三維地籍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李揚(yáng) 王秀雙

(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營(yíng)口 115007)

三維地籍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李揚(yáng) 王秀雙

(遼寧省有色地質(zhì)局一0四隊(duì),遼寧營(yíng)口 115007)

三維地籍是土地利用和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然結(jié)果,它將在土地管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中發(fā)揮重要的作用。地籍管理是維護(hù)土地合法使用,保障土地所有者和使用者權(quán)益,維持社會(huì)生產(chǎn)秩序的重要手段,在社會(huì)管理和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。本文圍繞三維地籍的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)集成管理、空間關(guān)系表達(dá)等展開研究。

三維地籍 三維數(shù)據(jù)模型 三維空間關(guān)系

隨著人口密度的顯著增長(zhǎng)，土地利用的狀況日趨緊張。在城市區(qū)域尤其是商貿(mào)中心的土地利用壓力，導(dǎo)致了建筑物的結(jié)構(gòu)和組成錯(cuò)綜復(fù)雜。

在二維地籍系統(tǒng)中，管理土地共用宗地中不同的土地權(quán)利人信息，主要通過土地上建筑物的屬性或擴(kuò)充土地坐落的信息進(jìn)行描述。但是，這不僅與地籍管理規(guī)則不符，而且也會(huì)引起共享數(shù)據(jù)的混淆，增加處理的難度和復(fù)雜性。采用三維地籍系統(tǒng)，通過把宗地的地上、地下建筑物信息立體化，將相應(yīng)的屬性信息與真實(shí)的空間信息聯(lián)系在一起，就可方便土地的管理。

1 三維地籍系統(tǒng)的初步介紹

三維地籍是在地籍的概念中引入三維產(chǎn)權(quán)(空間產(chǎn)權(quán))的含義。三維產(chǎn)權(quán)是指將一定的三維空間劃分為沒有交叉、空隙和重疊的三維權(quán)利實(shí)體。三維地籍可以彌補(bǔ)二維在反映土地利用的空間分布情況的不足。

當(dāng)前，三維地籍的研究主要集中在三維地籍登記方法和數(shù)據(jù)模型建立與可視化兩個(gè)方面，具體包括地籍標(biāo)準(zhǔn)化、三維地籍登記管理、三維數(shù)據(jù)模型、可視化與系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究。

2 三維地籍的基本特征

1995年，在國(guó)際測(cè)量師聯(lián)合會(huì)第七委員會(huì)工作小組的建議稿《關(guān)于地籍的論述》(FIG，1995)中，將地籍定義為是由政府監(jiān)管的，以地塊為基礎(chǔ)的土地信息系統(tǒng)。其中包括土地權(quán)益記錄(如權(quán)利限制和責(zé)任)、土地宗地的幾何描述，并利用這些幾何描述記錄權(quán)益性質(zhì)、所有權(quán)或權(quán)益控制，以及宗地和地上設(shè)施的價(jià)值。

圖1

從這個(gè)定義，可以看出地籍具有幾個(gè)明確的特征：

(l)地籍是國(guó)家建立和管理的，表達(dá)每個(gè)基本土地單元宗地或地塊的位置和邊界界址的平面地籍圖和相關(guān)的文檔記錄(如土地所有者、使用者、用途、面積、等級(jí)、稅收等)，地塊是地籍信息的基本載體；(2)地籍的核心是權(quán)屬，是記載土地權(quán)屬界址線、界址拐點(diǎn)位置、土地權(quán)屬及其變更等基本依據(jù)的圖簿冊(cè)，是保護(hù)土地所有者和土地使用者合法權(quán)益的基礎(chǔ)，法律性是地籍的根本特性；(3)現(xiàn)代地籍管理是以計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的工具而進(jìn)行的集成管理，從圖冊(cè)逐步向運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是空間信息技術(shù)建立地籍管理信息系統(tǒng)的統(tǒng)一管理模式的方向發(fā)展；(4)地籍管理的內(nèi)容是系統(tǒng)化的、有規(guī)律的，隨著新技術(shù)、新方法的使用，地籍、地塊、邊界、土地利用分類等名詞的定義也在不斷發(fā)生變化，內(nèi)涵不斷深化，外延不斷擴(kuò)展，既受到地籍技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)，又對(duì)地籍技術(shù)產(chǎn)生重要影響；(5)地籍管理的發(fā)展具有跳躍性，也就是說地籍管理工作起步較晚的國(guó)家和地區(qū)，并非一定要走稅收地籍----產(chǎn)權(quán)地籍----現(xiàn)代(多用途)地籍的發(fā)展道路，可以直接建立多用途地籍。

傳統(tǒng)的地籍分類方法依據(jù)地籍的功能將其分為稅收地籍、產(chǎn)權(quán)地籍及多用途地籍。

目前，國(guó)內(nèi)大部分地籍管理信息系統(tǒng)主要采用二維平面方式進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)的表達(dá)和管理，無法直觀、全面、真實(shí)地表達(dá)地籍狀況，急需研究三維地籍管理模式，以建立三維地籍模型與空間數(shù)據(jù)庫(kù)，尤其在權(quán)屬數(shù)據(jù)方面，由于三維權(quán)屬對(duì)象的不斷增加和更新，探討一種嶄新的三維地籍登記的解決方案是迫切需要的。

圖2

3 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型

在面向地籍的三維數(shù)據(jù)模型的邏輯結(jié)構(gòu)中，任何一個(gè)界址點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的三維空間坐標(biāo)(x，y，z)，一條線段由兩個(gè)界址點(diǎn)構(gòu)成，一個(gè)三角形由3條線段按逆時(shí)針方向組成；一個(gè)界址線由多條界址線段首尾相接順序連接而成；一個(gè)界址面由一系列三角形連接而成，該界址面中所有三角形的法向量一致；一個(gè)三維宗地對(duì)象是由若干個(gè)界址面組成的具有權(quán)屬性質(zhì)的閉合實(shí)體。

結(jié)合三維地籍空間實(shí)體的特征，利用面向?qū)ο蟮娜S地籍?dāng)?shù)據(jù)模型的基本概念，并對(duì)面向?qū)ο蟮娜S地籍?dāng)?shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，從而更有利于三維地籍空間數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)表達(dá)。面向地籍的三維數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖3

4 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的管理與空間關(guān)系表達(dá)方法

三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的來源最佳途徑是宗地的三維測(cè)量和三維權(quán)屬的重新調(diào)查，進(jìn)而建立三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)。然而，宗地的三維測(cè)量將付出比采集二維地籍?dāng)?shù)據(jù)更多的工作，代價(jià)也更高，并造成已有二維地籍?dāng)?shù)據(jù)的閑置。因此，如何充分利用已有的二維地籍?dāng)?shù)據(jù)，將其依據(jù)三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為三維地籍?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)于三維地籍的構(gòu)建具有重要意義，能夠加快三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。本章根據(jù)二維地籍與三維地籍之間的相互關(guān)系及各自特點(diǎn)，研究了二維地籍與三維地籍的集成管理方法，繼而探討二維地籍?dāng)?shù)據(jù)向三維地籍?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的流程與方法。

三維地籍管理模式的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)以二維地籍?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，把現(xiàn)有的二維地籍模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維地籍模型的數(shù)據(jù)，并對(duì)其發(fā)展和完善。從二維地籍模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維地籍模型數(shù)據(jù)，首先需要充分考慮二維地籍?dāng)?shù)據(jù)的格式及特點(diǎn)，再選擇合適的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型(本文使用CO3D模型)。二維地籍?dāng)?shù)據(jù)到三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換框架如圖2所示。

(1)確定模型轉(zhuǎn)換的區(qū)域范圍，也就是確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換區(qū)域。(2)搜集該區(qū)域內(nèi)的二維地籍?dāng)?shù)據(jù)。常規(guī)的二維地籍?dāng)?shù)據(jù)包括多種形式：地籍圖；攝影測(cè)量數(shù)據(jù)；地面測(cè)量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)地面模型；正射影像；土地登記數(shù)據(jù)等。(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括：①檢查傳統(tǒng)二維地籍?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量，修復(fù)數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤；②由二維地籍圖數(shù)據(jù)及高程數(shù)據(jù)確定各宗地的三維界址面及其對(duì)應(yīng)的界址點(diǎn)三維坐標(biāo)；③將數(shù)字地面模型資料統(tǒng)一處理成*.DEM數(shù)據(jù)格式；④將航空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)定位影像坐標(biāo)并轉(zhuǎn)為*.BMP格式。(4)系統(tǒng)載入數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建2.5維地表。(5)對(duì)各宗地的界址面進(jìn)行三角剖分，并根據(jù)界址點(diǎn)坐標(biāo)和高程值生成CO3D三維模型。(6)利用疊加航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，描述建筑物頂部形狀和地面細(xì)節(jié)。(7)將構(gòu)建的三維地籍模型與實(shí)際對(duì)比，分析與修改三維地籍模型，并進(jìn)行顯示。

模型轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于二維地籍模型的數(shù)據(jù)讀取，再將二維地籍?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)到CO3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最終建立CO3D數(shù)據(jù)模型，將對(duì)應(yīng)的屬性信息賦予轉(zhuǎn)換后的三維宗地。

具體轉(zhuǎn)換過程包括：

(l)首先在二維地籍模型中取一個(gè)二維宗地；(2)在CO3D三維宗地表中添加該二維宗地記錄，將該宗地屬性表中對(duì)應(yīng)的信息存入CO3D模型的三維宗地權(quán)屬表中；(3)根據(jù)組成該二維宗地的界址線列表，在CO3D模型的線段表中添加界址線記錄，并將界址線屬性表中對(duì)應(yīng)的信息存入C03D模型的線段表屬性中；(4)獲取列表中各界址線的起始、終止點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合二維宗地高程坐標(biāo)計(jì)算界址點(diǎn)高程值，并將其三維坐標(biāo)和在原地籍模型的界址點(diǎn)屬性表中對(duì)應(yīng)的信息存入C03D模型的點(diǎn)表；(5)依據(jù)二維地籍模型中組成二維宗地的界址點(diǎn)排序順序及(4)中計(jì)算出的三維坐標(biāo)生成界址面列表，然后對(duì)列表中各界址面進(jìn)行三角形剖分，并將結(jié)果分別存入CO3D模型的界址面表和三角形表中；(6)取下一個(gè)二維宗地，并重復(fù)操作(2)-(6)，直至處理完所有二維宗地，最后根據(jù)處理結(jié)果，生成CO3D數(shù)據(jù)模型。

空間關(guān)系是空間數(shù)據(jù)的重要特征之一，也是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)組織、空間查詢、空間分析與推理的理論基礎(chǔ)。在地籍管理中，宗地之間的空間關(guān)系經(jīng)常用于地籍管理決策、地籍空間分析、地籍?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量控制等應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在三維地籍管理模式中，研究三維地籍空間關(guān)系的表達(dá)、存儲(chǔ)和計(jì)算，具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義，亦是對(duì)三維地籍模型的有益補(bǔ)充和完善。(如圖3)

5 結(jié)語

三維地籍的建立無論是從經(jīng)濟(jì)、法律還是社會(huì)的角度來看，都具有極大的意義；它可以促進(jìn)土地的集約化利用，保障土地空間利用者的權(quán)利，并為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展規(guī)劃提供良好的依據(jù)。因此，對(duì)三維地籍的研究是十分必要的。本文從技術(shù)的角度入手，提出了面向三維地籍產(chǎn)權(quán)體的數(shù)據(jù)模型，并基于該模型建立了實(shí)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一系列諸如產(chǎn)權(quán)體查詢、操作等功能。但由于三維地籍是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，所以仍需要進(jìn)行大量的深入研究工作。

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