東營(yíng)市墾利區(qū)三維地籍系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

李浩

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

隨著東營(yíng)市墾利區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市土地資源短缺和人口急劇增長(zhǎng)的矛盾日益突出，城市空間利用呈現(xiàn)多元化，傳統(tǒng)的以地表土地權(quán)利為核心的二維地籍已經(jīng)不能完全滿足人們對(duì)于空間資源利用的需求，因此迫切需要尋求二維地籍和三維地籍相結(jié)合的管理模式[1- 4]。

近年來(lái)，墾利區(qū)測(cè)繪事業(yè)取得了巨大的發(fā)展，在基礎(chǔ)控制網(wǎng)建設(shè)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取、測(cè)繪應(yīng)用服務(wù)、基礎(chǔ)測(cè)繪經(jīng)費(fèi)投入及政策法規(guī)體系等方面都取得了一定的成效，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、政府決策和重大工程建設(shè)提供了大量的基礎(chǔ)測(cè)繪服務(wù)，基本滿足了社會(huì)需求。為了進(jìn)一步提升墾利區(qū)國(guó)土資源管理水平，積極探索地上與地下、大場(chǎng)景真三維空間信息應(yīng)用的新模式，提高三維GIS的技術(shù)水平與應(yīng)用能力，建設(shè)墾利區(qū)三維地籍系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)地表、地上和地下的土地使用權(quán)有效管理，結(jié)合地籍管理需求，分析三維地籍基本形態(tài)，建立適應(yīng)墾利區(qū)三維地籍管理功能需求的國(guó)土管理信息系統(tǒng)，就能更好地為國(guó)土資源管理和經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)[5- 8]。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。

1 總體架構(gòu)

以三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)為核心，集成DSM數(shù)據(jù)庫(kù)、城市三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、影像和DEM數(shù)據(jù)庫(kù)等，依托三維GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建立了三維地籍系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織、管理、維護(hù)和更新體系，提供地籍管理、資源瀏覽、查詢檢索、空間分析、占地分析、用地成本分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)等功能，實(shí)現(xiàn)以三維地圖為主要表現(xiàn)形式的地理信息服務(wù)，構(gòu)建三維地籍系統(tǒng)管理體系(圖1)。

圖1 總體架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源多比例尺數(shù)據(jù)整合技術(shù)

在地籍管理中，由于業(yè)務(wù)的綜合性和地學(xué)要素的復(fù)雜性，使得業(yè)務(wù)涉及到的數(shù)據(jù)涉及多源、多比例尺[9- 11]?？臻g數(shù)據(jù)整合技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 空間數(shù)據(jù)整合技術(shù)框架

墾利區(qū)三維地籍系統(tǒng)將來(lái)源于不同平臺(tái)、不同比例尺的空間數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的方式存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，以通用標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)對(duì)外在線提供服務(wù)。系統(tǒng)在特定的使用場(chǎng)景下，對(duì)自身提供的服務(wù)及第三方注冊(cè)的服務(wù)，按照需求進(jìn)行重新組合和配置，提供顆粒度更大，更能滿足特定使用場(chǎng)景的服務(wù)。系統(tǒng)還可以在服務(wù)端和客戶端對(duì)服務(wù)進(jìn)行組合和配置。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Laser Detection and Ranging)是集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一身。它將激光掃描儀、GPS接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)及控制元件等搭載在載體飛機(jī)上，通過(guò)主動(dòng)向目標(biāo)地表發(fā)射激光脈沖，獲取地表的三維信息，突破了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量被動(dòng)成像的局限性。一次飛行，可同步獲取高精度、高密度、高分辨率點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、國(guó)土資源管理、公路、鐵路、水利、電力等重點(diǎn)工程建設(shè)[12- 16]。

項(xiàng)目使用機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備——Optech ALTM Orion H300，設(shè)備參數(shù)如圖3所示，獲取了墾利區(qū)數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)，2m格網(wǎng)，地表模型如圖4所示。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備

圖4 DSM效果圖

2.3 二三維一體化技術(shù)

二維GIS具有數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)單、制圖功能豐富、查詢多種多樣、空間分析效率高、業(yè)務(wù)流程成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是可視化效果較弱；而三維GIS具有較強(qiáng)的可視化效果，但是它的空間分析和查詢的效率較低。因此該文提出了二維GIS和三維GIS相結(jié)合的二三維一體化技術(shù)。

通過(guò)二維GIS(ArcGIS)實(shí)現(xiàn)了國(guó)土資源管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢、空間分析，以WMS和WFS的形式發(fā)布，三維GIS(Skyline)利用數(shù)據(jù)流技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和海量數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、可視化顯示、空間分析、服務(wù)發(fā)布等一體化管理(圖5)。

圖5 二三維一體化技術(shù)架構(gòu)

2.4 三維宗地體自動(dòng)生成技術(shù)

由于獲得的DSM數(shù)據(jù)分辨率是2m格網(wǎng)，內(nèi)插出來(lái)的表面并不平整，需要進(jìn)行預(yù)處理，剔除奇點(diǎn)，重新擬合成曲面。結(jié)合0.15m高分辨率的航飛影像數(shù)據(jù)，利用Skyline三維平臺(tái)軟件生成真實(shí)的三維地表場(chǎng)景，通過(guò)套合計(jì)算提取二維宗地范圍內(nèi)的特征高程點(diǎn)，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，獲得宗地的高度信息，生成三維宗地體(圖6)。

圖6 自動(dòng)生成三維宗地體

3 系統(tǒng)建設(shè)及成效

墾利區(qū)三維地籍系統(tǒng)依托于墾利區(qū)國(guó)土資源數(shù)據(jù)中心，以影像、矢量、DEM等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)為核心，建立國(guó)土資源三維地籍管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地籍的三維展現(xiàn)、查詢及統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3.1 實(shí)現(xiàn)了宗地空間管理的可視化

系統(tǒng)集成了界址點(diǎn)、界址線、建筑物和宗地等地籍?dāng)?shù)據(jù)，同時(shí)還集成了與地籍相關(guān)的其他數(shù)據(jù)，主要包括地類圖斑和基期地類圖斑等土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，商業(yè)用地級(jí)別、住宅用地級(jí)別和工業(yè)用地級(jí)別等基準(zhǔn)地價(jià)數(shù)據(jù)，基本農(nóng)田保護(hù)數(shù)據(jù)，國(guó)有土地清理數(shù)據(jù)，2010—2016年監(jiān)測(cè)圖斑數(shù)據(jù)，土地規(guī)劃地類和規(guī)劃基本農(nóng)田調(diào)整等土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)，土地整治報(bào)備項(xiàng)目，用地報(bào)批和建設(shè)用地管制區(qū)等建設(shè)用地報(bào)批所有項(xiàng)目等。

對(duì)于三維宗地體數(shù)據(jù)，按照土地用途的不同以透明水晶體的方式進(jìn)行分類展示，可以立體的展現(xiàn)宗地空間土地使用權(quán)的范圍和土地用途，真正實(shí)現(xiàn)地上、地下的空間土地使用權(quán)有效管理(圖7)。

圖7 三維宗地體

3.2 實(shí)現(xiàn)了綜合統(tǒng)計(jì)查詢的便捷化

通過(guò)綜合查詢功能，設(shè)定輸入權(quán)利人、地籍號(hào)、土地座落、土地用途和容積率范圍等條件，檢索到對(duì)應(yīng)的宗地，用三維宗地體的形式進(jìn)行展示，能夠準(zhǔn)確的掌握宗地的地籍號(hào)、宗地四至、通訊地址、土地座落、權(quán)屬性質(zhì)、使用權(quán)類型、土地用途、實(shí)測(cè)面積、發(fā)證面積、建筑容積率、建筑密度、土地級(jí)別、申報(bào)地價(jià)、取得價(jià)格等詳細(xì)信息。在三維地籍瀏覽過(guò)程中，鼠標(biāo)移動(dòng)到某塊宗地上時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)顯示宗地的詳細(xì)信息，方便地籍的日常管理工作。

3.3 實(shí)現(xiàn)了輔助決策的智能化

系統(tǒng)提供了距離量算、面積量算和高程量算工具，方便用戶進(jìn)行測(cè)量工作；土石方計(jì)算、剖面分析和淹沒(méi)分析都是基于DSM數(shù)據(jù)的空間分析，真實(shí)的反映地形起伏變化；通視分析、日照分析和規(guī)劃設(shè)計(jì)，輔助國(guó)土部門城市規(guī)劃管理的工作；占地分析和用地成本分析是基于宗地?cái)?shù)據(jù)分析任意區(qū)域占用的總面積、房屋總數(shù)、總建筑面積和總宗地面積(圖8)。同時(shí)還提供了地圖標(biāo)繪、路徑漫游、地圖導(dǎo)航等輔助工具，為用戶提供全方位、多層次的決策支持和知識(shí)服務(wù)，為行業(yè)研究機(jī)構(gòu)以及政府部門提供決策依據(jù)。

圖8 占地分析

3.4 實(shí)現(xiàn)了用地項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)管的動(dòng)態(tài)化

在用地項(xiàng)目規(guī)劃、施工到竣工過(guò)程中，利用時(shí)空數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化服務(wù)，可以獲取項(xiàng)目區(qū)多時(shí)相影像數(shù)據(jù)，可以有效監(jiān)管項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展。同時(shí)利用無(wú)人機(jī)、視頻監(jiān)控、三維激光掃描儀等設(shè)備獲取項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)視資料，整合項(xiàng)目審批過(guò)程中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在三維地圖上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的全流程、全業(yè)務(wù)的可視化和空間化管理。

3.5 實(shí)現(xiàn)了二、三維數(shù)據(jù)管理的一體化

通過(guò)二三維一體化技術(shù)，利用二維GIS(ArcGIS)統(tǒng)一發(fā)布地籍系統(tǒng)涉及到的基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，分別通過(guò)WMTS服務(wù)、WMS服務(wù)、WFS服務(wù)提供給三維系統(tǒng)，三維系統(tǒng)是基于Skyline開(kāi)發(fā)，采用面向服務(wù)的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化管理。同時(shí)把二維GIS查詢結(jié)果和空間分析結(jié)果以Web Service的方式提供給三維系統(tǒng)，三維系統(tǒng)通過(guò)高效的可視化技術(shù)進(jìn)行渲染，以三維地圖的形式提供給用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

該文基于B/S架構(gòu)，綜合運(yùn)用多源、多比例尺、多尺度數(shù)據(jù)整合技術(shù)、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)、二三維一體化技術(shù)和三維宗地體自動(dòng)生成技術(shù)等多種技術(shù)手段建立了墾利區(qū)三維地籍管理系統(tǒng)。全面提升了墾利區(qū)國(guó)土資源管理水平，積極探索了地上與地下、大場(chǎng)景真三維空間信息應(yīng)用的新模式，提高三維GIS的技術(shù)水平與應(yīng)用能力，真正實(shí)現(xiàn)地上、地下的空間土地使用權(quán)有效管理；結(jié)合地籍管理需求，分析三維地籍基本形態(tài)，建立適應(yīng)墾利區(qū)三維地籍管理功能需求的三維國(guó)土管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)土資源管理新的飛躍。

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[1] 曹殿才,張悅,鄒蟬.基于ArcGIS的三維地籍管理平臺(tái)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2012,21(3):298- 300.

[2] 詹長(zhǎng)根,齊志國(guó),趙軍華.三維地籍的建立分析[J].國(guó)土資源科技管理,2006,23(11):198- 200.

[3] 艾東,朱彤.土地立體利用與三維地籍[J].國(guó)土資源科技管理,2007,23(7):98- 100.

[4] 張文信,徐娜,王涵,等.基于地籍調(diào)查的城鎮(zhèn)村土地利用現(xiàn)狀分析----以山東省陽(yáng)谷縣為例[J].山東國(guó)土資源,2016,32(5):88- 91.

[5] 劉詠梅,李謙,江南.三維地籍與城市立體空間開(kāi)發(fā)的信息技術(shù)應(yīng)用分析——以南京市為例[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2010,23(3):123- 125.

[6] 林亨貴,郭仁忠.三維地籍概念模型的設(shè)計(jì)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2006,19(2):223- 226.

[7] 夏登權(quán),孟兵華.城市三維地籍的建立和應(yīng)用研究[J].黑龍江科技信息,2011,21(5):111- 115.

[8] 洪文旋.二維地籍管理局限性分析與三維地籍管理思路研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011,20(3):143- 145.

[9] 馬照亭,潘懋,林晨.多源空間數(shù)據(jù)的共享與集成模式研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2002(24):31- 34.

[10] 郭黎,崔鐵軍,吳正升.多源數(shù)字地圖融合技術(shù)問(wèn)題的研究[J].海洋測(cè)繪,2002(2):22- 25.

[11] 朱關(guān)福,鐘耳順.多源空間數(shù)據(jù)無(wú)縫集成研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2000,19(2):110- 115.

[12] 張煜,竇艷娟,張曉東.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2010,1(27):13- 21.

[13] 王繼承.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)和攝影測(cè)量匹配技術(shù)在DEM生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2015,38(5):128- 131.

[14] 黃金浪.基于TerraScan的LiDAR數(shù)據(jù)處理[J].測(cè)繪通報(bào),2007(10):13- 16.

[15] 尚大帥,馬東洋,高振峰.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)融合[J].測(cè)繪工程,2012,21(1):18- 20.

[16] 李浩.基于三維GIS的濟(jì)南市礦山地質(zhì)環(huán)境航測(cè)調(diào)查管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東國(guó)土資源,2017,33(12):60- 64.