基于三維GIS在城鎮地籍中的應用研究

胡黎明，蘇達，王樹文

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

1 前言

隨著近年來土地管理工作的不斷深化，我國城鎮已基本建立了以宗地為基礎的地籍信息系統，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。然而當前人口和產業在城市的不斷集聚導致城鎮人地矛盾日趨緊張，為了集約和節約用地，土地利用的立體化趨勢越來越明顯。以地表為核心的傳統土地權利法規和地籍系統，已經不能滿足人們對三維空間的占有和使用，特別是當與同一土地表面相關的空間歸屬權不同時，基于二維地表的傳統土地登記和地籍系統將無法清晰的界定土地的權利空間。

隨著計算機科學技術的發展，地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）已在國土行業中得到了越來越廣泛的應用。然而，目前在國土行業中的廣泛應用主要還是基于二維的地理信息技術系統，其空間表現和分析能力都有著一定的局限性。

因此，可以結合三維GIS技術建立一個規范、完整、適合本地區特點的新型地籍管理信息系統來解決土地利用向空間多元化發展中產生的問題。近年來，許多國家已開始探索和建立三維地籍管理信息系統，部分成果已應用于地籍管理實踐中。我們在天津地區地籍信息系統建設的實踐中也進行了有益的探索，對于規范地籍管理工作，科學開發土地資源和保證土地可持續利用，具有重要的指導作用和廣泛的推廣應用價值。本文以天津市城鎮三維地籍管理系統為例，分析討論了三維GIS應用于城鎮地籍系統建設的一些關鍵技術問題。

2 三維地籍與二維地籍關系與區別

作為一個現代地籍系統，應該能夠體現出一個原則，即不動產權利始終授予人們享有立體空間的權利而不僅僅是平面上的權利，否則土地的利用就無從談起，不能充分滿足實際需要的地籍模式有必要進行變革。三維地籍在地籍的概念中引入了三維產權（空間產權）的含義，它在制定城市規劃和社會經濟發展規劃提供依據方面比二維地籍更具有優勢，是土地利用空間多元化發展的必然結果，同時符合地籍多用途功能實現的要求。

三維GIS與二維GIS一樣，需要具備最基本的空間數據處理功能，如數據獲取、數據組織、數據操縱、數據分析和數據表現等。相比于二維GIS，三維GIS具有以下優勢：

1）空間信息的展示更為直觀。從人們懂得通過空間信息來認識和改造世界開始，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，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，人們結合自己相關的經驗就可以理解，從而做出準確而快速的判斷。毫無疑問，三維GIS在可視化方面有著得天獨厚的優勢。雖然三維GIS的動態交互可視化功能對計算機圖形技術和計算機硬件也提出了特殊的要求，但是一些先進的圖形卡、工作站以及帶觸摸功能的投影設備的陸續問世，不僅完全可以滿足三維GIS對可視化的要求，還可以帶來意想不到的展示和體驗效果。

2）多維度空間分析功能更加強大。空間信息的分析過程，往往是復雜、動態和抽象的，在數量繁多、關系復雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒分析、地質分析、日照分析、空間擴散分析、通視性分析等高級空間分析功能，二維GIS是無法實現的。由于三維數據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了GIS的特點和優越性。

構建三維地籍管理信息系統 （以下簡稱系統），不僅是對天津市國土資源與房屋管理局“一張圖”管理、土地管理精細化及二維地籍圖運用的延伸，還是對三維地圖與城鎮地籍管理相結合的綜合應用，該系統還具有表達上的直觀性，交互操作的靈活性等特點，為國土資源部門提供了一個直觀、多用途的智能化工作平臺。

本文以研發天津市三維地籍管理信息系統 （以下簡稱三維地籍系統）為例，提出了構建一種基于三維地理信息技術的地籍管理信息系統的方法。

3 三維地籍信息系統建立的技術支撐

地理信息系統、衛星遙感和航空攝影技術經過了數十年的發展，目前在建立三維地籍管理信息系統上已經具備了以下成熟的技術：

1）三維數字地面模型最初作為一個三維空間信息表達方式，不僅能夠表達三維地表模型，還可以在上面疊加矢量空間數據和影像數據，以及三維地物模型。

2）衛星或航空攝影能提供高分辨率遙感影像的數據采集手段，采用衛星遙感如QuickBird能夠提供分辨率為0.61M的衛星影像，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，數字地面模型和影像數據以及矢量可以融合表達。

3）目前市場上主流的地理信息系統平臺軟件，如ArcGIS，已具備了建立、展示數字地面模型的功能，包括實現將影像、二維平面及三維地物模型疊加在三維數字地面模型上進行瀏覽、漫游的功能。

基于以上技術條件，可以認為實現三維地籍管理信息系統的技術條件已經成熟。雖然在法律上沒有對三維權利建立完整的體系，但三維地籍是未來地籍發展的趨勢。它將在社會、經濟發展中發揮越來越大的作用，不斷促進土地的集約利用和不斷完善土地市場。

4 數據來源

天津市三維地籍數據庫數據源分為三類：一是三維地形數據，該類數據由數字高程模型（DEM）與數字正射影像圖（DOM）融合而成；二是三維地物數據，該類數據一般以二維矢量數據、地物高度數據及地物實景照片為基礎，使用三維建模軟件建模而成。三是地籍數據，該類數據主要包括帶有高程信息的宗地、界址點、界址線、測量控制點、房屋等地籍要素的三維數據。其構成如圖1所示。

圖1 三維地籍數據庫數據構成及來源

其中，數據高程模型根據外業對所有點的高程測量，通過ArcGIS的3D Analyst功能對所有高程點創建數字高程模型。數據正射影像通過ArcGlobe從Esri公司的影像庫中下載。二維矢量數據、地物高度數據、地物實景照片直接從外業測量和地籍調查獲得。

在三維建模之前，需要對建模所需的源數據進行預處理，以保證建模工作的有序進行。預處理的內容包括糾正二維矢量數據空間位置的偏差與錯位，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據與樓高標注信息進行空間關聯等。三維展示見圖2。

圖2 小區三維展示

5 系統體系結構

天津市城鎮三維地籍管理系統采用基于ArcEngine技術的集成開發模式，以Windows系列平臺為操作系統，以Microsoft Visualstudio.Net IDE為編程開發環境。系統的數據層利用ArcGIS的GeoDatabase數據模型進行二維和三維空間數據的統一管理。

系統開發框架如下圖3所示，數據層采用PGDB和Oracle Database結構。

圖3 系統開發框架

本系統是在獲取三維城鎮地籍要素的基礎上，采用軟件的形式滿足城鎮地籍信息管理的需要，在二維城鎮地籍系統的基礎上增加三維真實場景展示和三維信息的查詢統計分析等功能。下圖體現了整個三維系統建設過程中，軟件系統所處的位置以及所能提供的功能。

圖4 系統總體架構

6 系統功能

為實現城鎮地籍數據空間組織和查詢，虛擬現實展現、數據管理與分析的需要，系統提供以下功能：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 三維場景展示

提供三維真實場景展示功能，提供放大、縮小、漫游、導航、飛行等基本空間瀏覽功能，主要包括以下幾個方面：1）放大和縮小操作；2）全圖操作；3）導航模式；4）飛行模式；5）移動操作；6）旋轉操作。

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景中動態交互的進行地物——屬性信息的雙向查詢，包括顯示選中地物名稱等屬性信息，顯示三維場景中各種地物的名稱、信息及三維空間坐標，或已知地物的屬性信息，對三維場景中的該屬性地物進行定位查詢等。

屬性查詢應立足于國家城鎮地籍標準，提供對于宗地擴展屬性查詢、掃描件查詢、圖形屬性的自定義條件查詢功能。

（2）分析

可以實現基于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，在滿足國土業務需求的同時，也可以用于工程、規劃、水利等行業的基本應用。

（3）交互式定位功能

包括以下幾個方面，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；列出該地區一些標志性建筑或者地址，然后可以快速定位到該處；通過對宗地權利人、坐落或地號的模糊查詢，進行快速定位；標簽功能，可以創建標簽，之后按照標簽位置進行快速定位。

圖4 垂直距離量算

（4）二維與三維數據聯動

比如在二維視圖與三維視圖中進行目標 （如建筑物）屬性信息查詢的時候，相對應的三維場景或二維地圖中的同一目標高亮顯示。

6.3 地籍信息管理

（1）數據統計與計算功能

根據數據成果統計出地類現狀匯總表，可以根據宗地進行統計和根據圖斑進行統計；根據數據成果統計城鎮土地強度表，提供城鎮宗地容積率、密度計算，城鎮房屋隸屬宗地計算，提供宗地橢球面積、平面面積、表面面積計算。

（2）專題圖功能

根據數據成果產生各種基于宗地的專題圖，包括宗地土地用途專題圖、宗地權屬性質專題圖、宗地土地級別專題圖、宗地使用權類型專題圖等。

（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計分析，宗地區域分析、緩沖區分析、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 結束語

三維地籍管理信息系統建設是一項復雜的系統工程，是集GPS技術、GIS技術、數據庫技術、多媒體技術、網絡技術等眾多高新技術于一體的綜合工程。

三維地籍與二維地籍的不同在于：

1.三維地籍建立的基礎是三維空間上的權利實體，它的三維邊界是明確的，在空間上是連續的，而二維地籍建立的基礎是二維平面上的宗地，在平面上具有明確的邊界，而三維沒有明確的邊界；

2.三維地籍登記的權利是一個封閉的實體，二維地籍中登記的權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利實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，對三維信息的記載有限；

4.三維地籍可以準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用還存在很多的問題，在法律上沒有對三維權利建立完整的體系，在技術上對三維地籍的支持也不成熟，但三維地籍是未來地籍發展的趨勢，它將在社會、經濟發展中發揮越來越大的作用，不斷促進土地的集約利用和不斷完善土地市場。通過本文中的天津市三維地籍數據庫系統和城鎮三維地籍管理軟件對三維GIS在城鎮地籍管理應用中的探索，不難看出三維GIS可以靈活的組織各種空間數據及政務信息，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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