基于三維GIS在城鎮(zhèn)地籍中的應(yīng)用研究

胡黎明，蘇達(dá)，王樹文

（1.天津市測(cè)繪院，天津 300381；2.天津市國(guó)土資源測(cè)繪和房屋測(cè)量中心，天津 300051）

1 前言

隨著近年來(lái)土地管理工作的不斷深化，我國(guó)城鎮(zhèn)已基本建立了以宗地為基礎(chǔ)的地籍信息系統(tǒng)，這是一種二維平面地籍，主要記載了土地在二維平面空間的信息。然而當(dāng)前人口和產(chǎn)業(yè)在城市的不斷集聚導(dǎo)致城鎮(zhèn)人地矛盾日趨緊張，為了集約和節(jié)約用地，土地利用的立體化趨勢(shì)越來(lái)越明顯。以地表為核心的傳統(tǒng)土地權(quán)利法規(guī)和地籍系統(tǒng)，已經(jīng)不能滿足人們對(duì)三維空間的占有和使用，特別是當(dāng)與同一土地表面相關(guān)的空間歸屬權(quán)不同時(shí)，基于二維地表的傳統(tǒng)土地登記和地籍系統(tǒng)將無(wú)法清晰的界定土地的權(quán)利空間。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）已在國(guó)土行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，目前在國(guó)土行業(yè)中的廣泛應(yīng)用主要還是基于二維的地理信息技術(shù)系統(tǒng)，其空間表現(xiàn)和分析能力都有著一定的局限性。

因此，可以結(jié)合三維GIS技術(shù)建立一個(gè)規(guī)范、完整、適合本地區(qū)特點(diǎn)的新型地籍管理信息系統(tǒng)來(lái)解決土地利用向空間多元化發(fā)展中產(chǎn)生的問(wèn)題。近年來(lái)，許多國(guó)家已開(kāi)始探索和建立三維地籍管理信息系統(tǒng)，部分成果已應(yīng)用于地籍管理實(shí)踐中。我們?cè)谔旖虻貐^(qū)地籍信息系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)踐中也進(jìn)行了有益的探索，對(duì)于規(guī)范地籍管理工作，科學(xué)開(kāi)發(fā)土地資源和保證土地可持續(xù)利用，具有重要的指導(dǎo)作用和廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文以天津市城鎮(zhèn)三維地籍管理系統(tǒng)為例，分析討論了三維GIS應(yīng)用于城鎮(zhèn)地籍系統(tǒng)建設(shè)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2 三維地籍與二維地籍關(guān)系與區(qū)別

作為一個(gè)現(xiàn)代地籍系統(tǒng)，應(yīng)該能夠體現(xiàn)出一個(gè)原則，即不動(dòng)產(chǎn)權(quán)利始終授予人們享有立體空間的權(quán)利而不僅僅是平面上的權(quán)利，否則土地的利用就無(wú)從談起，不能充分滿足實(shí)際需要的地籍模式有必要進(jìn)行變革。三維地籍在地籍的概念中引入了三維產(chǎn)權(quán)（空間產(chǎn)權(quán)）的含義，它在制定城市規(guī)劃和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)方面比二維地籍更具有優(yōu)勢(shì)，是土地利用空間多元化發(fā)展的必然結(jié)果，同時(shí)符合地籍多用途功能實(shí)現(xiàn)的要求。

三維GIS與二維GIS一樣，需要具備最基本的空間數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表現(xiàn)等。相比于二維GIS，三維GIS具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）空間信息的展示更為直觀。從人們懂得通過(guò)空間信息來(lái)認(rèn)識(shí)和改造世界開(kāi)始，空間信息主要是以圖形化的形式存在的。然而，用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，只有專業(yè)的人士才懂得使用。相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺(tái)，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，人們結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)就可以理解，從而做出準(zhǔn)確而快速的判斷。毫無(wú)疑問(wèn)，三維GIS在可視化方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。雖然三維GIS的動(dòng)態(tài)交互可視化功能對(duì)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件也提出了特殊的要求，但是一些先進(jìn)的圖形卡、工作站以及帶觸摸功能的投影設(shè)備的陸續(xù)問(wèn)世，不僅完全可以滿足三維GIS對(duì)可視化的要求，還可以帶來(lái)意想不到的展示和體驗(yàn)效果。

2）多維度空間分析功能更加強(qiáng)大。空間信息的分析過(guò)程，往往是復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和抽象的，在數(shù)量繁多、關(guān)系復(fù)雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒(méi)分析、地質(zhì)分析、日照分析、空間擴(kuò)散分析、通視性分析等高級(jí)空間分析功能，二維GIS是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。由于三維數(shù)據(jù)本身可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強(qiáng)大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現(xiàn)了GIS的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

構(gòu)建三維地籍管理信息系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），不僅是對(duì)天津市國(guó)土資源與房屋管理局“一張圖”管理、土地管理精細(xì)化及二維地籍圖運(yùn)用的延伸，還是對(duì)三維地圖與城鎮(zhèn)地籍管理相結(jié)合的綜合應(yīng)用，該系統(tǒng)還具有表達(dá)上的直觀性，交互操作的靈活性等特點(diǎn)，為國(guó)土資源部門提供了一個(gè)直觀、多用途的智能化工作平臺(tái)。

本文以研發(fā)天津市三維地籍管理信息系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱三維地籍系統(tǒng)）為例，提出了構(gòu)建一種基于三維地理信息技術(shù)的地籍管理信息系統(tǒng)的方法。

3 三維地籍信息系統(tǒng)建立的技術(shù)支撐

地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感和航空攝影技術(shù)經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的發(fā)展，目前在建立三維地籍管理信息系統(tǒng)上已經(jīng)具備了以下成熟的技術(shù)：

1）三維數(shù)字地面模型最初作為一個(gè)三維空間信息表達(dá)方式，不僅能夠表達(dá)三維地表模型，還可以在上面疊加矢量空間數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，以及三維地物模型。

2）衛(wèi)星或航空攝影能提供高分辨率遙感影像的數(shù)據(jù)采集手段，采用衛(wèi)星遙感如QuickBird能夠提供分辨率為0.61M的衛(wèi)星影像，航空攝影能夠提供分辨率更高的影像，高分辨率的影像也能提供更為直觀的地物景觀，數(shù)字地面模型和影像數(shù)據(jù)以及矢量可以融合表達(dá)。

3）目前市場(chǎng)上主流的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件，如ArcGIS，已具備了建立、展示數(shù)字地面模型的功能，包括實(shí)現(xiàn)將影像、二維平面及三維地物模型疊加在三維數(shù)字地面模型上進(jìn)行瀏覽、漫游的功能。

基于以上技術(shù)條件，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)三維地籍管理信息系統(tǒng)的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。雖然在法律上沒(méi)有對(duì)三維權(quán)利建立完整的體系，但三維地籍是未來(lái)地籍發(fā)展的趨勢(shì)。它將在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，不斷促進(jìn)土地的集約利用和不斷完善土地市場(chǎng)。

4 數(shù)據(jù)來(lái)源

天津市三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)源分為三類：一是三維地形數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)由數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字正射影像圖（DOM）融合而成；二是三維地物數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)一般以二維矢量數(shù)據(jù)、地物高度數(shù)據(jù)及地物實(shí)景照片為基礎(chǔ)，使用三維建模軟件建模而成。三是地籍?dāng)?shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)主要包括帶有高程信息的宗地、界址點(diǎn)、界址線、測(cè)量控制點(diǎn)、房屋等地籍要素的三維數(shù)據(jù)。其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)構(gòu)成及來(lái)源

其中，數(shù)據(jù)高程模型根據(jù)外業(yè)對(duì)所有點(diǎn)的高程測(cè)量，通過(guò)ArcGIS的3D Analyst功能對(duì)所有高程點(diǎn)創(chuàng)建數(shù)字高程模型。數(shù)據(jù)正射影像通過(guò)ArcGlobe從Esri公司的影像庫(kù)中下載。二維矢量數(shù)據(jù)、地物高度數(shù)據(jù)、地物實(shí)景照片直接從外業(yè)測(cè)量和地籍調(diào)查獲得。

在三維建模之前，需要對(duì)建模所需的源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以保證建模工作的有序進(jìn)行。預(yù)處理的內(nèi)容包括糾正二維矢量數(shù)據(jù)空間位置的偏差與錯(cuò)位，制作表面紋理，閉合處理建筑物的輪廓線以及將處理好的建筑物數(shù)據(jù)與樓高標(biāo)注信息進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)等。三維展示見(jiàn)圖2。

圖2 小區(qū)三維展示

5 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

天津市城鎮(zhèn)三維地籍管理系統(tǒng)采用基于ArcEngine技術(shù)的集成開(kāi)發(fā)模式，以Windows系列平臺(tái)為操作系統(tǒng)，以Microsoft Visualstudio.Net IDE為編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層利用ArcGIS的GeoDatabase數(shù)據(jù)模型進(jìn)行二維和三維空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架如下圖3所示，數(shù)據(jù)層采用PGDB和Oracle Database結(jié)構(gòu)。

圖3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架

本系統(tǒng)是在獲取三維城鎮(zhèn)地籍要素的基礎(chǔ)上，采用軟件的形式滿足城鎮(zhèn)地籍信息管理的需要，在二維城鎮(zhèn)地籍系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加三維真實(shí)場(chǎng)景展示和三維信息的查詢統(tǒng)計(jì)分析等功能。下圖體現(xiàn)了整個(gè)三維系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，軟件系統(tǒng)所處的位置以及所能提供的功能。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

6 系統(tǒng)功能

為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)地籍?dāng)?shù)據(jù)空間組織和查詢，虛擬現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)、數(shù)據(jù)管理與分析的需要，系統(tǒng)提供以下功能：三維展示功能、三維查詢分析功能和地籍信息管理基本功能。

6.1 三維場(chǎng)景展示

提供三維真實(shí)場(chǎng)景展示功能，提供放大、縮小、漫游、導(dǎo)航、飛行等基本空間瀏覽功能，主要包括以下幾個(gè)方面：1）放大和縮小操作；2）全圖操作；3）導(dǎo)航模式；4）飛行模式；5）移動(dòng)操作；6）旋轉(zhuǎn)操作。

6.2 三維信息查詢與分析

（1）屬性查詢功能

屬性查詢是指在三維可視化場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)交互的進(jìn)行地物——屬性信息的雙向查詢，包括顯示選中地物名稱等屬性信息，顯示三維場(chǎng)景中各種地物的名稱、信息及三維空間坐標(biāo)，或已知地物的屬性信息，對(duì)三維場(chǎng)景中的該屬性地物進(jìn)行定位查詢等。

屬性查詢應(yīng)立足于國(guó)家城鎮(zhèn)地籍標(biāo)準(zhǔn)，提供對(duì)于宗地?cái)U(kuò)展屬性查詢、掃描件查詢、圖形屬性的自定義條件查詢功能。

（2）分析

可以實(shí)現(xiàn)基于DEM和Model的三維空間距離量算、地表距離量算、面積量算、地表面積量算等分析功能，在滿足國(guó)土業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，也可以用于工程、規(guī)劃、水利等行業(yè)的基本應(yīng)用。

（3）交互式定位功能

包括以下幾個(gè)方面，可以縮放到某一具體圖層，在查詢到某些空間要素后，可以縮放到該要素的具體位置；列出該地區(qū)一些標(biāo)志性建筑或者地址，然后可以快速定位到該處；通過(guò)對(duì)宗地權(quán)利人、坐落或地號(hào)的模糊查詢，進(jìn)行快速定位；標(biāo)簽功能，可以創(chuàng)建標(biāo)簽，之后按照標(biāo)簽位置進(jìn)行快速定位。

圖4 垂直距離量算

（4）二維與三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

比如在二維視圖與三維視圖中進(jìn)行目標(biāo) （如建筑物）屬性信息查詢的時(shí)候，相對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景或二維地圖中的同一目標(biāo)高亮顯示。

6.3 地籍信息管理

（1）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能

根據(jù)數(shù)據(jù)成果統(tǒng)計(jì)出地類現(xiàn)狀匯總表，可以根據(jù)宗地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和根據(jù)圖斑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；根據(jù)數(shù)據(jù)成果統(tǒng)計(jì)城鎮(zhèn)土地強(qiáng)度表，提供城鎮(zhèn)宗地容積率、密度計(jì)算，城鎮(zhèn)房屋隸屬宗地計(jì)算，提供宗地橢球面積、平面面積、表面面積計(jì)算。

（2）專題圖功能

根據(jù)數(shù)據(jù)成果產(chǎn)生各種基于宗地的專題圖，包括宗地土地用途專題圖、宗地權(quán)屬性質(zhì)專題圖、宗地土地級(jí)別專題圖、宗地使用權(quán)類型專題圖等。

（3）圖件輸出功能

輸出宗地圖，地籍圖，分幅索引圖，三維宗地示意圖等。

（4）空間分析功能

空間分析包括疊置統(tǒng)計(jì)分析，宗地區(qū)域分析、緩沖區(qū)分析、鄰宗地分析，以上分析是基于二維的；三維的空間分析主要包括等值線分析、坡度坡向分析等。

7 結(jié)束語(yǔ)

三維地籍管理信息系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是集GPS技術(shù)、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等眾多高新技術(shù)于一體的綜合工程。

三維地籍與二維地籍的不同在于：

1.三維地籍建立的基礎(chǔ)是三維空間上的權(quán)利實(shí)體，它的三維邊界是明確的，在空間上是連續(xù)的，而二維地籍建立的基礎(chǔ)是二維平面上的宗地，在平面上具有明確的邊界，而三維沒(méi)有明確的邊界；

2.三維地籍登記的權(quán)利是一個(gè)封閉的實(shí)體，二維地籍中登記的權(quán)利包括從地表到地心和地表以上的所有空間；

3.三維地籍記載了封閉的權(quán)利實(shí)體所有的三維空間信息和屬性信息，而二維地籍記載的主要是宗地二維平面的空間信息和屬性信息，對(duì)三維信息的記載有限；

4.三維地籍可以準(zhǔn)確的反映出土地利用的空間分布情況，二維地籍在土地利用的空間分布上存在著不足。

雖然目前三維地籍的應(yīng)用還存在很多的問(wèn)題，在法律上沒(méi)有對(duì)三維權(quán)利建立完整的體系，在技術(shù)上對(duì)三維地籍的支持也不成熟，但三維地籍是未來(lái)地籍發(fā)展的趨勢(shì)，它將在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越大的作用，不斷促進(jìn)土地的集約利用和不斷完善土地市場(chǎng)。通過(guò)本文中的天津市三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)三維地籍管理軟件對(duì)三維GIS在城鎮(zhèn)地籍管理應(yīng)用中的探索，不難看出三維GIS可以靈活的組織各種空間數(shù)據(jù)及政務(wù)信息，可以直觀、有效的提高管理的效率，降低管理的成本。

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