自然资源时空数据模型构建方法研究
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【作者信息】
刘剑炜，高 崟，赵文豪，翟召坤，吴晨琛
国家基础地理信息中心，北京 100830
【摘要】针对基于山水林田湖草是生命共同体的系统思想，本文研究设计了一套基于混合建模的自然资源时空数据模型构建方法。该方法集成并扩展了实体表达、时空演变、地球空间网格、业务关系等多种模型，从而满足了自然资源在时间、空间、语义、管理、服务等方面一体化表达的需要。
【关键词】实体模型；时空模型；地球空间网格模型；业务关系模型
【中图分类号】P208
【文献标识码】A
【文章编号】1672-1586（2021）05-0042-05
引文格式：刘剑炜，高 崟，赵文豪，等.自然资源时空数据模型构建方法研究［J].地理信息世界,2021,28(5):42-46.
正文
0 引 言
党的十八大以来，党中央高度重视生态文明建设。基于山水林田湖草是生命共同体的系统思想，遵循新发展理念和高质量发展要求，迫切需要对土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛等各类自然资源，统筹构建时间、空间、语义、管理、服务等方面一体化表达的数据模型，从而准确反映自然资源实体的时态、位置、数量、质量、生态五位一体的时空及属性关系，有效支撑自然资源空间分布及变化的科学表达、精准测定和高效分析。当前国内外在空间建模、时空建模 、语义概念建模等方面研究较多，但面向自然资源全要素立体综合管理的全要素、全空间的模型研究较少。本文立足当下自然资源调查监测现状，着眼未来自然资源管理需求，提出了一套基于混合建模方法的自然资源时空数据模型，为实现各类自然资源一体化统一管理提供技术支撑。
1 建模原则与要求
1.1 主要原则
１）系统性。针对统筹推进山水林田湖草系统治理需求，以系统思维、整体观念，充分融合土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛等各类自然资源，统一建模重构和重组，全新构建自然资源时空数据模型。
２）先进性。以现代信息技术为支撑，创新运用国内外先进的建模理论、方法与技术，既要满足当前自然资源综合管理的业务需要，又要着眼未来，满足自然资源综合管理向精细化、全空间、全信息逐步发展的要求。
３）实用性。考虑自然资源调查监测数据成果的实际情况，紧密结合自然资源综合管理各项业务的需要，数据模型能够直接支撑自然资源调查、监测、分析、评价等各项业务工作。
４）衔接性。遵循自然资源调查监测相关国家标准与行业规范，与当前主流的地上与地下二三维数据模型进行有序衔接，实现各类自然资源数据的高效集成。
1.2 基本要求
１）实体表达，支持分析评价。对自然资源实体空间特征进行准确表达，真实描述实体在空间上的位置、方位、形状、范围、大小、方向、高低、分布和走向等特征信息。空间信息支持几何解析、测量和剖分等分析评价。
２）空间分层，支持立体管理。对自然资源实体进行空间分层。分为地下资源层、地表基质层、地表覆盖层、管理层。根据具体业务场景对分层进一步剖分与细化。
３）时间分期，支持演变描述。完整记录自然资源实体的形成时间和消亡时间。形成时间，记录自然资源调查监测数据的采集、处理、建库和更新等过程的实际形成的时间。消亡时间，记录自然资源实体毁灭、拆除或消失的实际时间。
４）网格编码，支持地理分区。对自然资源实体空间位置进行网格编码。基于全球多级网格剖分，建立自然资源实体与网格关系，创建自然资源实体全球统一的空间身份编码，通过编码实现自然资源实体空间位置分区。
５）关系构建，支持业务应用。基于语义与场景建立自然资源实体之间的关系，包括如空间关系、时序关系、组成或构成关系、聚集或聚合关系、依赖或从属关系、概括或泛化关系等信息，实现自然资源实体业务上的逻辑关联。
2 建模方法与流程
自然资源三维立体时空数据模型是自然资源在时间、空间、语义、管理、服务等方面一体化表达的实体模型，针对自然资源的空间表达、孕育发展、立体关系、业务应用等方面，对实体表达模型、时空演变模型、地球空间网格模型、业务关系模型等建模方法进行了综合与扩展，实现对各类自然资源的统一建模。
2.1 实体表达模型
实体表达模型是针对真实世界的自然资源对象，基于统一的空间坐标系统，运用多类实体表达建模方法，进行抽象和全空间表达，实现客观事物在计算机中的数字化模拟。
考虑到自然资源调查监测数据成果的实际情况，大多成果数据以二维的点、线、面方式记录，少数成果数据，如部分地表基质调查数据、矿产资源数据、地下空间资源调查数据具有三维立体空间信息，实体表达模型需兼顾当前自然资源空间数据的主流表现形式与未来调查监测直接获取三维空间信息的趋势，具备二三维一体化表达能力，满足不同场景的应用需求。
2.1.1 二维空间的实体表达
1）点状自然资源实体。当自然资源实体具有位置信息，其空间信息记录为单个的带有属性值的经纬度坐标或直角坐标时，可以用二维点表达其几何形态。如某一钻孔点可用二维点表示。
2）线状自然资源实体。当自然资源实体具有位置信息与长度特性，其空间信息记录为一系列有序的带有属性值的经纬度坐标串或直角坐标串时，可用二维线表示其几何形态。
3）面状自然资源实体。当自然资源实体具有位置信息与面积特性，其空间信息记录为一系列有序的带有属性值的经纬度坐标串或直角坐标串，且最后一个点的坐标与第一个点的坐标相同时，可用二维面表示其几何形态。如某一灌木林地范围可用二维面表示。
2.1.2 三维空间的实体表达
1）点状自然资源实体。当自然资源实体具有位置信息、高程信息时，可以用三维点表达其几何形态，如具有高程信息的一棵树可用三维点表示。
2）线状自然资源实体。当自然资源实体在具有位置信息、长度特性的基础上，还具有高程信息时，可用三维线表示其几何形态。如具有高程信息的一条沟渠可用三维线表示。
3）面状自然资源实体。当自然资源实体在具有位置信息、面积特性的基础上，还具有高程信息时，可用三维面表示其几何形态。如山坡上的乔木林地可用三维面表示。
４）体状自然资源实体。三维几何单形，三维空间中一个区域的连续映像。在三维空间中，森林、地表基质、矿产资源、地下水等自然资源实体可采用体模型进行几何表达。根据地上、地下各类自然资源实体的不同建模需求，设计采取主流、通用的建模方法构建体模型，包括了基于面元模型构模、基于体元模型构模、基于面-体混合构模等多种构模方式。
2.1.3 二维信息升维表达
对于目前以二维方式记录空间信息的自然资源调查监测成果数据，可通过二维信息升维表达的方式，实现三维可视化表达，满足三维场景下的自然资源实体信息查询、检索和分析，主要有以下两种方式：
１）二维点、线、面升维构建三维点、线、面。将二维的点、线、面信息，利用数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）等构建的三维空间基底，获取自然资源实体的高程信息，实现二维点、线、面到三维点、线、面的升维。
２）二维面升维构建三维体。对于具有升维意义的二维面，将其升级为依三维空间基底的三维体块，体块的轮廓和空间位置来自二维面，底面高程信息来自三维空间基底。
2.2 时空演变模型
针对自然资源动态监测和精细化管理需要，构建面向对象的时空演变模型，用于表征自然资源实体的形态、拓扑和属性随时间流逝而变化或维持原状的过程，具备支持现实世界中自然资源实体对象的连续变化或离散变化的能力，实现自然资源实体全生命周期跟踪管理。
2.2.1 时空演变全过程记录
在面向实体的时空演变模型中，将自然资源实体视为空间和时态的统一体，即将随时间变化而变化的空间属性和专题属性作为自然资源实体的自身特性，然后通过唯一编码对自然资源实体进行标识，实现时空演变与自然资源实体的紧密关联。定义自然资源实体O为：
式中，UID为自然资源实体O的唯一标识码；S(t)为自然资源实体在特定空间坐标系下随时间变化的空
间特性；T(Tb，Te) 为自然资源实体的状态发生改变的时间域，即产生、消亡时间；Tb，Te分别表示产生时间和消亡时间；A为自然资源实体的行为操作，即实体的时间、空间和属性的运算操作；P1(Tb，Te)、P2(t)，P3()...... 为自然资源实体属性特性，即时间域的、时间点的、时间无关的，等等 。
2.2.2 时空演变动态化表达
时空演变模型记录自然资源实体产生时间、消亡时间，以及在各时间点的空间形态和属性信息，沿时间维可动态展现自然资源实体从产生到消亡全生命周期的时空演变过程。
以具体的自然资源实体为例，T1时刻有一耕地实体O1，由于O1坡度大于25°被划为退耕还林的范围，土地用途变更后，在T2 时刻原耕地实体O1所占空间位置产生了新的林地实体O2，原耕地实体O1消亡，其时空演变动态表达过程如图1所示。
图 1 时空演变动态表达示例
Fig.1 Example of dynamic expression of temporal and spatial evolution
2.3 地球空间网格模型
地球空间网格模型是基于全球多级网格剖分，将自然资源实体占据的立体空间统一剖分成不同尺度的网格单元，建立自然资源实体与网格关系，创建自然资源实体全球统一、唯一空间身份编码。通过自然资源实体空间身份编码，实现自然资源实体空间快速定位，地上地下立体关联信息查询、分析。
2.3.1 网格剖分
在国标《地球空间网格编码规则》（GB/T 40087）的基础上，根据自然资源实体的具体特性和实际应用需求，提出面向自然资源实体的地球空间网格剖分规则。其中，剖分方法、剖分范围、剖分起点、地球参考椭球面网格与高度域的剖分规则、网格定位及边界面归属参考了 GB/T 40087 执行。
对于网格剖分等级的划分，综合考虑各类自然资源实体在现实世界中所占立体空间的尺度以及相应空间数据的精度要求，将地球空间网格设计分为度网格、分网格、秒网格、秒以下网格4类27级，其中秒以下网格采用22～26级。
2.3.2 网格编码
地球空间网格编码是在网格剖分的基础上建立的，由地球参考椭球面网格编码和高度域编码构成。编码规则、编码顺序以及编码计算方法参照GB/T 40087执行。其中编码规则将最长编码长度设计为26位，秒级以下编码为5位。
2.4 业务关系模型
业务关系模型用于描述自然资源实体间的业务逻辑关联关系，便于快速搭建不同的业务场景所需的数据集和业务规则，提升数据快速应用、精准服务价值。业务关系模型的建立主要有两种层次：基于语义建立关联和基于场景建立关联。
2.4.1 基于语义建立关联
语义可以简单地看作是数据所对应的现实世界中事物所代表的概念的含义。通过语义关联，可以明晰自然资源实体数据间相互关系。基于语义建立的关系包括两种情况：
１）针对各类以第三次全国国土调查为统一底版开展的自然资源专项调查数据，基于自然资源实体一致性关系，建立相关实体与“三调”地类图斑实体的空间语义关联。
２）基于同义性语义信息提取不同专题自然资源数据中同类数据。如通过“湖泊”，提取出水资源中的“湖泊”、湿地资源中的“湖泊类湿地”。
2.4.2 基于场景建立关联
基于场景建立关联，指根据具体业务场景的应用需要，构建自然资源实体数据间的关联关系：
根据数据所属业务类别不同，将各类自然资源数据整合成新的数据集。如根据土地管理需要，将各类土地资源数据进一步概括为农用地、建设用地、未利用地以及管理数据。
根据业务场景应用的具体需求，将各类自然资源数据整合成新的数据集。如按照土地管理要求，将土地资源各业务阶段进行关联，实现非建设用地向建设用地演变、建设用地内部演变、非建设用地内部演变的土地生命周期管理；按照自然保护地管理要求，将保护地范围内的各类自然资源数据整合成专题数据集。
2.5 建模流程
针对客观世界的自然资源对象，首先通过实体表达模型进行抽象建模，形成自然资源实体数据；再通过时态标识扩展时空演变模型，实现时空演变推演；同时通过网格剖分下的地理分区编码，实现实体的分区；最后梳理不同自然资源实体业务关系，构建语义关联和业务场景，满足业务管理需求。自然资源时空数据模型建模流程如图2所示。
图 2 建模流程
Fig.2 Modeling Process
2.5.1 自然资源实体构建
按照统一的调查监测指标体系，基于统一的三维空间框架，构建点、线、面、体等自然资源实体模型。采用传统测量方式采集的自然资源对象，构建二维点、线、面要素模型，记录二维坐标信息，并利用DEM/DSM、三维地表模型等构建三维基底 , 获取二维自然资源对象的高程信息；采用三维测量和建模技术，如立体测绘卫星、激光雷达、倾斜摄影等采集的自然资源对象，构建三维体模型，直接记录自然资源对象的三维坐标信息。最终实现自然资源空间特征的准确表达，支持空间几何解析、测量和剖分。
2.5.2 时态标识扩展
基于自然资源实体模型进行扩展，记录自然资源实体的形成时间和消亡时间，赋予时序特征，形成在时间上的分期和时态关联。最终形成自然资源实体的时间序列信息，支持自然资源实体时空演变的推演。
2.5.3 实体剖分编码
基于自然资源实体模型进行扩展，利用地球空间网格将自然资源实体剖分成不同尺度的网格单元，并按统一编码规则进行标识和表达，实现地上地下自然资源的立体分区和快速检索。
2.5.4 实体语义关联和业务场景构建
以业务需求为导向，梳理不同自然资源实体之间的业务逻辑关系，构建各类自然资源实体的语义关联，快速搭建不同的业务场景所需的数据集和业务规则，满足自然资源综合管理的业务需求。
3 模型实现
1）依据前文设计建模方法，利用UML建模工具，对自然资源时空数据模型进行了概念模型实现，UML设计图如图3所示。模型是以实体为对象，基于点、线、面、体实现几何表达，基于时空过程实现时间分期，基于地球网格编码实现位置分区，基于业务建立逻辑关联，涵盖质量、生态信息，最终实现自然资源一体化表达。
2）自然资源时空数据模型由地表覆盖层、地表基质层、地下资源层和管理层4层架构组成，基于此架构，将土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛等各类自然资源实体进行了分层重组。数据模型构成如图4所示。
图 3 模型 UML 图
Fig.3 UML diagram of model
图 4 模型构成
Fig.4 Model Composition
4 结束语
针对单一模型难以准确反映自然资源实体的时态、位置、数量、质量、生态五位一体的时空及属性关系的问题，本文综合并扩展了实体表达模型、时空演变模型、地球空间网格模型、业务关系模型等，设计构建了一种基于混合集成建模方法的自然资源时空数据模型，较好满足了自然资源在时间、空间、语义、管理、服务等方面一体化表达的需要，也为自然资源三维立体时空数据库建设提供了相关技术参考。
作者简介：刘剑炜（1984—），男，湖北黄石人，高级工程师，硕士，主要从事空间数据库建设、地理信息系统开发与应用等方面的研究工作
E -mail：liujw@ngcc.cn
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