焦点专题-新一代三维GIS在自然资源与不动产信息管理中的应用

发布时间:2020 年 08 月 22 日  文/宋关福 李少华 闫玉娜 谢明辉 佟业真 李堃
导读:在新一代三维GIS技术的基础上,建立自然资源与不动产信息管理平台,以全新视角认知山水林田湖草生命共同体,提升自然资源与不动产管理系统的服务能力,实现自然资源和不动产信息的一体化管理、用途管制及辅助决策能力。

  传统二维GIS技术在全要素信息表达、多类型资源空间拓扑关系构建、资源资产监管分析上都有着不可避免的短板。同时,伴随着资源、资产、生态“三位一体”自然资源管理体系的形成,迫切需要一种新的信息管理方式,实现对立体空间中的“山、水、林、田、湖、草”等自然资源与不动产对象的统一管理。

  随着三维GIS技术的不断发展,在自然资源领域的应用愈加深入。近十几年来,国内外学者先后在三维空间数据模型[1-4]、新一代三维数据融合和三维空间分析及可视化表达等理论层面获得了长足进展,如Mallet等[5]提出的3D geo-database地质体模型,Coors等[6]提出的UDM模型。在实际应用中,采矿、地质[7],石油、地籍管理[8-13]等自然资源相关领域的三维GIS系统不断建立,逐步服务于行业项目中。

  2018年自然资源部部长陆昊在海南调研期间提出,自然资源相关业务系统要由二维系统变成三维系统,解决自然资源调查、确权和国土空间用途管控等问题。在三维技术革新与政府机构职能转变的双重推动下,新一代三维GIS技术[14]在自然资源和不动产登记管理中的应用不断深入。

  面向自然资源的新一代三维GIS技术

  新一代三维GIS技术实现了对自然资源与不动产的全空间、全要素、全过程表达。

  ·全空间模型表达

  空间数据模型是表达自然资源与不动产空间的基础。传统GIS采用点、线、面、TIN、栅格等模型表达自然资源与不动产对象,在此基础上,SuperMap推出了三维体模型,同时扩展和定义了全新的不规则四面体网格(TIM, Tetrahedralized Irregular Mesh)和体元栅格(Voxel Grid)等场模型,突破了传统2.5维空间数据模型(TIN和栅格)只能表达表面的局限性,实现了对连续非匀质三维空间属性场的建模与表达,形成了完整的三维GIS空间数据模型体系。从而,为三维GIS的空间表达和复杂分析计算奠定基础。

  1、三维体模型

  三维体数据模型采用拓扑闭合的三角网来表达自然资源与不动产空间对象,多用于对建筑物、矿藏资源、地质体的表达。在图1中,利用三维体数据模型表达矿产资源,可以清晰准确的表达矿产资源及其所处地质体,同时能明确定义采矿权的范围,实现了对复杂产权体的精细化监管。

  

图1 矿产资源(三维体模型)

  2、不规则四面体网格(TIM,Tetrahedrali-zed Irregular Mesh)

  TIM模型是对连续三维空间的不规则划分,通过拓扑连接多个不规则四面体实现对自然资源三维非均质空间的表达,如矿体属性场、地质体属性场等。在图2中,通过对带有属性的离散三维点集进行插值,形成多个具有拓扑连接关系的不规则四面体构成地质层的属性场;同时利用分层设色的方式,表达某一地质层中任意属性如孔隙度、渗透率、含水饱和度、液态程度以及强酸分布等的连续分布状态。

  3、体元栅格(Voxel Grid)

  体元栅格可以通过对带有属性的离散三维点集或者TIM模型进行插值获得,是对三维连续空间的规则(立方体/正六棱柱)划分,结构简单。利用体元栅格可以来表达连续、非均值的三维空间,如风场、污染场以及温度场等属性场。

  ·三维空间分析

  当前,新一代三维GIS提供了强大的三维空间分析能力,包括布尔运算、空间关系判断、空间查询、通视分析、可视域分析、天际线分析、剖面线分析以及坡度坡向分析等。三维空间分析不仅支持多种可视化表达,同时具有深层分析应用能力,助力自然资源与不动产业务的科学管理。

  ·多源异构数据融合

  传统的自然资源与不动产数据主要包括影像、矢量、地形数据、CAD数据等,数据类型以二维为主,并不能准确地表达现实世界。与二维数据相比,三维数据更能真实的表达现实世界。

  随着数据采集技术的不断发展,数据类型不断增多,为自然资源与不动产数据的集成与应用带来了新的挑战。如何实现多尺度、多源、异构空间数据的高效融合,对降低自然资源与不动产平台系统的建设成本、提高空间数据的使用效率具有重要的现实意义。

  1、倾斜摄影

  倾斜摄影模型数据以其高精度、高效率、高真实感和低成本的优势成为了三维GIS重要的数据来源,在自然资源和不动产中的应用不断深入。但倾斜摄影模型具有数据量大、连片表达、不支持对象化管理等问题。为了解决这些问题,SuperMap提出了基于深度学习的倾斜摄影建模数据动态虚拟单体化技术,通过神经网络算法从倾斜摄影数据中自动化提取目标对象的多边形底廓及其语义信息,并与倾斜摄影模型动态关联,在不切割数据的情况下实现数据的单体化。

  在不动产登记领域(如图3),通过动态虚拟单体化技术实现倾斜摄影模型多维度、细粒度的对象化表达,即分层分户展示,服务于复杂建筑物综合体的权籍信息展示和登记权利状态展示,将实际权利状态融入三维空间。

  图2 倾斜摄影分层分户

  2、BIM

  BIM数据详细、准确记录了建筑物构件的几何、属性信息,并以三维模型方式展示。支持融合BIM数据,可以获得建筑物内部房屋结构信息,实现更加精准化的数据分析和建模,补充自然资源管理的不足,为不动产信息的全面采集及精细化管理提供数据支撑。

  图3 多源数据融合((a)倾斜摄影数据叠加道路(b)倾斜摄影叠加地形数据(c)BIM嵌入倾斜摄影数据(d)BIM嵌入地形数据)

  SuperMap支持将不同精度的倾斜摄影数据、BIM数据、激光点云数据、三维场数据、基础地理数据等异构数据之间进行精准匹配、场景融合和分析计算(如图4)。同时,为应对不断积累的海量数据高效发布、共享问题,超图牵头起草编制了《空间三维模型数据格式》标准(S3M, Spatial 3D Model),解决异构软件平台三维数据互联互访互操作的技术难题,为三维GIS从单一专题应用向多专题融合的综合应用提供技术基础。

  自然资源与不动产信息管理平台

  目前关于自然资源的管理多停留于宏观层面解读,系统性应用实践较少。在此背景下,本文依托SuperMap GIS平台,探索新一代三维GIS技术在自然资源与不动产业务领域相关应用及实践,建设自然资源与不动产信息管理平台,全面支撑“山水林田湖草”生命共同体与不动产登记的一体化管理。

  ·自然资源与不动产的一体化管理

  平台基于新一代三维GIS技术实现对自然资源和不动产的三维空间立体形态的准确表达以及一体化管理。应用二三维一体化技术,实现二维与三维自然资源与不动产数据的无缝融合、高性能加载与显示。如图5,在三维场景中,直观展示自然资源空间布局,以及利用GIS系统的统计分析能力,展示自然资源组成、分类、权属分布情况。

  图4 自然资源一体化管理

  ·自然资源与公共管制信息融合

  公共管制信息包括生态红线信息、用途管制[15]信息以及自然保护区信息、国家公园信息、特殊保护区信息等。在平台中,将自然资源信息与管制信息进行融合衔接,实现对自然资源生态空间的用途管制,为自然资源空间规划编制提供参考。

  

图5 自然资源与特殊保护区

  ·自然资源与不动产的辅助决策能力

  借助于新一代三维GIS的三维空间分析技术,平台实现对自然资源确权登记、资产评估和资源监管等业务领域辅助决策支撑功能,开发对自然资源大数据的查询检索,水土保持现状评估、国土空间开发建设适宜性分析等应用,为自然资源生态保护提供辅助决策。

  1、自然资源查询检索

  在自然资源三维空间场景中,支持三维空间查询。如在图7中,利用指定三维体对象,查询位于该范围内的地上、地下自然资源,同时对自然资源的属性信息以表格的形式进行展示,为自然资源的统计分析提供支持。

  

图6 查询检索地上地下自然资源

  2、水土保持现状评估

  水土保持是山区发展的生命线,是国土整治、江河治理的根本,是国民经济和社会发展的基础,为实现对山区自然资源科学管理,必须客观、定量的认识和评价水土保持的基本情况及动态变化。目前,SuperMap可根据高程数据三维地形建模成果,利用坡度坡向分析功能为山岭的水土保持状况评估提供依据。

图7 坡度坡向分析助力水土保持规划

  3、国土空间开发建设适宜性分析

  国土空间开发建设适宜性分析是优化国土空间开发格局、合理布局建设空间的依据,是对一定国土空间内自然资源、环境容量和生态服务功能对人类活动的综合支撑水平的综合评价。在大型工程建设前期,如修建穿山隧道时(见图9)需要通过国土空间开发建设适应性分析对该工程进行评价。但在二维GIS中,很难明确该隧道占用的自然资源,特别是地下资源的占用情况;而在三维空间中,就能很好的解决这一问题,可以准确表达占用资源情况,如地表的森林、山岭以及地下的矿产、水资源等。

图8 在隧道建设时进行国土空间开发建设适宜性分析

  结语

  随着国务院机构改革尘埃落定,统一行使全民所有自然资源资产所有者职责,统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责的管理格局已经形成,山水林田湖草的统筹管理与保护变得切实可行。在此基础上,利用新一代三维GIS技术实现自然资源与不动产信息的一体化管理成为必然,但在此过程中仍有很多工作需要开展:

  (1)推动自然资源产权法制体系结构建设,形成归属清晰、权责明确、监管有效的自然资源资产产权制度,服务于自然资源的保护和监管。

  (2)推动新一代三维GIS技术的发展。探索改进数据模型的表达与实现,不断融入新型数据,丰富三维空间分析能力,提供性能更高、功能更全、可视化效果更好的三维GIS技术支撑。

  (3)推进基于新一代三维GIS技术的自然资源与不动产登记信息平台建设,实现对自然资源与不动产的精细化、真实化、实用化的表达,为资源管理提供决策支持,实现自然资源的智能化管控。

  参考文献

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