三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的構(gòu)建與技術(shù)實現(xiàn)

王林偉，王向東，張 弛

（1.溫州市土地勘測規(guī)劃所，浙江溫州325000；2.浙江大學(xué)公共管理學(xué)院，浙江杭州310029；3.鄭州大學(xué)公共管理學(xué)院，河南鄭州450001）

1 引言

城市的人口膨脹和經(jīng)濟(jì)聚集造成了城市空間資源的稀缺和人地矛盾的加劇，也促使城市立體化發(fā)展趨勢不斷加強(qiáng)，高層建筑物、地下管道設(shè)施等遍布城市三維空間。與此同時，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展進(jìn)步，土地和房屋權(quán)屬與利用狀況日益復(fù)雜和多樣，空間權(quán)利交叉重疊的現(xiàn)象普遍存在。目前中國實踐中仍普遍采用以宗地為基礎(chǔ)的二維平面地籍和房屋與土地分離登記的管理模式，對地上和地下的三維權(quán)利實體和關(guān)系缺乏有效記錄，對于存在空間權(quán)利交叉、重疊的宗地和房屋之間的拓?fù)潢P(guān)系無法準(zhǔn)確、完整地反映，難以滿足地籍明晰化管理的工作需要。構(gòu)建三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型和建設(shè)三維地籍信息系統(tǒng)成為當(dāng)前地籍管理工作的迫切需求，研究三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的構(gòu)建與實現(xiàn)具有重要的實踐價值和意義。

本文首先對相關(guān)研究進(jìn)行分析評述，在此基礎(chǔ)上基于對三維地籍基本單元和基本構(gòu)成要素的理解構(gòu)建房地合一、便于可視化和拓?fù)浞治?、與地形匹配良好的PNAT三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，并利用浙江省諸暨市區(qū)現(xiàn)有二維地籍和相關(guān)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)模擬實現(xiàn)，從而為三維地籍管理真正地從理論走向?qū)嵺`提供實現(xiàn)路徑和技術(shù)支撐。

2 相關(guān)研究

2.1 三維數(shù)據(jù)模型研究

當(dāng)今社會，在城市、地質(zhì)、海洋等領(lǐng)域都有廣泛的三維管理需求，因而不僅在地籍管理方面，而且在其他許多領(lǐng)域，三維數(shù)據(jù)模型的研究都有充足的動力。目前國內(nèi)外三維數(shù)據(jù)模型方面已有大量的研究成果（表1），這可為三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型研究提供有益參考。

表1 現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)模型分析[1-5]Tab.1 Analysis on the current three-dimensional data model

2.2 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型研究

在實踐需求的驅(qū)動下，三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型引起了相關(guān)國際組織、國家和專家學(xué)者們的熱議和關(guān)注。國際測量師協(xié)會（FIG）從法律、技術(shù)、空間信息系統(tǒng)以及地籍管理模式等方面對三維地籍進(jìn)行討論和研究[6-9]。荷蘭、丹麥、希臘和澳大利亞等國家和地區(qū)也進(jìn)行了建立三維地籍管理系統(tǒng)的嘗試[8，10-12]。國內(nèi)外許多學(xué)者對三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型也展開了研究，取得了豐富的成果[12-21]，其中：Oosterom等[17]提出了地籍領(lǐng)域核心模型（CCDM），該模型具備較強(qiáng)的有效性、通用性和擴(kuò)展性，可避免學(xué)術(shù)界進(jìn)行重復(fù)和低效研究并為不同國家和地區(qū)的交流與探討提供平臺；文小岳等[20]提出了面向地籍的三維數(shù)據(jù)模型（CO3D），給出了二維地籍?dāng)?shù)據(jù)向三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換的具體流程與算法；郭仁忠等[21]提出了以地理空間坐標(biāo)為基礎(chǔ)的“房地合一”三維地籍空間數(shù)據(jù)模型。

對以上研究進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其主要是對現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)模型的延伸與改進(jìn)，大多停留在理論探討方面，而在技術(shù)實現(xiàn)方面較為薄弱和不足，國內(nèi)研究尤其如此。三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的構(gòu)建和實現(xiàn)尚沒有完善的方案和成熟的技術(shù)，有諸多問題遠(yuǎn)未解決，無法滿足現(xiàn)實三維地籍管理工作的需要。

3 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的構(gòu)建

3.1 基本單元—產(chǎn)權(quán)體

如何界定三維地籍基本單元是三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型構(gòu)建研究中的首要問題。結(jié)合現(xiàn)有研究成果和地籍管理需要，可將三維地籍基本單元分為二維宗地、三維宗地以及建筑體三種類型，其中：建筑體是由一組封閉的權(quán)屬界面構(gòu)成的且其內(nèi)部不包含其他權(quán)屬界面的產(chǎn)權(quán)單元，側(cè)重于房產(chǎn)登記方面，可用來代表建筑物中的三維產(chǎn)權(quán)單元，從而與現(xiàn)實世界的三維產(chǎn)權(quán)實體相對應(yīng)；二維宗地適用于宗地在垂直方向上權(quán)屬一致的情形；三維宗地適用于宗地在垂直方向上權(quán)屬不一致的情形。參考史云飛的研究[19]，這三種類型的基本單元可以統(tǒng)稱為產(chǎn)權(quán)體，即空間位置固定、形體閉合以及權(quán)屬一致且獨(dú)立的空間單元，是空間產(chǎn)權(quán)單元物質(zhì)實體和相應(yīng)權(quán)利的結(jié)合體，包含了對三維地籍自然屬性（位置、面積、數(shù)量等）的幾何表達(dá)和對三維地籍法律屬性（權(quán)屬關(guān)系等）的邏輯表達(dá)。

相比二維地籍的基本單元即宗地來說，產(chǎn)權(quán)體在有效地描述和管理復(fù)雜的三維空間權(quán)屬關(guān)系等方面具有以下優(yōu)勢：（1）產(chǎn)權(quán)體是三維地籍登記的基本單元，其三維空間位置固定，且三維空間邊界明確；（2）產(chǎn)權(quán)體是“房地合一”登記模式下土地和房產(chǎn)登記基本單元的集合，包含了土地和建筑物的三維空間信息和權(quán)屬關(guān)系；（3）產(chǎn)權(quán)體是封閉立體空間物質(zhì)實體的概念集合，其三維空間內(nèi)的權(quán)屬是一致且獨(dú)立的。

3.2 基本構(gòu)造要素

三維地籍的建模過程實質(zhì)上是對三維地籍物質(zhì)實體的幾何抽象概括的過程。三維地籍物質(zhì)實體主要可分為點狀地物（0維）、線狀地物（1維）、面狀地物（2維）和體狀地物（3維）4種實體類型。相比二維地籍，三維地籍的物質(zhì)實體類型多出了一個體狀地物的概念，即具備空間位置和表面等屬性且形體閉合的立體地物，如高層建筑物。

現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)模型均是基于一定的構(gòu)建元素組合（表1），如節(jié)點、弧段、邊和面組合（3DFDS模型），節(jié)點、弧段、三角形以及四面體（TEN模型），節(jié)點和面組合（SSM模型和UDM模型）以及節(jié)點、線段和三角形組合（OO3D模型）等。結(jié)合以上相關(guān)研究和實際地籍管理需要，筆者將節(jié)點（Node）、弧段（Arc）、三邊形（Trilateral Figure）作為基本構(gòu)造元素。其中：節(jié)點（Node）是具有三維坐標(biāo)的點；弧段（Arc）是由兩個以上節(jié)點構(gòu)成的具有方向和起止點的線段，可以是直線段或弧形線段。基本構(gòu)造元素的相互關(guān)系為：一個弧段由若干相鄰節(jié)點構(gòu)成；三邊形由至少三個方向一致的弧段圍成的閉合區(qū)域，可以是規(guī)則三角形或不規(guī)則的圓弧三邊形；一個三邊形由三個相鄰且方向一致的弧段構(gòu)成。基本空間要素可基于基本構(gòu)造要素構(gòu)建：一個點要素由一個節(jié)點構(gòu)成；一個線要素由兩個以上節(jié)點構(gòu)成；一個面要素有三個以上相鄰且方向一致的弧段構(gòu)成；一個體要素由4個以上相鄰且方向一致的三邊形構(gòu)成，其中體要素要首先按照一定規(guī)則將其劃分為若干方向一致的三邊形而后再對其進(jìn)行構(gòu)造。

這樣的構(gòu)造元素分類相比其他模型構(gòu)造元素的分類具有以下優(yōu)點：（1）節(jié)點、弧段和三邊形是空間要素的構(gòu)造元素和構(gòu)造單元，其簡單而緊密的聯(lián)系能確保三維地籍空間要素間拓?fù)潢P(guān)系的穩(wěn)定；（2）對空間要素的表達(dá)更加自由多變，有利于復(fù)雜和不規(guī)則空間要素的表達(dá)，對體要素構(gòu)造元素（如四面體概念）的隱性表達(dá)也能減少數(shù)據(jù)冗余等情況；（3）便于拓?fù)浞治龊涂梢暬欣谌S地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的構(gòu)建與實現(xiàn)。

3.3 PNAT三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型

考慮三維地籍管理對象，特別是體狀地物形態(tài)的不規(guī)則性和權(quán)屬關(guān)系的復(fù)雜性，結(jié)合現(xiàn)實三維地籍管理工作的需要，三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型不僅要實現(xiàn)對三維地籍空間對象實體的有效表達(dá)，包括形態(tài)不規(guī)則的產(chǎn)權(quán)體的精確表達(dá)，也要確保三維地籍空間對象拓?fù)潢P(guān)系（鄰接、相離和包含）的明晰，明晰的拓?fù)潢P(guān)系不僅有助于對空間對象的精確表達(dá)，也是進(jìn)行空間分析和計算等數(shù)據(jù)信息深度挖掘和分析的基礎(chǔ)。由于OO3D模型以三維要素間的拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)對空間要素進(jìn)行存儲和管理，具有邏輯關(guān)系明晰、拓?fù)潢P(guān)系明確且易于維護(hù)等優(yōu)點，因此本文在OO3D模型框架的基礎(chǔ)上基于新的基本單元（產(chǎn)權(quán)體）和基本構(gòu)成要素（節(jié)點、弧段、三邊形）構(gòu)建新的PNAT三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型（P、N、A、T分別代表產(chǎn)權(quán)體、節(jié)點、弧段、三邊形）（圖 1）。

圖1 PNAT三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型Fig.1 PNAT three-dimensional cadastral data model

相比現(xiàn)有三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，PNAT模型具有以下幾方面優(yōu)勢：（1）可視化：由于PNAT模型的基本構(gòu)造元素為節(jié)點、弧段和三邊形，利用基本構(gòu)造元素可以對產(chǎn)權(quán)體進(jìn)行空間剖分，有利于實現(xiàn)對產(chǎn)權(quán)體的可視化。特別是通過對形態(tài)不規(guī)則產(chǎn)權(quán)體的三邊形剖分，可以實現(xiàn)對復(fù)雜建筑物的精確表達(dá)。（2）拓?fù)浞治觯河捎赑NAT模型在OO3D模型基礎(chǔ)上構(gòu)建，因此具有邏輯關(guān)系明晰、拓?fù)潢P(guān)系明確且易于維護(hù)以及存儲空間較小等優(yōu)點，而OO3D模型在不規(guī)則空間對象的描述和三維建模效率等方面存在的不足，則可以通過在可視化等方面的優(yōu)勢得到彌補(bǔ)。（3）與地形相匹配：宗地和建筑物均以地形為基礎(chǔ)和載體，PNAT模型在可視化和拓?fù)浞治龇矫娑疾捎昧说匦谓３Ｓ玫娜瞧史址?，包括對不?guī)則產(chǎn)權(quán)體的精確表達(dá)和拓?fù)潢P(guān)系的存儲與管理，可以較好實現(xiàn)與地形的匹配，利于與三維地形模型結(jié)合實現(xiàn)三維城市管理。（4）房地合一：由于PNAT模型是對包含建筑體、二維宗地和三維宗地的產(chǎn)權(quán)體的建模和分析，這就使得PNAT模型可以實現(xiàn)房地合一模式下的地籍登記和管理。（5）滿足現(xiàn)實地籍管理工作需要：雖然PNAT模型通過要素剖分實現(xiàn)地籍?dāng)?shù)據(jù)的登記和管理會增加一定的操作步驟，但有利于對形體復(fù)雜或不規(guī)則的空間實體的表達(dá)，同時也可以更好地避免一些數(shù)據(jù)冗余的情況，從而在數(shù)據(jù)存儲和管理等方面存在較大的優(yōu)勢，提高PNAT模型的實踐操作性。

4 三維地籍模型的技術(shù)實現(xiàn)

4.1 建立三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫

當(dāng)前中國地籍?dāng)?shù)據(jù)主要以二維地籍?dāng)?shù)據(jù)為主，因此現(xiàn)階段三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫應(yīng)以二維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，這樣既可以避免現(xiàn)有二維地籍?dāng)?shù)據(jù)的浪費(fèi)和三維地籍?dāng)?shù)據(jù)采集所帶來的巨大代價，也可以加快三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫構(gòu)建和實現(xiàn)的進(jìn)程，對于中國三維地籍系統(tǒng)的構(gòu)建和實現(xiàn)也具有現(xiàn)實意義。圖2是二維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫向三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換的基本流程。

圖2 二維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫向三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換流程Fig.2 Conversion process from 2D cadastral database to the 3D cadastral database

（1）數(shù)據(jù)收集：主要是對二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、權(quán)屬信息等數(shù)據(jù)的收集。（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：主要包括對傳統(tǒng)二維地籍?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量及拓?fù)潢P(guān)系的檢查，由二維地籍?dāng)?shù)據(jù)及數(shù)字高程等數(shù)據(jù)確定產(chǎn)權(quán)體界址點、界址線及界址面等三維空間坐標(biāo)。（3）三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型：系統(tǒng)載入產(chǎn)權(quán)體界址點、界址線和界址面三維空間坐標(biāo)值及高程值，通過對產(chǎn)權(quán)體的三邊形剖分和數(shù)字高程影像數(shù)據(jù)、權(quán)屬數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的疊加，生成三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，并通過遙感影像數(shù)據(jù)的疊加，對產(chǎn)權(quán)體的外部和地表細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)和描述。（4）成果分析：將構(gòu)建的產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)模型與三維地籍實體對象進(jìn)行比較，并對其進(jìn)行三維分析（如拓?fù)浞治觯┑?，在此基礎(chǔ)上完善三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型。（5）成果顯示：主要是指完善和修正后的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的顯示。

4.2 PNAT模型的技術(shù)模擬

筆者以2009年浙江省諸暨市區(qū)二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、產(chǎn)權(quán)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及權(quán)屬數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)資料為實驗數(shù)據(jù)①數(shù)據(jù)來源：杭州網(wǎng)新超圖地理信息技術(shù)有限公司。，以ArcGIS 10.0和Sketchup 8.0為技術(shù)平臺，重點對PNAT模型在可視化和拓?fù)浞治龇矫孢M(jìn)行技術(shù)模擬實現(xiàn)。

4.2.1 可視化 在對產(chǎn)權(quán)體，尤其是建筑體的PNAT模型可視化的過程中，應(yīng)以DEM數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及產(chǎn)權(quán)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等作為二維地籍?dāng)?shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)，在基于ArcGIS進(jìn)行高程設(shè)置之后，利用Sketchup進(jìn)行空間要素可視化表達(dá)模型的構(gòu)建，最后完善三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫，特別是產(chǎn)權(quán)單元權(quán)屬信息等。模擬結(jié)果（圖3，封三）顯示，三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型不僅可以實現(xiàn)對產(chǎn)權(quán)體（可精確到產(chǎn)權(quán)單元內(nèi)的單個房間），包括形態(tài)復(fù)雜的產(chǎn)權(quán)體的可視化，也可以實現(xiàn)地籍?dāng)?shù)據(jù)模型與地形模型的匹配，還實現(xiàn)了房地合一模式下的地籍登記和管理。

4.2.2 拓?fù)浞治?在對PNAT模型進(jìn)行拓?fù)浞治鲞^程中，應(yīng)首先補(bǔ)充和完善三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的空間屬性信息，如高程屬性等信息，同時還要對三維地籍實體對象的模型進(jìn)行閉合性檢查，以確保模型的完備性等，特別是在三維包含拓?fù)浞治鲞^程中必須保證實體模型的完全閉合；在對三維地籍實體模型進(jìn)行空間信息完善和閉合性檢查的基礎(chǔ)上，再對三維地籍拓?fù)潢P(guān)系（包含、相離、鄰接等）分析。在進(jìn)行三維拓?fù)浞治鲞^程中，需進(jìn)行三維相交（Intersect 3D）、三維包含（Inside 3D）拓?fù)浞治鲆约叭S鄰接（Near 3D）拓?fù)浞治?。模擬結(jié)果（圖4，封三）顯示，三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型不僅可以實現(xiàn)對產(chǎn)權(quán)體權(quán)屬信息的登記、查詢和管理等，還可以進(jìn)行產(chǎn)權(quán)體間相交、包含和鄰接等拓?fù)潢P(guān)系的分析，從而為三維地籍?dāng)?shù)據(jù)信息的空間分析和計算提供必要前提。

5 結(jié)語

以產(chǎn)權(quán)體為基本單元的PNAT模型便于利用現(xiàn)有二維地籍?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建，在實現(xiàn)房地合一登記管理、三維地籍可視化、三維地籍拓?fù)浞治龅确矫婢哂辛己眯阅埽軌蚓?xì)表達(dá)、顯示三維地籍實體對象和其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與地形模型的匹配良好，利用其構(gòu)建三維地籍管理系統(tǒng)具有技術(shù)優(yōu)越性和操作可行性。受條件限制，本文僅對PNAT模型的技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行了模擬，未來應(yīng)加強(qiáng)其在實踐中應(yīng)用的探索和推廣。

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