三維地籍數據模型的構建與技術實現

王林偉，王向東，張 弛

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

1 引言

城市的人口膨脹和經濟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展趨勢不斷加強，高層建筑物、地下管道設施等遍布城市三維空間。與此同時，隨著經濟社會的發展進步，土地和房屋權屬與利用狀況日益復雜和多樣，空間權利交叉重疊的現象普遍存在。目前中國實踐中仍普遍采用以宗地為基礎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利實體和關系缺乏有效記錄，對于存在空間權利交叉、重疊的宗地和房屋之間的拓撲關系無法準確、完整地反映，難以滿足地籍明晰化管理的工作需要。構建三維地籍數據模型和建設三維地籍信息系統成為當前地籍管理工作的迫切需求，研究三維地籍數據模型的構建與實現具有重要的實踐價值和意義。

本文首先對相關研究進行分析評述，在此基礎上基于對三維地籍基本單元和基本構成要素的理解構建房地合一、便于可視化和拓撲分析、與地形匹配良好的PNAT三維地籍數據模型，并利用浙江省諸暨市區現有二維地籍和相關影像數據進行技術模擬實現，從而為三維地籍管理真正地從理論走向實踐提供實現路徑和技術支撐。

2 相關研究

2.1 三維數據模型研究

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

表1 現有三維數據模型分析[1-5]Tab.1 Analysis on the current three-dimensional data model

2.2 三維地籍數據模型研究

在實踐需求的驅動下，三維地籍數據模型引起了相關國際組織、國家和專家學者們的熱議和關注。國際測量師協會（FIG）從法律、技術、空間信息系統以及地籍管理模式等方面對三維地籍進行討論和研究[6-9]。荷蘭、丹麥、希臘和澳大利亞等國家和地區也進行了建立三維地籍管理系統的嘗試[8，10-12]。國內外許多學者對三維地籍數據模型也展開了研究，取得了豐富的成果[12-21]，其中：Oosterom等[17]提出了地籍領域核心模型（CCDM），該模型具備較強的有效性、通用性和擴展性，可避免學術界進行重復和低效研究并為不同國家和地區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據模型（CO3D），給出了二維地籍數據向三維地籍數據模型轉換的具體流程與算法；郭仁忠等[21]提出了以地理空間坐標為基礎的“房地合一”三維地籍空間數據模型。

對以上研究進行分析可以發現，其主要是對現有三維數據模型的延伸與改進，大多停留在理論探討方面，而在技術實現方面較為薄弱和不足，國內研究尤其如此。三維地籍數據模型的構建和實現尚沒有完善的方案和成熟的技術，有諸多問題遠未解決，無法滿足現實三維地籍管理工作的需要。

3 三維地籍數據模型的構建

3.1 基本單元—產權體

如何界定三維地籍基本單元是三維地籍數據模型構建研究中的首要問題。結合現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屬界面構成的且其內部不包含其他權屬界面的產權單元，側重于房產登記方面，可用來代表建筑物中的三維產權單元，從而與現實世界的三維產權實體相對應；二維宗地適用于宗地在垂直方向上權屬一致的情形；三維宗地適用于宗地在垂直方向上權屬不一致的情形。參考史云飛的研究[19]，這三種類型的基本單元可以統稱為產權體，即空間位置固定、形體閉合以及權屬一致且獨立的空間單元，是空間產權單元物質實體和相應權利的結合體，包含了對三維地籍自然屬性（位置、面積、數量等）的幾何表達和對三維地籍法律屬性（權屬關系等）的邏輯表達。

相比二維地籍的基本單元即宗地來說，產權體在有效地描述和管理復雜的三維空間權屬關系等方面具有以下優勢：（1）產權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）產權體是“房地合一”登記模式下土地和房產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屬關系；（3）產權體是封閉立體空間物質實體的概念集合，其三維空間內的權屬是一致且獨立的。

3.2 基本構造要素

三維地籍的建模過程實質上是對三維地籍物質實體的幾何抽象概括的過程。三維地籍物質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。

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

這樣的構造元素分類相比其他模型構造元素的分類具有以下優點：（1）節點、弧段和三邊形是空間要素的構造元素和構造單元，其簡單而緊密的聯系能確保三維地籍空間要素間拓撲關系的穩定；（2）對空間要素的表達更加自由多變，有利于復雜和不規則空間要素的表達，對體要素構造元素（如四面體概念）的隱性表達也能減少數據冗余等情況；（3）便于拓撲分析和可視化，更有利于三維地籍數據模型的構建與實現。

3.3 PNAT三維地籍數據模型

考慮三維地籍管理對象，特別是體狀地物形態的不規則性和權屬關系的復雜性，結合現實三維地籍管理工作的需要，三維地籍數據模型不僅要實現對三維地籍空間對象實體的有效表達，包括形態不規則的產權體的精確表達，也要確保三維地籍空間對象拓撲關系（鄰接、相離和包含）的明晰，明晰的拓撲關系不僅有助于對空間對象的精確表達，也是進行空間分析和計算等數據信息深度挖掘和分析的基礎。由于OO3D模型以三維要素間的拓撲關系為基礎對空間要素進行存儲和管理，具有邏輯關系明晰、拓撲關系明確且易于維護等優點，因此本文在OO3D模型框架的基礎上基于新的基本單元（產權體）和基本構成要素（節點、弧段、三邊形）構建新的PNAT三維地籍數據模型（P、N、A、T分別代表產權體、節點、弧段、三邊形）（圖 1）。

圖1 PNAT三維地籍數據模型Fig.1 PNAT three-dimensional cadastral data model

相比現有三維地籍數據模型，PNAT模型具有以下幾方面優勢：（1）可視化：由于PNAT模型的基本構造元素為節點、弧段和三邊形，利用基本構造元素可以對產權體進行空間剖分，有利于實現對產權體的可視化。特別是通過對形態不規則產權體的三邊形剖分，可以實現對復雜建筑物的精確表達。（2）拓撲分析：由于PNAT模型在OO3D模型基礎上構建，因此具有邏輯關系明晰、拓撲關系明確且易于維護以及存儲空間較小等優點，而OO3D模型在不規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勢得到彌補。（3）與地形相匹配：宗地和建筑物均以地形為基礎和載體，PNAT模型在可視化和拓撲分析方面都采用了地形建模常用的三角剖分法，包括對不規則產權體的精確表達和拓撲關系的存儲與管理，可以較好實現與地形的匹配，利于與三維地形模型結合實現三維城市管理。（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權體的建模和分析，這就使得PNAT模型可以實現房地合一模式下的地籍登記和管理。（5）滿足現實地籍管理工作需要：雖然PNAT模型通過要素剖分實現地籍數據的登記和管理會增加一定的操作步驟，但有利于對形體復雜或不規則的空間實體的表達，同時也可以更好地避免一些數據冗余的情況，從而在數據存儲和管理等方面存在較大的優勢，提高PNAT模型的實踐操作性。

4 三維地籍模型的技術實現

4.1 建立三維地籍數據庫

當前中國地籍數據主要以二維地籍數據為主，因此現階段三維地籍數據庫應以二維地籍數據庫為基礎進行構建，這樣既可以避免現有二維地籍數據的浪費和三維地籍數據采集所帶來的巨大代價，也可以加快三維地籍數據庫構建和實現的進程，對于中國三維地籍系統的構建和實現也具有現實意義。圖2是二維地籍數據庫向三維地籍數據庫轉換的基本流程。

圖2 二維地籍數據庫向三維地籍數據庫轉換流程Fig.2 Conversion process from 2D cadastral database to the 3D cadastral database

（1）數據收集：主要是對二維地籍數據、數字高程數據、遙感影像數據、權屬信息等數據的收集。（2）數據預處理：主要包括對傳統二維地籍數據質量及拓撲關系的檢查，由二維地籍數據及數字高程等數據確定產權體界址點、界址線及界址面等三維空間坐標。（3）三維地籍數據模型：系統載入產權體界址點、界址線和界址面三維空間坐標值及高程值，通過對產權體的三邊形剖分和數字高程影像數據、權屬數據等數據的疊加，生成三維地籍數據模型，并通過遙感影像數據的疊加，對產權體的外部和地表細節進行表達和描述。（4）成果分析：將構建的產權體數據模型與三維地籍實體對象進行比較，并對其進行三維分析（如拓撲分析）等，在此基礎上完善三維地籍數據模型。（5）成果顯示：主要是指完善和修正后的三維地籍數據模型的顯示。

4.2 PNAT模型的技術模擬

筆者以2009年浙江省諸暨市區二維地籍數據、數字高程數據、遙感影像數據、產權單元內部結構及權屬數據等相關數據資料為實驗數據①數據來源：杭州網新超圖地理信息技術有限公司。，以ArcGIS 10.0和Sketchup 8.0為技術平臺，重點對PNAT模型在可視化和拓撲分析方面進行技術模擬實現。

4.2.1 可視化 在對產權體，尤其是建筑體的PNAT模型可視化的過程中，應以DEM數據、遙感數據以及產權單元內部結構數據等作為二維地籍數據的參考數據和背景數據，在基于ArcGIS進行高程設置之后，利用Sketchup進行空間要素可視化表達模型的構建，最后完善三維地籍數據庫，特別是產權單元權屬信息等。模擬結果（圖3，封三）顯示，三維地籍數據模型不僅可以實現對產權體（可精確到產權單元內的單個房間），包括形態復雜的產權體的可視化，也可以實現地籍數據模型與地形模型的匹配，還實現了房地合一模式下的地籍登記和管理。

4.2.2 拓撲分析 在對PNAT模型進行拓撲分析過程中，應首先補充和完善三維地籍數據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撲分析過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行空間信息完善和閉合性檢查的基礎上，再對三維地籍拓撲關系（包含、相離、鄰接等）分析。在進行三維拓撲分析過程中，需進行三維相交（Intersect 3D）、三維包含（Inside 3D）拓撲分析以及三維鄰接（Near 3D）拓撲分析。模擬結果（圖4，封三）顯示，三維地籍數據模型不僅可以實現對產權體權屬信息的登記、查詢和管理等，還可以進行產權體間相交、包含和鄰接等拓撲關系的分析，從而為三維地籍數據信息的空間分析和計算提供必要前提。

5 結語

以產權體為基本單元的PNAT模型便于利用現有二維地籍數據進行構建，在實現房地合一登記管理、三維地籍可視化、三維地籍拓撲分析等方面具有良好性能，能夠精細表達、顯示三維地籍實體對象和其內部結構，與地形模型的匹配良好，利用其構建三維地籍管理系統具有技術優越性和操作可行性。受條件限制，本文僅對PNAT模型的技術實現進行了模擬，未來應加強其在實踐中應用的探索和推廣。

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