錄實體生命周期變化，進行動態時空回溯。

1.4 物理實現

矢量數據采用ArcGIS進行加工處理，形成的中間成果格式為Geodatabase格式，最終通過入庫工具將數據成果物理存入監測分庫中。

為響應監測數據動態管理與更新需求，借鑒參考測繪地理信息相對成熟的時空數據庫建設經驗，本文對監測數據庫組織結構做出相應變動，將數據庫劃分為匯交庫、現勢庫、工作庫、歷史庫四類子庫，分別存儲匯交數據、最新成果數據、過程數據和歷史數據[7-9]。

1）匯交庫。匯交庫用于存儲通過數據質量檢查的監測數據成果及其相關元數據。數據匯交后，匯交庫將數據及文檔以文件形式存儲在磁盤陣列中的特定目錄下，統一管理。

2）現勢庫?，F勢庫用于存儲最新的數據成果及相關元數據?，F勢庫中的矢量按要素集、要素類分級存儲在空間數據庫中。三維數據模型、影像以文件形式存儲在磁盤陣列中的特定目錄下，按數據類型、時段、分辨率或模型精度等分級存儲。

3）工作庫。工作庫主要存儲建庫過程數據及相關質檢數據，將相關數據存儲在本地。工作庫組織方式完全遵循現勢庫中的數據組織，并可根據數據處理需要添加相應字段；質檢規則、質檢記錄及結果以Table格式存儲。

4）歷史庫。歷史庫用于存儲歸檔數據和變更數據。歸檔數據中的數據集分別存放。為了便于識別各時段的數據，在數據集名和要素類名前加版本號進行標識，表結構不變。如2021 年年度版本號為V2021，2021 年具體日期后面按日期增加V20210102。數據集命名規則為：版本號+數據集名稱。要素類命名規則為：版本號+數據集名稱+要素類名。

5）邏輯關系。數據匯交后，首先檢查匯交數據的完整性，然后進行基本的數據檢查，同時將檢查結果存入工作庫；將檢查合格的匯交數據導入匯交庫備份，并導入工作庫以便進行數據入庫處理。工作庫中的數據經入庫處理后，再次進行數據質量檢查，將質檢結果存入工作庫，便于輸出入庫數據質量檢查問題記錄；最后將工作庫中的數據導入現勢庫，將變更數據導入歷史庫。

2 數據庫建庫與更新

2.1 數據建庫

數據建庫處理包括數據分析與準備，數據整合，數據質檢，數據入庫4個過程：

1）數據分析與準備。省級監測數據庫數據主要來源于國家數據的下發、省級數據的更新、市縣數據的匯交等途徑。根據原始匯集數據的數據標準、數據內容、數據格式、空間參考信息、屬性結構、分類編碼、數據質量等具體情況，確定數據的整合處理方案。此外，通過監測試點項目實踐分析，基礎測繪、自然資源確權登記、耕地保護等其他自然資源數據成果，以及生態、環保、住建、交通、水利等其他行業專題資料，經融合處理后，可以作為重要數據來源補充完善各類監測數據，提升數據精度[10-13]。

2）數據整合與融合。數據整合處理應依據統一的技術規范、統一的對象編碼、統一的元數據組織要求進行，以數據模型設計為依據，對照映射關系，利用整合處理軟件進行自動化處理，實現數據字段結構統一、內容值域統一、數學基礎規范、文件命名規范、目錄組織規范、元數據組織規范、數據關系建立等要求。

針對其他數據成果與監測數據成果因采集標準和數據處理要求不同造成難以綜合利用這一現狀，以要素的幾何類型為基準，基于語義匹配和幾何匹配等關鍵技術，對空間要素進行關聯構建和分析，分析不同要素間差異，找出要素間最大的切合點，減少數據融合工作整體工作量、提高工作效率[14-15]。

3）數據質檢。依照相關的數據庫設計和質量控制規定，對整合融合后的文件名稱、文件內容、數據內容、元數據結構與內容等進行處理。

4）數據入庫。按要求完成質量檢查后，根據數據結構框架，將各類數據通過開發的入庫工具，分層導入到標準數據庫中，完成數據的初始化建庫工作。

2.2 數據更新

數據庫建設單位接收到匯交的更新數據后，在匯交庫中創建更新質檢任務進行數據字段與格式的基本質量檢查，生成檢查記錄存入工作庫，若存在問題，則反饋給數據匯交方修改，質量檢查通過后則提交至匯交庫。

質檢完成后進行增量提取，首先按照要素的唯一標識碼建立索引，基于同一性疊置分析技術進行逐一比對分析[16]，按照變化類型進行歸類，對提取的變化數據進行標記，如圖1所示。

數據檢查無誤則數據庫建設單位將新增數據提交至現勢庫，變更數據提交至歷史庫，完成數據更新。

2.3 關鍵技術

1）基于身份標識碼的全生命周期管理。數據更新是一個動態持續的過程。要素的新增、變化、刪除等信息都必須記錄下來，以便于數據庫的管理、回溯與分析。身份標識碼（如國土調查監測中的BSM 碼）技術，可有效實現數據的全生命周期管理。通過標識碼的管理分析，可實現監測數據在各作業單位的狀態傳遞和生命狀態信息記錄。首先，建庫時，所有要素應包含唯一身份標識碼，待開展更新工作時，將相關更新區域帶有唯一身份標識碼的數據下發至作業單位，作業單位應該根據數據變化情況，動態維護（增加或刪除）各類要素的唯一身份標識碼。匯交更新數據時，需統一提交帶有唯一身份標識碼的更新數據。在質檢流程中，唯一身份標識碼作為質檢要素的唯一標識，并參與到質檢結果的顯示識別中。在質檢流程中涉及編輯等操作時，通過唯一身份標識碼確保數據同步，直至數據入庫。

2）按需更新的增量更新模式。采用增量更新入庫的方式進行數據入庫。一方面，相較于傳統入庫方式需要對數據庫所有數據進行質檢和入庫，增量更新入庫方式僅需對增量數據包進行檢查和處理，能夠大大提高數據質檢和入庫效率；另一方面，采用增量更新入庫，能夠突破傳統采用版本建庫模式無法實現數據可回溯的制約，建立可動態維護的時空數據庫，滿足對不同時期數據的時空回溯、分析挖掘等需求。增量提取功能可作為獨立模塊實現。增量包中包含有變更前后的要素信息，可用來做數據對比更新。增量提取接口可以針對指定圖層、指定區域進行提取。待提取的要素類型為點要素，線要素和面要素，提取操作根據要素類型分類。

3）空間數據多時態管理技術。在實際管理應用中不但需要瀏覽數據庫中的現勢數據，也需回溯過去某一時刻某一區域歷史狀態。在數據庫生產基礎上，以圖斑、單體模型等最小基元為實體建立時間索引，時間標簽的變更以實體的變化為事件觸發。在數據庫中將實體的所有變化信息存儲，使用戶能以時間軸上的時間段過濾空間數據，做到任意時間點數據快速回放。記錄自然資源實體產生時間、消亡時間，以及在各時間點的空間形態和屬性信息，沿時間維度可動態展現自然資源實體從產生到消亡全生命周期的時空演變過程。

4）多源矢量數據關聯融合技術。準確高效地發現和提取多源矢量空間數據關聯信息，提升自然資源監測數據的準確性。針對點、線、面不同類型實體，基于GIS 圖形空間關系和語義分析等技術，形成了多源矢量空間數據間同名實體匹配方案[14]。

區別于傳統的點實體匹配方法只是片面的強調位置或屬性的限制，新方法綜合利用要素的位置、屬性及環境特征，實現基于距離、屬性與環境等多特征組合的點實體數據匹配；在獲取候選檢測數據集的基礎上構建線實體模型，實現基于Fréchet距離的線實體數據匹配；綜合利用實體的空間相似度、距離相似度、形狀相似度等多個相似特征結合拓撲關系進行面實體數據的匹配。

數據整合融合處理工作完成后，還應校驗處理后的數據是否符合規范，進行整體質量控制，滿足數據完整性、邏輯一致性、空間定位準確度、數據正確性、數據時相及精度等數據成果質量要求，并使用軟件形成質量評價結果和質量檢查報告，最終保證基礎信息整合結果的準確無誤。

3 軟件實現

在方法研究的基礎上，開發相關軟件，將自然資源監測數據增量提取處理過程進行封裝，簡化自然資源監測數據增量提取處理過程，同時系統化數據處理流程，使數據入庫處理更便捷，實現對自然資源監測數據的標準化處理與增量提取、快速入庫。

同時，本文基于江蘇省基礎地理信息中心采購的FME(feature manipulate engine)軟件設計了一套集數據讀取、增刪改判斷、變化信息輸出的自動化處理模板，實現了監測圖斑時序數據關聯的一鍵化處理，便于后續圖斑的歷史回溯管理。

為驗證FME模板的效率，本文選取了徐州市銅山區8 個鄉鎮（街道）2 a 地類監測圖斑作為實驗數據，并通過BSM 自動輸出2 a 圖斑之間的變遷關系，整個過程耗時僅116 s、95 s。

4 結 語

目前，在本文技術流程支撐下，通過遷移全覆蓋、現勢性好、準確度高的全省地理國情數據、國土調查變更及省級基礎測繪相關數據，已初步形成全面涵蓋耕地、林草濕資源、水資源、城市空間等各類地表自然資源現狀的監測數據底版，并通過不斷匯集試點監測數據，逐步完善數據庫的更新技術方法與流程。

下一步將加強市縣數據匯集、歷史數據整合、知識圖譜、主分庫聯動以及成果數據應用服務[1-2，12，17]等方面研究，促進全省自然資源統一監測體系構建，為服務全省生態文明建設和高質量發展提供基礎數據支撐。