国土空间规划与实景三维融合纳入“三维立体自然资源一张图”的技术路径与难点

摘要：“三维立体自然资源一张图”是国土空间基础信息平台及各类应用服务体系的数据基础，也是“数字中国”建设的重要基石。本文探讨的国土空间规划与实景三维仅是“一张图”的组成部分，但依然有着复杂的数据构成。实景三维是三维空间构架和底座，国土空规划是用地管控和实施监督的基础。二者的融合需从数据库最底层的逻辑设计和物理设计入手，逐步解决数据生产、归集、入库、应用各阶段的诸多难题。首先，对国土空间规划进行时空维度的“两级升维”，结合无人机逆向建模技术获取地理实体实景三维数据，通过数据归集初步建立“协调共享、上下联动、时点追溯”的空间大数据;其次，按照“统筹设计、逻辑集成、物理分散”的原则结合数字孪生、人工智能技术横向联动城市信息模型搭建“一张图”主数据库，构建“全域时空模型”，开展仿真模拟、态势预测、推演验证等工作;最后，以场景应用为开发导向形成前端管理平台，最终实现城市高质量和精细化治理的目标。

关键词：国土空间规划 实景三维 城市信息模型 城市数字孪生 数字中国

1 背景概述

党的十九大报告提出创新引领建设数字中国。《自然资源部信息化建设总体方案》[1]指出，自然资源数据是基础性、战略性信息资源，自然资源信息化是“数字中国”建设的基础支撑，“三维立体自然资源一张图”是国家自然资源“一张网、一张图、一个平台和三大应用体系”的核心构成部分。

回望“一张图”的前世今生，是为解决国土与城规部门数据的互通障碍、打破规划设计与审批监管的隔阂而提出的。原国土部“土地二调”（2007）和原住建部“城乡规划法”（2008）出台之后，各自启动了基于自身规划事权的“一张图”系统的工作。自然资源部成立后，“建立国土空间规划体系并监督实施的意见”（2019）提出了建设全国国土空间规划“一张图”的要求，伴随着国土空间规划的推进“一张图”实践进入快车道，业界普遍认为这是根源上破解传统规划弊端的关键[2]。《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》和《实景三维中国建设技术大纲》（2021）的印发，标志着“一张图”进入“三维立体”阶段，对打造数字中国统一的空间基底具有重大意义[3-4]。

按照当前主流理解，国土空间规划“一张图”尚停留在“二维平面”阶段，下文所探讨的“一张图”特指“三维立体自然资源一张图”，作为国土空间基础信息平台及各类应用服务体系的数据基础，是运行在保密内网上的庞大数据库集。笔者认为，“一张图”应该是以地理实体和地理场景的实景三维为基础，搭载其他实体和物联感知数据，叠加自然资源、国土空间规划和用途管制、社会经济、测绘地信等数据，跨部门协调共享、上下联动、时点追溯的空间大数据体系。

2 自然资源信息化总体框架

2.1 “一张图、一平台、一张网”总体构架

“信息化建設总体方案”提出了“一张图、一平台、一张网”总体构架。“一张图”汇集多部门数据，是陆海相连、集成融合、持续更新的大数据体系;“一平台”是以一张图为支撑的、统一的国土空间基础信息资源与自然资源业务信息化管理服务体系;“一张网”是跨部门、跨区域、跨层级的海量数据处理和业务应用的基础网络系统和设施;“三大应用服务体系”是基于一张图和一张网构建的自然资源调查监测评价、监管决策和互联网政务服务体系（见图1）。

2.2 “一张图”中的国土空间规划和实景三维

国土空间规划是空间发展的指南和可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本依据。其主要任务包括，统筹划定生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界等管控边界，统筹生产、生活、生态空间，实施最严格的耕地保护制度，建立水资源刚性约束制度，建设与资源环境承载能力相匹配、重大风险防控相结合的空间格局。实景三维是对生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化表达的数字虚拟空间，是新型基础测绘标准化产品，其数据由空间数据和物联感知数据两部分组成。

纵观信息化总体框架，自然资源监测九大库是“一张图”的基础数据底图，以实景三维为代表的数据库是“一张图”的三维空间基底，而国土空间规划数据库侧重用地管控和实施监督。不难看出，国土空间规划和实景三维数据都是“一张图”核心数据库的重要组成部分，但是，如果把“三维立体自然资源一张图”看作数字中国空间数据的“星辰大海”，那本文所探讨的国土空间规划与实景三维仅仅是其中的“星海一粟”。即便如此，二者依然各自拥有复杂的构成和数据集。

2.3 实景三维与城市信息模型、城市数字孪生

国家“十四五”规划对“数字中国”目标提出了更为具体的要求，“建设智慧城市和数字乡村，以数字化转型驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”。在此目标指导下各部委都提出信息化建设的要求，空间建模领域除了自然资源部的“实景三维”外，住建部印发了《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》，工信部信标委发布了《城市数字孪生标准化白皮书（2022版）》。

城市信息模型[5]强调对城市物质空间对象的数字化表达，以数字三维模型为载体关联社会实体、建设行为、监测感知等信息构建城市信息的有机综合体。城市数字孪生[6]则是运用数字化技术融合城市物理空间、社会空间和数字空间，创建城市物理实体的虚拟映射，借助历史数据、实时数据、空间数据以及算法模型进行仿真、预测、交互和控制城市物理实体全生命周期过程。

由此可见，城市信息模型和城市数字孪生都是“城市”为工作对象，以智慧城市为专业目标的，这与“实景三维”还是存在着较大差异。不管是进展进度、囊括信息，还是终极目标，融合实景三维的“一张图”显然拥有更大的理想和完整的数据体系，有望最终真正成为未来“数字中国”的统一空间基底。

3 国土空间规划和实景三维的数据融合和应用

当下，“一张图”的构建并非从零开始，自然资源部继承了原国土部的成果，各职能部门工作中也积累了大量数据，如自然资源监测数据、基础地理数据、自然资源和不动产数据、遥感影像数据、国土调查数据、测绘地信数据、规划及管控数据等。“一张图”的应用会根据场景不同采用B/S或C/S不同模式，对于“公共云”主要通过B/S提供查询服务和政务服务，地图API等少量公共服务也会采用C/S模式。对于“私有云”（涉密内网）主要以C/S模式为主来完成数据归集、查询比对、联合审批等工作。

2019年以来，各类数据库方案和标准密集出台，为构建统一坐标系、统一标准、统一时点和融合开放的“一张图”提供了基础保证。

3.1 数据生产、融合和应用

笔者结合实践和规程，对“一张图”数据生产流程进行梳理，主要是通过数据生产、归集、清洗入库三步形成核心数据库、扩展数据库和业务数据库，进而针对不同场景提供不同的数据服务（见图2）。

3.2 数据分类、结构和内容

3.2.1国土空间规划数据库

考虑到国土空间规划数据的实际特点，市县级国土空间规划汇交成果数据库主要由要素表格和要素图层两个部分，采用分层的方法组织数据库成果[7]，因此便于通过WebGIS技术实现数据的查询、统计和可视化。

国土空间规划数据包括现状数据、规划数据和管理数据3个部分。其中，现状数据以国土三调和历年变更调查为基础，同时融合资源环境承载力评价和国土空间开发适宜性评价的核心结论。规划数据主要包括三线管控、规划分区管控等各类控制线及控制要求。管理数据是指涉及用地审批、规划许可、项目许可、土地供应、生态修复和综合整治、矿产资源和海洋海岛等各类自然资源行政事务和证照库（见图3）。

3.2.2实景三维数据库

实景三维与国土空间规划的数据生产方式和存储方式皆不同，首先结合实际需求确定地形级、城市级和部件级实景三维测绘范围，然后分步实施测绘获得基础数据，而后内业完成模型匀色、单体分割、模型细修、标注入库等环节。实景三维的文件存储是采用地图瓦片技术的金字塔文件格式，由此DEM、DOM、TDOM等数据需分层加载、分层管理。通过单体模型库与城市信息模型的横向有机结合进行跨部门数据整合，真正实现“一张图”索引各部门数据（见图4）。

3.3 国土空间规划和实景三维的融合路径

当前，国土空间规划数据库结构和设计的要素、类、层和属性字段已经形成了相对完善的结构体系。而实景三维生产方式和存储方式决定了还需要后期加工方可入库，如模型单体化、模型数据化等，对于数据的深化和完善尚有较多细节需探讨[5]。

总体思路是，以地形级和城市级实景三维为基底，国土空间规划、城市信息模型逐层叠加展示，在此思路基础上进行数据库逻辑设计和物理设计。数据库逻辑设计的核心在于用统一的网络编码对实体数据进行编码，主要字段继承国土三调和自然资源监测数据，统一新增时点（TIME）、状态（STATE）、来源（SOURCE）等扩展字段，其他字段扩展根据实际业务需求确定。数据库物理设计需根据数据类型、存储模式、软件支撑、硬件环境等要素来综合确定，国土空间规划数据主要以矢量数据和栅格数据形式存在，实景三维数据主要采用非关系型数据库按照LOD分级进行分片存储，然后采用R-tree空间索引算法与其他空间数据建立关联以支持二维和三维查询。

3.4 国土空间规划和实景三维的融合难点

“三维立体自然资源一张图”目前整体处于前期探索阶段，单就国土空间规划和实景三维的融合而言也有较多难点尚未完全解决。

3.4.1数据生产阶段

随着无人机的普及，地形级和城市级实景三维数据采集都可以依靠无人机来实现[8]，后期使用大疆智图、ContextCapture等倾斜摄影建模软件制作DEM、DOM和实景三维模型，该方法即“逆向建模法”。为实现实景三维B/S网页端调用还需要对模型进行“切片”处理，将其转换为金字塔以保障加载的顺畅。技术的日臻成熟使得无人机大尺度倾斜摄影建模成为可能，但依然要面临海量影像采集、运算和存储难题，后续模型匀色、模型单体化和建库入库等需要持续较大的投入，建设过程中要还要解决实景三维数据资源的局部性、滞后性、质量不统一等问题。

前文所述，国土空间规划多理解为二维空间尺度，与实景三维的融合就需要解决二维信息“升维表达”的问题，一方面是将“二维”转为“三维”，另一方面是增加“时间维度”。前者通过对二维的点、线、面结合数字高程数据（DEM）转换为三维点、线、面，后者主要是通过扩展数据库时点（TIME）字段来实现。因自然资源实体形态、变化周期存在巨大差异，时点数据采用多大的“颗粒尺度”还需要考虑数据获取频度来统筹确定。

3.4.2数据归集阶段

城市数据的所有权和使用权界定尚缺法律法规的约定，因事权分工导致部分数据沉淀在不同的部门和企业，跨部门、跨业务的协作机制也未完全建立。实景三维、城市信息模型与城市数字孪生，从数据上来讲是存在交叉重叠的。不难设想，以业务为导向采用“统筹设计、逻辑集成、物理分散”原则推动“一张图”建设是较为务实可行的方案。如何实现数据的纵向和横向互融共通、协同运作依然是当前亟待破局的难题。

3.4.3数据应用阶段

探索阶段的“一张图”对使用场景预判有限，目前主要以静态分析和可视化展示为主，融合性、动态性、时效性应用较为缺乏。需要以场景应用为开发导向，引入人工智能、数字孪生、动态监测，结合过往时点构建“时空模型”开展仿真模拟、态势预测、推演验证方能最大化挖掘“一張图”在未来城市治理中的价值。

另外，“一张图”分布存储技术是物理上分散各数据库到具体职权部门，依托涉密内网进行集成和整合，形成逻辑一致的“集成数据库”来实现“一张图”的跨部门应用。该设计思路必然面临数据可用和数据安全的考验，因此需要设计一套专业管理系统来实现数据调度、权限管控和运维监管。

4 “一张图”构建的思考

“三维立体自然资源一张图”是庞大的数据体系，也是“数字中国”建设的重要基石。“一张图”建设不可能一蹴而就，需要经过漫长的打磨过程。

首先，体系构建标准先行。“一张图”建设工作当前尚处于起步阶段，标准和规则缺失现象较为突出。相较于国土空间规划，实景三维、城市信息模型尚停留在大的构架搭建层次，还有较多技术细节和标准需要不断完善。若前期数据标准不统一，后期很难实现互联共通，也会导致重复建设、资源浪费、内耗严重等诸多问题，难以形成科技和技术创新合力。其次，应用导向技术创新。“一张图”整体技术复杂度较高、城市级大数据归集和跨部门行业应用尚不成熟，算法模型与动态数据融合不够，数字空间的模拟仿真、态势预测等价值还未释放，关键技术融合应用亟待加强。

“一张图”的建设通过融合技术优势、人才优势、创新优势，推动政府、企业等多方参与形成一体化解决方案，定能实现推动城市高质量和精细化治理的宏伟目标。

参考文献

[1]自然资源部信息化建设总体方案[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-11/23/content_5454833.htm.

[2]罗瑶，莫文波.“多规合一”背景下的国土空间规划“一张图”建设[J].湖南城市学院学报：自然科学版，2021，30（1）：40-44.

[3]自然资源三维立体时空数据库主数据库设计方案[EB/OL].http：//gi.mnr.gov.cn/202110/t20211013_2684557.html.

[4]实景三维中国建设技术大纲[EB/OL].http：//gi.mnr.gov.cn/202108/t20210816_2676831.html.

[5]城市信息模型（CIM）基础平台技术导则[EB/OL].http：//www.fangchan.com/policy/34/2021-06-01/6810406747564741452.html.

[6]城市数字孪生标准化白皮书[EB/OL].http：//www.cesi.cn/cesi/202201/8208.html.

[7]市级国土空间总体规划数据库标准[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-04/07/5598163/files/8eaa633aa0bb4905bbf11e1674156e08.pdf.

[8]韩科成，耿玉秀.无人机低空摄影在城市规划领域中的应用[J].江西建材，2018（3）：24-25，28.

作者简介：韩科成（1985—），男，硕士，注册城乡规划师，主要从事法定规划编制工作。