一種基于特征的宗地數據時空組織方法

王輝 ，李景文，傅毓

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西桂林 541004;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541004)

1 引言

宗地是地籍信息的基本載體［1］。地籍管理主要是針對宗地權屬的管理，尤其是在共用宗地的管理和土地歸戶卡管理方面經常有針對權利人的查詢等操作。傳統的地籍信息系統往往不重視權利人的研究，僅將權利人看作宗地的一個屬性。當一個宗地被注銷時，作為該宗地屬性的權利人也將被丟失，但該權利人仍可能作為其他宗地的土地使用者存在，同樣一個宗地的權利人也可能是一個或多個［2，3］，這樣難就以解決宗地與權利人之間多對多的關系。本文將基于特征的時空數據組織方法應用于宗地時空數據管理中，通過分析宗地數據的時空變化特點，提出一種基于特征的宗地數據時空組織方法，該方法中將權利人等屬性數據作為獨立的特征實體存儲，使其不會隨宗地空間數據的消失而丟失，同時也避免了共用宗地中相同權利人信息的重復存儲，減少了數據冗余，更好地實現宗地的權屬管理。

2 基于特征的時空數據組織

基于特征的時空數據組織是一系列由相互間的拓撲關系和語義關系關聯在一起的時態特征對象集。采用基于特征的概念模型和基于面向對象的物理與邏輯模型，通過抽象出來的特征對象來對地理實體對象進行顯示、描述與表達。在時態和空間參考系統框架下，建立以特征對象為單位的特征屬性(包括專題屬性、空間屬性和時態屬性)、特征功能和特征關系等地理信息的全面有機表達，呈現給用戶的是直觀與簡潔的地理特征。基于特征的時空數據組織方法如下圖1所示。

圖1 基于特征的時空數據組織

基于特征的時空數據組織方法是一種在較高抽象 層次上的數據組織方法［4］，具有較好的GIS認知觀，同時也很好地解決了利用面向對象的原理與方法來定義和建立空間關系與非空間關系。特征GIS時空數據組織對地理現象的數字表示和空間描述更完備、更具有整體性，除了表達空間幾何目標之間的拓撲關系外，還表達了特征之間的非拓撲和屬性語義關系，而通常這些關系在傳統的基于圖層的GIS時空組織方法中被遺漏掉［5～7］。同時，面向對象方法及其抽象機制的應用，使基于特征的時空數據組織方法所表達的語義信息更加豐富，從而能夠很好地表示復雜地理現象和實體［8］，有效地支持時空推理和時空分析，實現特征信息的一體化表達。

3 宗地數據的構成及變更過程

3.1 宗地數據的構成

宗地是地籍管理的基本空間單元，宗地的權屬、地理位置、形狀、土地利用與性質等通常是構成地籍管理的主要內容。宗地信息不是一直處于靜態的，會隨著時間改變而動態變化，如宗地的界線、附著物、宗地的使用者或使用性質和用途都可能隨時發生改變。為了更好地實現地籍信息變更及歷史查詢，以便于能夠較為準確地對未來一定時期內的土地利用進行預測，通常在地籍管理的基本信息中融入時態屬性，因此宗地數據是時空數據。宗地數據的構成如圖2所示。

圖2 宗地數據的構成

傳統的時空數據組織利用面向對象方法對宗地要素進行抽象，將其空間特征、屬性特征以及行為狀態等有關信息都封裝在一個特定的對象結構中，每一類對象都獨立封裝，用唯一的ID號或者編碼來獨立地確定本身是產生或消失的狀態。

宗地對象集空間信息、屬性信息、時間信息于一體，其中空間信息包含宗地的地理坐標、形狀、面積等;屬性信息包含宗地的權屬、土地證、土地登記卡等;時間信息則通過兩個時間字段來標記起始時間和終止時間，以此來標識宗地數據的時間邊界。

3.2 宗地數據的變更過程描述

宗地，是由權屬界線圍成的自然地塊，同時還包括它上面的所有的附著物及有關該宗地權屬及性質用途等方面的屬性描述。宗地的這些相關信息都不是固定不變的，而可能隨著時間的變化而變化，如宗地的界線、大小、形狀、附著物、宗地的使用者和權利人或使用性質和用途都可能發生變化［3］。

本文主要以宗地的重要屬性信息之一——權利人為例，說明隨時時間要素的變化，宗地屬性數據的變更過程。

在傳統的GIS時空數據組織中，宗地空間信息通常被封裝成一個獨立的對象，可以獨立地產生或者消失，而宗地權利人則作為屬性賦給相應的空間信息，依附于其對應的空間信息而存在。當一個宗地隨著時間的改變而被注銷時，該宗地對應的權利人屬性也隨之消失，但該權利人仍可能作為其他宗地的土地使用者存在，一個宗地的權利人可能是一個或多個宗地的權利人，這樣使得宗地對象和權利人之間多對多的關系難以解決。

圖3 宗地對象時空變化過程

從圖3中我們可以看出不同時段宗地隨著時間變化逐漸演變的情況。每個宗地號代表一個宗地對象，該對象既包括宗地的空間數據，又包括權利人等一系列相關屬性數據。宗地1從T1時刻至T2時刻的過程中消失了，其權利人屬性也隨之消失，但該權利人仍可能作為其他宗地(如3或4)的土地使用者而存在。宗地2從T2時刻至T3時刻分割成宗地5和宗地6，這時原宗地2的權利人屬性要分別在宗地5和宗地6的對象中進行存儲，這樣將造成大量的數據冗余。

宗地管理主要是針對權屬的管理，經常有針對權利人的查詢等操作，尤其是在對共用宗的管理和制作權利人的土地歸戶卡方面更有必要。如果權利人等屬性信息仍作為對應空間信息的附屬信息存儲，這樣每次用戶要對權利的相關詳細信息進行查詢時，每次都要先對該宗地的信息進行訪問，增加了訪問的響應時間。這些問題都表明在進行時空數據組織的過程中將權利人等屬性信息抽象成一個個的獨立對象進行單獨存儲是非常有必要的。

4 基于特征的宗地數據時空組織

4.1 基于特征的宗地數據時空組織

基于特征的宗地數據時空組織主要通過依次把對應每塊宗地的空間信息抽象成一個個具體的空間特征對象，每個對象中封裝該宗地的宗地號、地理坐標、形狀、面積等相關空間數據。同時把各個權利人也抽象為對應的權利人特征對象，因此權利人不再是空間數據的附加屬性信息，而是作為一個獨立的特征對象存在。權利人除了是宗地的屬性外，還有自身的屬性，因此作為一個獨立對象封裝時，權利人除了具有自身的對象ID號，還包含權利人編碼(權利人編碼一般采用權利人個人或其法人代表的身份證號碼來表示，因此是唯一的標識)、權利人基本信息(名稱、通訊地址、郵編)、權利人對應宗地號(可以是一個或者多個)以及權利人信息生成的起始時間(Ts)和最近更新的時間(Te)等。權利人抽象為獨立的特征對象其關系表如表1所示:

圖4 基于特征的宗地數據時空組織架構

權利人特征對象 表1

權利人在宗地信息管理中既是土地的產權主體，又是土地登記時的申請客戶。為了完成土地的產權管理，需要記錄大量權利人相關的信息。權利人等屬性信息都被抽象成具體的特征對象，這樣即使某個宗地消失，其對應的權利人信息也不會隨之消失，仍然可以作為獨立的特征對象而存在。當某個權利人擁有多塊宗地的使用權，也不需要在每塊宗地中都記錄該權利人屬性信息，只需要在查詢到該權利人的信息時直接調用該權利人特征對象即可，這樣避免了大量的數據冗余。同時用戶需要查詢權利人所有的土地產權信息時，不用再調用整個宗地信息，只需直接調用用戶感興趣的權利人特征對象即可，方便用戶進行查詢操作，提高了宗地信息管理系統的響應速度。其組織架構如圖4所示。

宗地數據是時空數據，因此在將宗地空間信息和屬性信息都抽象成多個具體的特征對象后，對每個特征對象都賦予時間標記，包括起始時間(Ts)和終止時間(Te)。通過時間標記，將宗地數據所有變化都作完整的記錄，如宗地的產生(start)和消亡(end)的時間、宗地存在時的空間位置關系(x、y、z)以及宗地在不同時刻(T1、T2、…Tn)的屬性狀態(S1、S2、…Sn)的變化情況。這樣有利于維護宗地信息的現勢性，實現時間上連續的、空間和屬性上完整地繼承，能夠滿足不同用戶隨時進行地籍變更調查等查詢操作。

4.2 基于特征的宗地時空數據庫

依據宗地數據在整個變化過程中所處的狀態可以建立兩個表達不同時態的宗地信息時空數據庫:現狀數據庫和歷史數據庫。將數據按宗地對象所處的狀態劃分到不同的時態表中，并標識每一對象的編碼，如圖5所示。

圖5 宗地信息時空數據庫

現狀數據庫主要存儲宗地信息隨時間變化引起宗地空間特征對象以及屬性特征變化后的最新狀態數據;當宗地變更過程結束后，按時態序列排列，變化前的狀態則存入歷史數據庫中。宗地對象的動態變化過程和時空關系要求將空間和時間要素聯合表達，以便實現宗地數據的時空一體化存儲。因為該數據庫對每個特征對象都保存了時間標記，所以不需要再記錄變化過程中的數據。如果要進行宗地信息變更查詢，只需要根據時間標記，找到相關特征對象，將它們聯系起來對比分析即可實現，這樣不但為數據庫存儲減少了大量的冗余，而且可以有效地表達宗地對象的時態變化，從而高效地管理宗地動態變化數據并實現對宗地數據的動態查詢、時空分析和決策。

宗地歷史數據能完整地描述某一時間段的宗地權屬和利用狀況，記錄宗地變化的全過程，為解決宗地權屬糾紛、確定宗地產權等提供了準確的法律依據。同時通過對宗地現勢數據和歷史數據的對比分析，能夠預測未來宗地利用需求趨勢，為政府決策提供幫助。

5 結論

本文將基于特征的時空數據組織方法應用于宗地數據管理中，提出一種基于特征的宗地數據時空組織方法，利用基于特征的時空數據組織中把地理現象抽象為用戶感興趣的具體特征對象的思想，將宗地空間數據和屬性數據分別抽象為獨立的特征對象，并著重以宗地的重要屬性——權利人為例，探論了如何有效地解決宗地與權利人之間多對多關系的問題，同時減少了不同宗地相同權利人屬性信息的重復存儲，減少了數據冗余。通過構建現勢數據庫和歷史數據庫，全面表達了宗地對象在其生命周期內每一刻的狀況及其詳細變更過程，為合理利用宗地資源、制定宗地利用總體規劃等宏觀決策提供空間支持。

［1］姜智東，李景文，傅瑋佳等.動態基態修正的地籍時空數據庫設計［J］.地理空間信息，2011(9):64～65.

［2］聶俊兵，謝迎春.基于特征的空間數據模型及新一代地理信息系統［J］.地質與礦業工程，2007，9(4):73～74.

［3］羅年學，潘正風.動態地籍信息系統中時態地籍數據庫的研究［J］.測繪通報，2002，2:45～46.

［4］李文娟，李宏偉，梁汝鵬等.基于特征的空間數據模型研究［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(1):43－44.

［5］田嬌嬌，唐新民，楊平等.動態數據庫模型的研究與應用［J］.測繪科學，2006，31(1):123～125.

［6］熊登亮.時空數據模型及其在地籍信息系統中的應用研究［D］.昆明:昆明理工大學，2007.

［7］魏海平.時空GIS建模研究與實踐［D］.鄭州:解放軍信息工程大學，2007.

［8］韓敏，趙松齡.基于特征—版本的時空數據模型在濕地管理中的應用研究［J］.測繪科學，2007，32(6):140～141.