市级国土空间基础平台设计与关键技术研究*

王利军, 杨军义, 尹盘飞

(1.甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741025; 2.甘肃省测绘工程技术研究中心，甘肃 天水 741000;3.天水三和数码测绘院有限公司，甘肃 天水 741000)

国土空间是生态文明建设的空间载体，是人们生产、生活的空间。2018年3月国务院撤销了国土资源部，新组建了自然资源部，由过去的“小国土时代”进入到“大国土时代”，中央要求建立空间规划体系并监督实施——即将土地利用总体规划、城乡规划、主体功能区规划整合为统一的国土空间规划[1]，这需要建设国土空间基础平台，实现主体功能区战略和各类空间管控要素精准落地，逐步形成全国国土空间规划“一张图”，推进政府部门之间的数据共享以及政府与社会之间的信息交互。同时要依托国土空间基础平台，建立健全国土空间规划动态监测评估预警和实施监管机制。

近年来，国内几乎所有城市都在开展国土空间基础平台建设工作，以期统一土地、主题功能和城乡规划业务审批流程，但由于之前国土和规划部门并未合并，其数据资料、编码分类、业务流程、管理模式、网络环境都不尽相同，因此很少有真正将二者进行统一管理的基础平台，更无法实现在此平台基础上构建的“一张图”系统[2]。在成立自然资源部后的“大国土时代”，通过“健全机制、统一标准、集中管理、互联共享”的模式为建设国土空间基础平台提供了政策保障和现实基础。

1 平台总体架构

市级国土空间基础平台总体架构需立足于空间治理信息化发展的趋势，以信息共享、实施管控和智慧服务为目标，以标准规范体系和信息安全体系为保障，以自然资源云基础设施环境[3]为基础，实现国土与规划业务的一体化管理, 主要包括“一张网”、“一个库”、“一平台”、“若干应用”一体化平台的架构，即采用“1+1+1+N”的分布式架构设计开展平台设计：首先整合基础设施环境形成“一张网”；其次融合现状数据、规划数据、管理数据与社会经济数据与指标模型，形成一个国土空间基础平台，基于此以搭建符合国土空间规划业务需求的“一张图”监管业务平台，并与现有政务审批系统无缝集成，服务于各委办局其他相关业务系统，系统总体架构如图1所示。通过平台一体化, 改变多平台数据管理及调用难的现状, 打破过去国土资源管理与城乡规划管理分离的模式, 融合多源数据, 实现国土与规划业务的一体化管理。“一张图”系统的构建, 为国土空间规划业务办公提供可靠、全面、便捷的数据支撑, 大幅提高行政审批办公效率。

图1 国土空间基础平台总体架构

2 平台技术架构

国土空间基础平台技术架构采用面向服务架构(SOA[4])的理念与方法，这样便于实现跨平台应用系统且具有良好的互操作性，然后利用Web Services[5]技术在异构网络环境中实现松散耦合数据与服务集成，再将地理信息数据服务与功能封装成符合OGC标准规范的接口，这样一个面向服务的国土空间基础平台体系结构就搭建成功了，可以满足国土空间信息共享交换的要求。

国土空间基础平台技术架构分为4个层次，分别是基础设施层、数据层、平台层、应用层，涉及各种类型数据的存储与应用。技术架构的设计考虑良好的兼容性、扩展性与高效性，综合运用虚拟化技术、分布式计算技术、数据仓库技术、地理信息技术、数据挖掘分析技术以及各种非结构化数据专业处理技术，构建平台的技术架构。具体如图2所示。

2.1 基础设施层

硬件基础设施层是将计算资源、存储资源、网络资源等物理资源进行整合，按照云服务模式[6]和云架构建立共享资源池，形成可按需动态扩展的高性能计算环境、大容量存储环境，满足海量国土空间基础数据存储、高并发用户业务办理和信息共享查询，以及各级分节点业务系统接入平台的需要，本项目主要运行在市级自然资源局内网。

图2 国土空间基础平台技术架构

2.2 数据层

数据层主要为国土空间数据资源体系提供存储建设以及数据处理管理等支持。国土空间大数据体系分为现状数据、规划数据、管理数据、社会经济数据等，指标模型体系主要包括指标体系和模型体系。

平台需整合国土空间规划编制、监测评估等所需的数据资源，形成国土空间规划“一张图”，同时将国土空间规划编制、实施、监测、评估、预警过程中涉及的一系列国土空间规划监测指标、业务规则及模型进行信息化建模和维护，建立国土空间规划指标模型库。

2.3 平台层

平台层即构建国土空间基础平台，集数据服务、应用服务、共享服务平台于一体。国土空间基础平台建设集中在国土空间规划数据库，运用大数据的理念和建设思路，建成一体化数据库和云管理与服务平台，通过云管理与服务平台的分析与决策支持能力建设，作为数据集流通的交通枢纽，在统一集成开发框架下实现数据服务、基础服务、专题服务和接口服务的统一管理与应用服务。

2.4 应用层

应用层通过国土空间基础平台提供的多种服务资源，为决策者、管理者、企业公众提供国土业务应用支持，满足不同行业应用的建设需求。基于应用层需进一步建设国土空间规划“一张图”实施监督信息系统，主要包括国土空间规划“一张图”、国土空间规划分析评价、国土空间规划成果审查管理、国土空间规划监测评估预警、资源环境承载能力监测预警、国土空间规划指标模型管理等。

3 平台关键技术

3.1 Docker构建服务架构技术

Docker是一个开源的容器引擎，它有助于更快地部署、迁移与交付应用系统，让系统运行环境具有很强的灵活性。Docker将应用程序和基础设施层隔离，将基础设施当作程序一样进行管理，主要优势如下[7]：

(1)简化程序，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何Linux机器上。

(2)快速部署，Docker镜像中包含了运行环境和配置，简化部署多种应用实例工作。如Web应用、后台应用、数据库应用、大数据应用比如 Hadoop 集群、消息队列都可以打包成一个镜像后快速部署。

(3)节省开支，Docker改变了高性能必然高价格的思维定势。不仅解决了硬件管理的问题，也改变了虚拟化的方式。

(4)快速迭代，根据泛服务的理念，使用容器作为基础设施，能够实现平台快速部署，快速迭代，轻量化的容器是泛服务的最佳运行环境，能保障运维效率的提升。

(5)集成度高，k8s作为几乎实际默认的容器化平台标准，其集成了配置中心和注册中心，解决了开发配置中心和注册中心的问题[8]。

基于Docker技术可以将基于泛服务架构的国土空间基础平台及其在自然资源管理专题中的应用落地并实现。并通过成熟的Docker容器运维管理，解决快速部署、高可靠稳定运行和自动化监控等问题。

3.2 基于分布式存储的空间大数据分析技术

根据各专业应用系统数据量大且更新频繁的特点，空间大数据分析应用采用基于Hadoop分布式环境进行部署[9]，为满足GIS空间数据实时浏览和快速分析需要，并行计算引擎采用Spark，通过将并行计算引擎Spark部署在分布式集群环境中提高空间数据分析与挖掘的性能，实现在原始数据更新变化时，无需切片缓存即可实时更新浏览，减少空间数据的管理和更新成本。同时基于分布式架构，空间大数据被均匀分布到可以弹性扩展的各个计算节点上，每个计算节点都会参与空间运算分析，实现数据分析的低延迟。

3.3 模型库和规则库智能审查与评估预警技术

模型库和规则库是建立空间规划模型所涉及的规则、数据存取方式及运算所需要的运行程序。在模型库和规则库的概念模式下，空间规划模型可以视为相互协同工作的规则集合，其中,每个规则都会提供特定的能力，执行特定的操作，并以标准形式输出执行结果，以便其他规则了解和调用。通过将构建的空间规划模型中每一条规则与实际的成果数据和参数变量相结合，使其从一个抽象的空间规划模型对象演变成为具备实际业务逻辑关系的空间规划模型实体对象；从而实现一套基于规则库的空间规划模型定量分析与协调的技术方案。

通过该技术构建各类规划和现状的多状态、多环节和多类型的评估模型，捕捉城市用地发展的动态性以及分析各类规划的用地差异，提供用地协调的平台，挖掘存量用地。同时结合人口、用地、设施、控制线等控制指标综合分析，针对现状、规划设施资源的可承载压力、服务范围和覆盖情况进行预判，评估资源配置是否均衡。通过设施覆盖情况的实施监测和及时预警，科学分析设施资源承载力，精准配置资源要素，充实目前尚不完善的现状基础和实施动态数据，实现城市空间更加精细化的城市体检和预警预测，提高居民的满意度和城市生活品质，促进城市发展由增量发展向减量发展、由粗放型发展向高质量发展。

3.4 元胞自动机模型的空间智能模拟技术

基于典型元胞自动机模型，探索“自适应”的持续优化闭环管理体系。典型元胞自动机模型中的SLEUTH模型可对城市增长的时空动态变化进行模拟、对未来土地利用变化进行预测。模型可设置不同城市化概率的排除层以模拟在不同政策下的土地利用增长趋势并动态模拟城市扩展。通过引入空间模拟技术，实现对复杂人地关系演变的模拟呈现，对预测过程中可能会出现的各类空间问题、社会问题及环境问题早发现、早调整、早避免，使国土空间规划始终朝着人地和谐的方向发展，即构成了国土空间规划的适应体系。

3.5 基于因子分析技术的智能化辅助选址

建设项目在进行项目选址过程中经办人会根据不同的项目需求，确定项目地址和项目范围。在以往的处理过程中，先根据项目要求，加上自身对选址区位的了解，在翻阅大量资料、经过很多次的讨论才能拿出一个预选址方案，再经过多次讨论，逐级上报讨论选址地点，选址经办人会将大量的时间放在资料查阅上，导致工作效率相对较低。同时，由于经办人自身知识的局限性，对目前状况了解的局限性导致选址资料无法进行系统分析，甚至无法获取足够的参考资料，导致很多需要考虑的选址影响因子无法考虑周到，项目选址就会受到影响。

通过专业选址模型研究为项目选址提供科学的理论支撑，重点结合空间规划各类控制线将因子进行抽象和结构化，形成选址因子体系，经研究比选采用层次分析法和智能专家打分模型。系统既包含内置选址因子(来自法律法规、规划依据等)，也为用户自主增加因子提供可能，适用于各种类型项目选址，系统根据各影响因子打分规则，实现自动计算打分辅助用户完成比选。依据经济效益、环境效益、规划一致性等因素，建立选址结果的评价体系，系统可自动形成定量化评价报告，为各类型项目量身订做选取建设用地[10]。

3.6 超量信息可视化分析、交互与决策辅助技术

信息可视化(Information visualization)是一个跨学科领域[11]，

旨在研究大规模非数值型信息资源的视觉呈现。在超量信息(超量包含三层意思：一是大量数据、二是数据维度多、三是信息关联复杂)中，信息越多反而越难以找到有用信息。研究创建以数据可视化、信息图形、知识可视化、科学可视化以及视觉设计方面的直观方式传达抽象信息的手段和方法。从大数据分析投资中获得信息的价值关键，将庞大而复杂的数据集变成直观的交互式图像，显著提升行业专家分析能力、洞察事件发展趋势，并有效保证专家决策科学性和实用性。

4 结 论

综上，国土空间基础平台的建设要充分利用云计算、物联网、移动互联网、大数据和GIS等信息技术，高起点、高标准建立了市级自然资源局内统一的基础性平台，包括平台门户、数据中心、计算中心、服务中心、运维中心、配套工具集等功能模块，这是进一步构建国土空间规划“一张图”监管信息等业务系统的基础。这将推进城市空间治理监督，保障规划有效实施，为促进服务型政府，强化国土空间开发做出保障。