基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的土地地籍管理研究*

周晉

（信陽師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南信陽　464000）

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·問題研究·

基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的土地地籍管理研究*

周晉

（信陽師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南信陽464000）

摘要土地是最基礎(chǔ)與最重要的資源與資產(chǎn)，是國家經(jīng)濟(jì)政策擬定的依據(jù)，是實(shí)施規(guī)劃綱要與落實(shí)方針政策的基礎(chǔ)。土地是人類生存的基礎(chǔ)，而且是不可再生的，只有加大土地管理的力度，高效合理地利用土地，才能實(shí)現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。地籍管理是土地管理工作的重點(diǎn)領(lǐng)域，是土地產(chǎn)權(quán)得到保障的前提。目前的土地管理集中在對土地產(chǎn)權(quán)的管理，土地產(chǎn)權(quán)變化會涉及到地理實(shí)體時(shí)間、空間及屬性的變化，時(shí)態(tài)GIS正好反映了此變化。目前時(shí)態(tài)GIS的研究集中在對時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建構(gòu)。時(shí)空數(shù)據(jù)模型決定了時(shí)態(tài)GIS系統(tǒng)的運(yùn)行效率。無論是國內(nèi)還是國外均對時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了研究，通過模型的構(gòu)建的相應(yīng)地提出了超過20種模型，而在實(shí)際的應(yīng)用中，不同的模型有不同的特點(diǎn)。文章對典型的6種時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了分析，從模型的建模思路出發(fā)，分別探討了模型的適合環(huán)境與優(yōu)缺點(diǎn)，可以為人們在應(yīng)用時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行土地管理時(shí)提供幫助，有利于研究者對模型的進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞土地管理時(shí)空數(shù)據(jù)模型地籍管理時(shí)態(tài)GIS

民以食為天，食以土為本。人類的生存資料主要來源于土地，人類的生存依賴于土地。土地是最基本的自然資源［1，2］。土地面積是有限的，土地資源是不可再生的，人類進(jìn)入21世紀(jì)以后，一系列全球性的環(huán)境問題接連出現(xiàn)，這也使得土地可利用的資源進(jìn)一步減少，土地資源的管理迫在眉睫。我們必須加強(qiáng)土地的管理，努力提高土地的管理水平，合理地利用土地，實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)發(fā)展，造福于子孫后代［3］。地籍管理是土地管理工作的基礎(chǔ)，是土地產(chǎn)權(quán)得到保障的前提［4］。地籍管理，有助于推進(jìn)我國土地管理工作向著信息化的方向發(fā)展，有利于與國際地籍管理接軌［5］。因此，地籍管理工作必須放在土地管理工作的突出位置。

1　土地地籍管理概述

地籍，正如戶口一樣，土地也有自己的“戶口”，主要是對土地的基本信息如土地產(chǎn)權(quán)、土地質(zhì)量、土地利用狀況進(jìn)行文字記載，以文檔保存的形式來記錄土地的變化。地籍是進(jìn)行土地管理的基礎(chǔ)資料，加強(qiáng)地籍管理能夠更好地維護(hù)土地產(chǎn)權(quán)權(quán)益，更快地推動土地使用制度改革的深入，同時(shí)還能夠?yàn)槲覈?jīng)濟(jì)社會發(fā)展計(jì)劃的制定提供堅(jiān)實(shí)的材料［5］。

土地地籍管理主要是對地籍信息進(jìn)行組織管理，使之服務(wù)于土地的進(jìn)一步管理，通過地籍管理可以了解土地的利用狀況。它的工作內(nèi)容主要有：地籍調(diào)查、土地統(tǒng)計(jì)、土地登記、土地評價(jià)［6］。目前的土地管理主要是對土地產(chǎn)權(quán)問題的組織管理，它涉及到時(shí)間、空間及屬性的變動。要想進(jìn)一步了解時(shí)間、空間及屬性的變化，必須使用時(shí)態(tài)GIS。過去的靜態(tài)地籍管理信息系統(tǒng)僅能反映當(dāng)前的土地利用狀態(tài)，無法觀測土地的變化歷程。而時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng) （temporal GIS簡稱TGIS）能觀測土地利用狀況的動態(tài)變化［7］。TGIS不僅能夠建構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)模型，用來對空間實(shí)體的時(shí)間、空間及屬性的變化進(jìn)行記錄，并且還能對空間實(shí)體變化過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。時(shí)空數(shù)據(jù)模型使得TGIS的應(yīng)用更加便利與高效，已經(jīng)成為土地管理中不可缺少的工具。因此，通過對時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究可以拓寬土地管理的路徑，為土地管理工作提供便捷，并且對土地模型的研究提供理論基礎(chǔ)［3］。

2　TGIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型

Gail Langran于1992年最先提出了TGIS概念，并從此獲得了較快的發(fā)展。時(shí)空數(shù)據(jù)模型正是隨著TGIS的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為TGIS研究的焦點(diǎn)［8］。時(shí)空數(shù)據(jù)是反映地理空間實(shí)體變化的屬性、時(shí)間、空間數(shù)據(jù)。時(shí)空數(shù)據(jù)模型能通過建模的方式對時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使其反映出地理實(shí)體的變化［9］。時(shí)空數(shù)據(jù)模型決定了TGIS系統(tǒng)操作的便捷性及功效，并且影響與制約著TGIS其它方面的研究與發(fā)展［10-12］。為此，國內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了大量的模型研究工作，提出了各種時(shí)空數(shù)據(jù)處理的方法。目前，主流的時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要有6種，分別為時(shí)空立方體模型、序列快照模型、基態(tài)修正模型、時(shí)空復(fù)合模型、面向?qū)ο竽Ｐ汀⒒谑录臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型，以下分別對幾種主要的時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了簡單的分析。

2.1序列快照模型 （Sequent snapshots）［13］

序列快照模型又稱為連續(xù)快照模型，分為矢量快照模型與柵格快照模型。基本思路是對于某一時(shí)間下空間實(shí)體的狀態(tài)，可以用快照的方式進(jìn)行圖片的存儲，而對于空間實(shí)體的連續(xù)變化，可以以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行快照保存一系列的圖片，通過這些圖片的連續(xù)變化可以反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演化過程，如果需要觀測某一時(shí)刻的時(shí)空變化可以對保存的時(shí)間片段進(jìn)行指定時(shí)間的播放［10］。這種模型對于矢量與柵格時(shí)空快照模型操作較為簡單，通過對過去狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為歸檔文件存儲，可以隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需要來觀察空間目標(biāo)的變化［14］。

這種模型的優(yōu)點(diǎn)為：（1）模型建構(gòu)比較簡單，在系統(tǒng)軟件中易于實(shí)現(xiàn)［15-16］。（2）數(shù)據(jù)庫可以保持可用狀態(tài)，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢［15-16］。缺點(diǎn)為：（1）數(shù)據(jù)冗余大，系統(tǒng)效率低。在進(jìn)行快照存儲時(shí)間片段的過程中模型會對未發(fā)生變化與發(fā)生變化的實(shí)體片段均進(jìn)行保存，造成數(shù)據(jù)量變大，系統(tǒng)的效率會隨著模型變化的頻繁與數(shù)據(jù)量增大而急劇下降［10，17-18］。（2）無法進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)回溯以及無法進(jìn)行圖層之間關(guān)系的描述。因?yàn)榭煺罩荒軐μ囟〞r(shí)刻的空間實(shí)體進(jìn)行保存，這是一個(gè)非連續(xù)的過程，而對于現(xiàn)實(shí)的空間實(shí)體，其變化是一個(gè)連續(xù)變化的過程，這樣會使得該模型無法觀測實(shí)體的連續(xù)變化以及探究不同時(shí)刻之間的關(guān)系［15，19-20］。

綜上，此模型只能描述某一時(shí)刻的時(shí)空數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤變化，這說明此模型比較適合那些處于靜態(tài)過程、不用進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測的系統(tǒng)［19］。目前該模型只處于概念層面，開發(fā)價(jià)值較小［15］。

2.2基態(tài)修正模型 （Base state with amendments）［21］

基態(tài)修正模型也稱為底圖疊加模型，它是在快照模型基礎(chǔ)上的修正。由上文的分析可知，快照模型在進(jìn)行快照存儲時(shí)會將未發(fā)生變化部分特征重復(fù)記錄，這會占用大量的數(shù)據(jù)空間，致使模型的運(yùn)行效率降低。正是基于此，基態(tài)修正模型的建模首先對選定的初始狀態(tài)的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，然后在此基礎(chǔ)上對不同時(shí)間點(diǎn)的變化了的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。由于快照模型包括矢量與柵格模型，基態(tài)修正模型也對應(yīng)的包括矢量修正模型與柵格修正模型。基態(tài)修正模型中基于選定的基態(tài)，只對變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，因此每變化一次，只記錄很少的數(shù)據(jù)量，大大地降低了數(shù)據(jù)的冗余；同時(shí)，除了基態(tài)，系統(tǒng)只在特定的時(shí)刻存入發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，這使得空間實(shí)體發(fā)生變化的時(shí)間與狀態(tài)變化一一對應(yīng)，有利于對歷史時(shí)刻空間狀態(tài)的查詢。基于此模型，Peuquet與Duan開發(fā)了基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型 （ESTDM）［10，28］。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是：（1）在時(shí)間序列上對空間實(shí)體的變化進(jìn)行查詢較為簡便，可以直觀地描述空間實(shí)體的變化狀態(tài)信息，包含了空間實(shí)體在時(shí)間序列上的拓?fù)涮卣鳎虼耍@使得觀測空間實(shí)體的變化較為容易，并且通過一一對應(yīng)的關(guān)系能較快的進(jìn)行數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不完整性［14，22，20］。（2）由于只存儲變化量減小了存儲數(shù)據(jù)容量，降低了數(shù)據(jù)冗余度［22］。缺點(diǎn)是：（1）只存儲基態(tài)量與變化量導(dǎo)致空間無法避免實(shí)體被割裂，對實(shí)體的狀態(tài)與變化查詢比較困難，需要進(jìn)行復(fù)雜的模型計(jì)算［10］。（2）與快照模型相似，無法探究空間實(shí)體之間的關(guān)系［9］。（3）運(yùn)行效率取決于基態(tài)的設(shè)置，不適用于信息狀態(tài)變化頻率較大的動態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)，對非基態(tài)信息狀態(tài)的獲取與查詢需要進(jìn)行大量的疊加操作［22］。

2.3時(shí)空復(fù)合模型 （Time-space composite model）［23］

Chrisman于1983年首先提出了時(shí)空復(fù)合模型，隨后在1988年Langran與Chrisman對它進(jìn)行了詳細(xì)闡釋［15］。以基態(tài)修正模型為基礎(chǔ)，時(shí)空復(fù)合模型主要是采用實(shí)體分割的方式將不同時(shí)間狀態(tài)下的空間實(shí)體進(jìn)行劃分，然后人為地將劃分后的空間狀態(tài)進(jìn)行疊加形成一個(gè)復(fù)合的圖形。在進(jìn)行分割時(shí)，空間實(shí)體的每一次狀態(tài)變化都會有一部分區(qū)域從其本來的實(shí)體中割裂出來而形成新的獨(dú)立地理實(shí)體，新的實(shí)體將會保持著原實(shí)體的時(shí)間變化屬性或獲得新的變化屬性［20］。

該模型隨著序列快照模型與基態(tài)修正模型的發(fā)展而發(fā)展，它克服了快照模型的缺點(diǎn)，兼具基態(tài)修正模型與快照模型的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)冗余小，系統(tǒng)運(yùn)行速度較快，同時(shí)能夠進(jìn)行空間實(shí)體的變化。但是，該模型也存在如下缺點(diǎn)：（1）在進(jìn)行模型建構(gòu)時(shí)會遇到對象標(biāo)識更新困難的問題，需進(jìn)行遍歷搜尋與修改。（2）在模型建構(gòu)過程中需要對空間實(shí)體進(jìn)行分割，這樣會打亂實(shí)體的整體性，如果需要對地理實(shí)體進(jìn)行歷史回溯，會使操作變得非常困難［22］。（3）無法進(jìn)行屬性變化的描述，當(dāng)數(shù)據(jù)庫更新時(shí)，時(shí)空復(fù)合的基本單元之間的關(guān)系需要重建。（4）在疊加過程中將帶來多邊形碎化，對關(guān)系數(shù)據(jù)庫過分依賴等［16］。

2.4時(shí)空立方體模型 （Space-time cube）［24］

Hagerstrand于1970年提出了時(shí)空立方體模型［15］，該模型的基本思路是三維空間實(shí)體由三維空間坐標(biāo)（x、y、z）進(jìn)行表示，x與y軸代表2個(gè)空間維，z軸代表時(shí)間維，地理實(shí)體的變化可以由此三維空間坐標(biāo)進(jìn)行描述。根據(jù)需要可以觀測任意時(shí)刻下的空間實(shí)體狀態(tài)，具體操作時(shí)首先找到時(shí)間點(diǎn)并截取相應(yīng)的平面 （x軸與y軸組成），此平面即現(xiàn)實(shí)世界在該時(shí)間點(diǎn)的平面幾何狀態(tài)。通過三維空間坐標(biāo)時(shí)空數(shù)據(jù)的變化可以很好地描述出來［20］。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是：利用空間三維坐標(biāo)重構(gòu)時(shí)空實(shí)體的變化，使描述對象更加直觀，通過一個(gè)時(shí)空體來描述時(shí)間與空間屬性，對地理實(shí)體的變化能進(jìn)行簡單地描述［16］。缺點(diǎn)為：（1）操作效率易受數(shù)據(jù)量的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，模型對立方體的計(jì)算會變得越來越復(fù)雜，產(chǎn)生了較多的數(shù)據(jù)冗余，使系統(tǒng)對時(shí)空數(shù)據(jù)的處理速度變得很慢［18］。（2）在運(yùn)用模型過程中空間維度與時(shí)間維度的選擇是關(guān)鍵，在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中表達(dá)較為困難［22］；鑒于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀，時(shí)空立方體模型的應(yīng)用較為困難，目前只處于建模理論階段。

2.5面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模 （Object-oriented models）［25］

面向?qū)ο笫且环N方法學(xué)，它隨著程序設(shè)計(jì)方法學(xué)發(fā)展而逐漸成熟。隨著上文幾種模型的發(fā)展，面向?qū)ο蟮姆椒▽W(xué)逐漸被用于時(shí)空數(shù)據(jù)模型建立上，以此發(fā)展成了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模，并取得了較好的結(jié)果［17，26-27］。其核心思想是通過對象來表示所要觀測的系統(tǒng)，規(guī)范對象之間的相同性與相互作用方式，這可以簡化邏輯過程的建模并使得其易于實(shí)現(xiàn)［15］。在時(shí)空數(shù)據(jù)建模中使用面向?qū)ο蟮乃枷胗腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）便于時(shí)空數(shù)據(jù)的歷史查詢，能夠表征空間實(shí)體的連續(xù)變化過程。（2）運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒖臻g實(shí)體視為一個(gè)對象，查詢簡便快捷。（3）與其它的模型相比，它的時(shí)間數(shù)據(jù)的操作更為有效。

但是，目前面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型基本上是通過概念來對空間實(shí)體的關(guān)系進(jìn)行描述，無法進(jìn)行實(shí)體之間相互作用關(guān)系描述。而且，該時(shí)空數(shù)據(jù)模型在進(jìn)行建模過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余與信息不完整，從而破壞了空間實(shí)體的完整性［22］。由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、缺少商業(yè)化的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的后臺支持，現(xiàn)階段面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模大多停留在理論層面［19-20］。

2.6基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型 （Event-based models）［28］

Peuquet與Duan于1995年提出了基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模［28］，該時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基本思路是將地理實(shí)體的動態(tài)變化通過變化的事件序列來描述。將空間實(shí)體在某一時(shí)刻的變化稱為事件，事件主要包括了變化的屬性值與空間位置，并且運(yùn)用游程編碼的方法對位置進(jìn)行保存。由此，通過事件與時(shí)間序列我們可以觀測空間實(shí)體的歷史變化［16］。

該模型的優(yōu)點(diǎn)是：（1）游程編碼的方法對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，使空間存儲效率高，時(shí)空查詢較為方便。（2）在進(jìn)行歷史回溯時(shí)，能夠方便地定位于所要查詢的時(shí)間點(diǎn)，并能很好地描述在此時(shí)間點(diǎn)的空間實(shí)體變化。（3）與修正模型相似，基于事件的模型只會進(jìn)行變化量的存儲，使此模型的數(shù)據(jù)量較小，不會造成較大的數(shù)據(jù)冗余［20，22］。缺點(diǎn)：（1）該模型以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，無法闡述空間實(shí)體及其狀態(tài)變化，對靜態(tài)的空間拓?fù)潢P(guān)系與模型之外的地理特征也無法進(jìn)行觀測［14］。（2）對某一屬性的闡述，不能進(jìn)行多重屬性的組織。（3）有多維屬性的空間實(shí)體情況下，即屬性特征數(shù)量較多時(shí)，對應(yīng)于每個(gè)時(shí)刻的事件包括的數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，這也會使模型的數(shù)據(jù)量增大，為數(shù)據(jù)的保存與系統(tǒng)的運(yùn)行帶來較大的挑戰(zhàn)［22］。

3　總結(jié)與啟示

時(shí)空數(shù)據(jù)模型能夠體現(xiàn)時(shí)間與空間結(jié)構(gòu)的變化，對地籍管理工作具有重要的應(yīng)用價(jià)值，國內(nèi)外學(xué)者對時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了大量的研究，僅近20年來就出現(xiàn)了超過20種模型，較多的模型在實(shí)際應(yīng)用過程中對模型的選擇產(chǎn)生了一定的困擾。該文對土地地籍管理進(jìn)行了概述，重點(diǎn)回顧了6種經(jīng)典時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀，分別對它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評議，從而為研究者在使用時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)提供幫助。無論是整體型的GIS，即由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)庫，還是面向?qū)ο蟮?GIS，即由面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)庫，對于完善土地地籍管理、了解土地利用狀況均顯示了其重要性，未來寄希望于研究者們對現(xiàn)有各種模型進(jìn)一步研究，并產(chǎn)生適用的新模型。

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·問題研究·

SPATIOTEMPORAL DATA MODELS IN THE CADASTRAL MANAGEMENT

Zhou Jin
（College of Urban and Environmental Sciences，Xinyang Normal University，Xinyang，Henan 464000，China）

AbstractLand is the most fundamental and important resource and asset，and can help decide the national economic plan and strategies.It needs to put more emphasis on the land management and effectively utilization because the land is non-renewable resource.Cadastral management is the basis for land management and the precondition of property rights.The current land management is mainly property rights management which is related to the change of time，space and property，and can be reflected by the temporal GIS（TGIS）.The research focus in the TGIS field was spatiotemporal data model which not only determined the flexibility and effectiveness of TGIS system operation，but also influenced and restricted TGIS research and development in other areas.Domestic and foreign scholars had done a lot of researches about spatiotemporal data model and proposed two dozen models，but different models had different characteristics in practical applications.In this paper，six typical spatiotemporal data models were analyzed，and the advantages and disadvantages of each model were discussed.This research can provide scientific guidance in the application of Spatiotemporal data model，and a theoretical basis and reference for the expansion of new models.

Keywordsspatiotemporal data model；cadastral management；temporal GIS；cadastre；land management

中圖分類號：F301.2；P208；P273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］01-0111-05

doi：10.7621/cjarrp.1005-9121.20160118

收稿日期：2015-05-22

作者簡介：周晉 （1978—），女，河南南陽人，碩士、講師。研究方向：人文地理學(xué)。Email：zjxy1978@sina.com

*資助項(xiàng)目：河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于地籍管理的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究”（112300410302）