基于人地關系的土地管理數據模型研究

馬萬鐘，詹長根，朱小杰

基于人地關系的土地管理數據模型研究

馬萬鐘1，2，詹長根3，朱小杰4

（1.武漢大學信息管理學院，湖北 武漢 430072；2.湖北省標準化與質量研究院，湖北 武漢 430061；3.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072；4.湖北省計量測試技術研究院，湖北 武漢430223）

研究目的：以土地權籍理論下的人地關系為核心構建土地管理數據模型，為基于統一數據模型的土地管理數據共享集成提供基礎。研究方法：綜合分析現有的土地數據模型和土地行業標準規范，總結歸納土地管理中的人地關系內涵和結構，在此基礎上構建土地管理數據模型。研究結果：分析了土地管理中的人地關系語義，初步建立了基于人地關系的土地管理數據模型。研究結論：土地管理是人地關系的綜合體，基于人地關系的土地管理數據模型，能夠集成土地管理中的人地關系，并完整地表達土地管理的要素、關系和過程。

土地信息；數據模型；人地關系語義；概念建模

1 引言

近年來隨著信息技術的不斷發展，中國大力發展土地管理信息化建設工程，建立了一批面向各類土地管理業務工作的土地管理信息系統，為土地數據采集、分析和處理提供了更加高效的方式。其中，數據模型是各土地管理信息系統的核心，它不僅是對土地管理對象、要素和流程的抽象，更為數據組織、集成和交換共享提供了基礎。隨著社會對土地信息的需求日益增大和土地業務模式的增多，土地管理部門需要采集和處理大量的土地資源屬性數據、資產屬性數據和日常業務數據。與之不相適應的是，由于當前中國土地問題被簡單理解為地理學視角下的空間利用問題，同時又對于土地權籍問題狹義化認識，缺乏在土地科學視角下對于土地利用和管理的本質認知，使得現有的土地管理數據模型（Land Management Data Model， LMDM）依賴于具體的土地管理業務，最終導致不同業務之間的土地管理數據互聯互通和實現大規模數據的有效集成存在一定困難。實際上，土地科學學層面的土地系統是基于“人地權”關系視角下調整人地關系及其之上的人與人開展土地利用活動關系的權籍時空系統［1］。因此，需要建立一種有效的土地管理數據模型，使其不僅能夠從理論上反映有關人地關系的權籍時空系統及其全范疇、全聯系、共用性的土地問題或現象，并且能夠以此為基礎形成符合土地系統本質特征的數據組織范式，抽象土地管理的公共要素，明確各要素概念和類型，表達不同要素類型下的土地管理數據及它們之間的關系，為基于統一模型的數據共享集成提供基礎。

2 兩種類型的LMDM

2.1 基于產權的LMDM

歐美國家的土地管理主要基于土地及其附著物的產權定義，其數據模型主要圍繞權利人、產權信息和以點、線、面、體為表達方式的空間信息展開。當前，國際上與土地相關的數據模型主要有CCDM、LADM、STDM、LCM等。以地籍2014［2］為基礎，Christiaan LEMMEN和Peter VAN OOSTEROM等在ISO和OGC的框架之下提出了CCDM，從地理信息語義的角度出發，描述了地籍信息中的宗地、人和權利三方面內容和它們之間的關系，其核心數據類包括登記對象、權限、人［3］。在地籍2014的核心思想和CCDM的模型框架之上，ISO發布了ISO 19152 Land Administration Domain Model（LADM）標準［4］。該標準提出了土地管理域模型，其核心主要由4種數據類構成，分別是Party、RRRs、LAUnit、SpatialUnit，涵蓋了地籍管理中的核心部分：產權體、權利人和各種權利與限制，為基于產權和地籍的土地管理系統提供一種統一的數據組織和表達標準。但不足的是，以地籍和產權為理論基礎的LADM模型對于處理以土地自然資源屬性和土地利用為核心的土地管理方式具有一定的局限性。換句話說，它能夠很好地表達土地歸誰所有，但欠缺對土地質量、價值和土地利用方式和行為的完整表達。Christiaan LEMMEN等以LADM為基礎提出了STDM。該模型認為土地管理的基礎并不僅僅局限于Parcel 和RRRs，而是基于整個社會對土地的所有制方式，這些所有制形式可以是正式的或者非正式的、習慣的等［5］。STDM在一定程度上發展了土地管理的數據模型，但仍未跳出以產權為基礎的模型框架。Valentina Sagris和Wim Devos在2009年提出了LCM作為識別不同類型土地利用影像數據的方法，為基于遙感影像的土地利用類型識別提供了概念基礎，并且對農用地、農戶和農業管理三者之間的關系做出了描述［6］。該模型主要包含以下幾個類：參考地塊、農戶、農業援助、權利和限制，其中，參考地塊主要有agricultural parcel、farmer block、physical block、topological block和cadastre parcel 4種類型。此外，為了解決以產權為基礎的土地管理系統與以農用土地利用為基礎的農業管理系統之間的互操作和標準化等問題，Halil Ibrahim Inan和Valentina Sagris等提出了一種數據模型來聯結土地管理和農業管理的數據，使兩個數據模型不僅在空間上取得了一致性，同時也在權限和主體上進行了有效的統一［7］。

2.2 基于空間和屬性的LMDM

與國外的土地管理相比，中國采取的多是資源利用和產權保護并重的土地管理模式，因此，中國土地信息系統服務于資源管理和資產管理兩大方面［8-9］。目前，中國土地管理信息系統通常采用的數據模型一般包括三個核心數據類，即基礎地理要素、管理業務要素和專題屬性要素。其中，基礎地理要素和管理業務要素是空間相關數據，它們以基本幾何要素（點、弧段和多邊形）為單元進行分層組織和存儲，每一圖層中的幾何圖形都與所記錄的土地要素相對應的屬性表關聯。專題屬性數據是非空間相關要素，這些與土地管理業務相關的屬性數據主要以表格的形式記錄在數據庫中。以基本農田管理系統的數據模型為例［10］，它的核心主要包括4種數據類：基礎地理信息要素類、土地利用要素類、基本農田要素類和基本農田表格要素類（圖1）。其中，前三者屬于空間相關要素，采用分層的方法進行組織管理；表格要素類屬于非空間相關要素，采用二維關系表的方式進行組織管理。

圖1 基本農田數據模型核心類Fig.1 Core classes of prime-cultivated land data model

然而在實際應用過程中，由于缺乏對中國土地系統核心理論的科學共識，不同業務中土地管理要素的概念語義及其表達不一致，以此建立的各業務系統中的核心概念關系及數據模型也難以統一，最終導致各系統之間難以建立有效的聯系。具體表現在：一方面，現有數據模型以“基礎地理要素+管理業務要素+專題屬性要素”模式建立，容易造成概念語義上的不一致。由于各土地管理業務部門都以業務為基礎來理解和定義土地管理的主體和對象，沒有嚴格統一的語義描述標準，因而產生了不同業務系統的數據模型對同一對象數據在描述和表達方面存在語義上的差別，進而造成了同一種土地管理對象在不同的數據模型中具有不同的屬性結構。例如，在土地利用總體規劃數據模型［11］中，基本農田保護要素僅包括面積、權屬性質、土地質量、保護期限、責任人、四至和單產等屬性；而在基本農田管理數據模型中，該要素則包含了更加廣泛和詳細的屬性信息。這種語義異構問題極易造成數據模型在對象及關系表示上的差異。另一方面，現有數據模型主要以空間信息和非空間信息的區分來對數據進行統一組織和管理，忽略了土地管理作為人地關系的綜合體，其中人地關系三者的內涵和的組織形式，而僅靠“空間+屬性”的范式來進行數據組織，使數據之間的關系不夠明確，土地管理中的主體、客體和對象三者之間的關系在數據中顯得雜亂無章，難以突出土地管理的本質特征和共有屬性，容易給大規模的數據集成造成困難。因此，亟需通過抽象土地管理中具有普遍意義的對象及其關聯模式，明確它們的概念和關系語義，并以此建立一種新的數據模型，為基于統一模型的數據共享集成提供基礎。

3 基于人地關系的土地管理數據建模

3.1 人地關系概念模型及其語義分析

人地關系是人類與地理環境的相互作用關系，它是地球表層系統中最值得重視的主要關系［12-13］。人類社會通過生產有意識地改變著自己生存的物質條件，從而改變著周圍的外在自然界。在此過程中，為自己和新的自然環境之間帶來了新的關系，因此動態的人地關系可以理解為一種具有社會和歷史特性的辯證關系［14-16］。

從科學學層面來看，土地系統的本質是基于土地權籍理論視角下的有關“人與地”及其之上的人與人開展土地利用活動關系的一個“人地關系權籍時空系統”［17］，因此，對土地管理一切過程的研究也應貫穿并應用“人地關系”三位一體的系統理論視角，才能正確地表達土地管理的共性特征，解決土地管理信息化中的一致性問題。其中，人是土地管理的主體，是制定和實施土地權籍制度，開展土地利用和管理行為的自然個體或法人組織；地是土地管理的空間對象也是土地管理的對象；關系是土地管理活動或者因土地制度而產生的主體與對象之間的關聯。主體與對象不發生直接聯系，而是通過關系作用于客體之上，同時，關系從一定程度上決定了主體和對象的定義方式和類型（圖2）。人地關系理論回答了土地管理過程中參與土地行為的主體是誰、參與土地行為的客體是什么、土地行為發生的原因和具體的土地行為過程等系列問題，是系統、全面地研究、解釋和解決土地管理數據建模最核心、最基礎問題的方法［17］。

圖2 土地管理中的人地關系概念模型Fig.2 The conceptual model of the human-land relationship in land management

（1）土地主體。土地主體是土地關系的實施者，土地主體可以對相應的土地進行占有、管理或采取某種措施使自己獲得收益。土地主體與土地關系存在著相互作用的關系，土地主體是產生土地關系的原因，相反，土地關系規定土地主體的行為。從土地關系對土地主體行為規定的角度，可以將土地主體分為權利人、行為人和管理人三種類型。權利人是對土地擁有一種或多種權利的主體；行為人是為了達到某種目的對土地實施一系列行為以期獲得一定效益的主體。不同于權利人，行為人不直接擁有土地權利，而是以向權利人提供服務的形式實施土地行為的中介人、業務人或組織。行為人實質上是一種代理人，以契約、授權書為約定，在約定的范圍內，代替權利人或管理人行使權利。通常以合同的方式從權利人或者管理人那里取得進入或實施某種行為的授權，是土地市場化的另一種表現。管理人是對土地及其相關的一切事務和權利人、行為人進行安排、監督的法律組織，其主要職責是對與土地相關的利益體進行法律規范。由于權利義務的雙向法律關系［18］，管理人在具體實施管理活動時，應對利益雙方進行確認，允許一方可以做什么，同時限制另一方不能做什么。

（2）土地關系。土地關系是人與地及其上的人與人開展土地利用活動產生的直接或間接的聯系，是以人類可以設置并行使的土地權籍為核心的土地制度，以及以土地可持續利用為核心的土地方法的集合，主要包括利用關系、管理關系和權利關系等。從土地管理實際應用層面來說，土地關系具體表現為聯系土地管理主體與客體的行為、權利、責任和限制的總稱。行為是土地對象所承載的一系列活動或法律事實，包括現實行為、能力行為、必要行為和禁止行為；權利是指對占有土地、允許或禁止從事某種土地行為的正式或非正式的授權，它可以是一種行為權利，也可以是一種物權；責任是指土地關系中必要的義務關系，而限制是指土地關系中禁止從事某種活動的規范和要求。

（3）土地對象。土地對象是土地上行為客體的抽象概念，它是一定空間范圍內的土地主體和土地關系的承載者。從土地科學視角來看，土地對象首先是一般的土地概念，具有土地的一般自然特性和功能，其次，它是關于土地利用和處置“權”的土地，最后它是關于如何“獲取”土地和確定“權”給“人”的土地，從而規定了人與人開展土地利用活動的關系［17］。從數據結構上來說，土地管理活動中的土地對象由土地單元組成，土地對象在數據模型中定義為一個類，而土地單元則定義為一個實例，對象可以是一個單元也可以是多個單元的集成。在土地主體和土地關系的作用下，土地對象不只是一個空間上的幾何體，它不僅具有本身內在的自然屬性，也承載了主體對土地利用和占有所表現出來的資源和資產屬性，并且還具有主體對土地的管理活動。因此，土地對象的語義應包含它的自然狀態、利用行為、權限責任、關系人、空間范圍和管理活動等幾個方面（圖3）。

圖3 土地對象語義Fig.3 Semantic meanings of land object

3.2 土地管理數據建模

在上述土地科學視角下，以土地管理中的人地關系概念模型和語義分析為基礎，通過對其要素語義進行統一明確的表達，來抽取不同業務中共有的數據對象和關系，并構建土地管理數據模型。首先對土地管理全業務流程和業務內容進行綜合分析，包括主體、權利、限制、責任、利用行為和過程；然后，通過整理和歸納中國土地管理領域內的法律規范、國家和行業標準等文件，并整合領域內的專家知識和各土地管理業務系統的數據庫，將土地管理中的人地關系概念抽象出來；最后，在明確各概念關系的語義基礎上，構建一種土地管理數據模型（圖4）。

該模型參考ISO 19152 Land Administration Domain Model（LADM），結合中國土地系統中的人地關系語義，構建適合中國土地管理的數據概念模型，通過明確的人、地、業務和關系的語義，建立各要素數據之間的聯系，其核心主要包含以下4個類：

（1）LM_Party：可辨識的單個土地行為或權責主體，包括自然人、法人或行政組織，其子類為LM_ GroupParty。

（2）LM_Relation：土地權籍制度下的行為、權利、責任和限制。包含LA_Activity，LA_Right，LA_ Responsibility和LA_Restriction 4個子類。

（3）LM_MAunit：業務活動對象的抽象類，其子類包含了不同土地管理業務中的對象。

（4）LM_SPobject：土地管理空間對象，其實例概念由不同的狀態概念、行為概念、對象概念或實例概念相互組合來進行表達。它與點、線、面數據類相連來對土地管理對象進行空間表達。

圖4 基于人地關系的LMDM核心類Fig.4 Core classes of land management data model based on the human-land relationship

在這個數據模型中，本文建立了土地管理業務對象類LM_MAunit，它是介于土地管理關系和土地管理空間對象之間的概念，并用來連接LM_Relation和LM_SPobject。由于土地管理具有復雜的業務體系，每個業務有自己相對獨立的內容和操作流程，不同業務之間的語義差別較大，將土地管理的業務對象單獨抽出來，將有利于不同數據之間的集成和共享。土地管理的空間數據、關系數據、業務數據通過LM_MAunit進行集成，一個對象概念在疊加了土地管理人和土地管理關系信息后，與土地管理業務對象相匹配，然后經由它與土地管理空間對象集成，這樣形成一種對不同數據和系統的共享的描述。該數據模型的結構提供了一種統一的土地管理整體框架，以人地關系為架構使其能夠支持不同業務系統之間的對土地管理要素數據的一致性表達。同時，不同業務系統之間可以基于該模型標準化的術語和統一的概念語義表達機制，在更大的范圍內實現信息共享和互操作。針對土地管理的對象概念和關系，各個類的數據屬性結構如表1—表4所示。

4 分析與討論

4.1 模型比較分析

基于土地權籍理論的人地關系模型為土地管理數據建模提供了一種新的范式，這種范式不隨著業務的改變而改變，而是將土地管理中各相關要素及其關系進行整體考慮，抽取其中的本質特征和各業務共有的對象及關系屬性，來形成統一的數據模型。

與原有的數據模型相比，本文所構建的數據模型不依賴于具體的土地管理業務，不同的業務相關的要素和數據都可以在新的數據模型中找到自己所對應的類，即不同對象都可以相應地歸屬到人地關系這一整體架構中，所有土地管理相關的數據將按照人地關系架構的4個數據類進行分類和關聯，并使用統一的描述方法對其進行表達，使不同業務中的數據達成語義層次上的概念一致和關系明確。以基本農田數據為例，原本在不同系統中定義不一致的基本農田數據，在新模型中統一為地塊數據類，地塊數據類僅描述原數據作為一個空間對象的面積、四至等空間屬性，而與地塊數據類相關聯的業務數據類則包含與該空間對象相對應的基本農田保護、土地調查、用途管制等不同業務類型及其方法；同時，以業務數據類為基礎，該空間對象間接與其業務相對應的管理主體，利用行為和權責義務等數據相關聯。由此，相較于原有的數據模型，數據的概念及其之間的關系更加明確，更容易形成統一的數據模型來實現不同業務在語義上的集成。

此外，在土地管理信息化實踐中，原有數據模型采用的數據集成方式為：通過建立系統互操作的服務接口，以網絡數據發布的形式來完成不同系統和數據之間的集成與互操作。本文提出的數據模型將通過統一的人地關系范式，對各部門各類土地管理數據進行統一建模管理，數據組織方式和數據內容具有較高的集中性和綜合性，數據集成與互操作在統一標準化的數據模型框架下完成（圖5）。

表1 土地管理主體屬性表（部分）Tab.1 The attributes of land management subject

表2 土地管理關系屬性表（部分）Tab.2 The attributes of land management relationships

表3 土地管理業務屬性表（部分）Tab.3 The attributes of land management business

表4 土地管理對象屬性表（部分）Tab.4 The attributes of land management object

由于以服務式集成的各類土地管理信息系統是各個地方及部門按照自身的需求來建立的，在功能上能夠較好地與自身條件相匹配，因而在其功能上具有較強的針對性，能夠服務于特定地域的特定需求。而在其他方面，與服務式集成相比，本文提出的數據模型所具備的主要優勢包括：（1）良好的擴展性。由于數據模型是建立在通用性原則之上的，系統的軟件或功能等能夠建立在這種通用性上從而得到良好的擴展性。（2）良好的維護性。當土地管理政策發生變化或管理技術手段得到發展時，統一的數據模型將具有更加優秀的適應能力，而不需要對其框架下的土地管理信息系統進行逐一修改。（3）降低了復雜性。不需要像服務式集成模式一樣建立多種子系統及相應的服務接口，大大降低了土地管理系統建設的復雜性。

4.2 模型應用實例

為驗證數據模型的可用性和有效性，以湖北省恩施地區第二次土地調查數據為基礎，應用所提出的土地管理數據模型，建立了土地管理信息實驗系統原型來驗證該標準化數據模型設計的合理性和可行性。在對原始數據進行預處理之后，按照本文提出的標準化概念、關系及數據模型進行修改，重新定義了原始數據庫中的數據類及數據屬性結構，以實現系統的優化。圖6—圖8分別展示了土地管理信息實驗系統中對地塊的權利信息、地塊利用信息以及地塊綜合信息的表示。

圖5 統一土地管理數據模型框架下的數據集成Fig.5 Data integration of the human-land relation based on LMDM

圖6 地塊利用信息Fig.6 Land use information of a land plot

5 結論

土地管理數據模型以抽象的形式描述和反映土地資源資產屬性、土地管理對象和土地管理方法。當前，主要有基于產權與基于空間和屬性的兩種土地管理數據模型，其中，前者忽略了對土地自然資源屬性和土地利用的描述，而后者忽略了土地管理中人地關系三者的內涵和它們之間的關系認知，難以建立對不同業務中土地管理對象的統一的組織和表達方法。因此，本文研究分析了土地權籍理論視角下，土地管理過程中的人地關系，即土地主體、土地關系和土地對象的內涵和它們之間的語義關系，以此為基礎，初步構建了一種新的土地管理數據模型。該模型包含LM_Party，LM_Relation，LM_MAunit和LM_SPobject 4個核心類，其中，LM_MAunit被用來集成和表達與土地管理主體、土地管理關系和土地管理空間對象相聯系的業務應用對象。該模型的數據分類、組織和表達方式圍繞土地資源資產的二重性和土地系統中三位一體的人地關系展開，而不依賴于具體業務，為不同業務系統中的土地管理相關數據提供了統一的組織和表達基礎。在今后的研究中，應基于知識工程的理論和方法對土地權籍視角下的人地關系語義進一步明確，構造其形式化表達方法，并以此為基礎，深化完善基于人地關系的土地管理數據模型，使之能夠為土地數據集成、交換與共享提供基礎。

圖7 地塊權利信息Fig.7 Land rights information of a land plot

圖8 地塊綜合信息Fig.8 Integrated information of a land plot

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（本文責編：仲濟香）

Research on Land Management Data Model based on the Human-Land Relationship

MA Wan-zhong1，2， ZHAN Chang-gen3， ZHU Xiao-jie4
（1.School of Information Management， Wuhan University， Wuhan 430072， China； 2.Hubei Standardization and Quality Institution， Wuhan 430061， China； 3.School of Resource and Environmental Science， Wuhan University， Wuhan 430072，China； 4 Hubei Institute of Measurement and Testing Technology， Wuhan 430223， China）

The purpose of this paper is developing a data model for land management in China based on the humanland relationship， in order to support the integration of land management data via unified data model.Method employed here is analyzing the existing land data model as well as legal regulations and standards in land management， exploring the semantic meanings and the structure of the human-land relationship in land management， and building data model of land management.The results indicate that land management is the complexity of the human-land relationship.The proposed data model can provide feasible solutions to the ambiguity of terms， datum and management processes， and can offer a more holistic and comprehensive data framework for land management in China.

land information； data model； human-land relationship semantics； concept modelling

F301.2

A

1001-8158（2016）06-0003-11

10.11994/zgtdkx.20160706.132130

2016-03-21；

2016-06-09

馬萬鐘（1986-），男，湖南長沙人，工程師，博士。主要研究方向為土地信息技術與標準化。E-mail： kyo2ln@hotmail.com