三維GIS在地籍管理中的應用研究

穆超，孟丹，謝菲

（湖北省國土測繪院，武漢430010）

1 引言

由于傳統的地籍管理模式以地籍制圖為目的，以二維宗地在垂直方向上的權籍的一致性為理論基礎[1]，基于二維宗地對土地表面進行連續、無縫的分割，土地的所有權以及其他權利是以宗地為單位進行注冊的[2]，僅考慮與地籍登記發證有關的事務工作，對土地在地上和地下空間的利用狀況只是進行了簡單的記載，不能充分反映土地在三維空間的利用狀況[3]。如何利用三維空間信息技術科學地管理地籍數據，已成為新時期地籍管理工作的迫切要求。

三維GIS的研究對象是三維空間，能對與三維對象相關的信息進行建模、表示、管理、操作、分析和決策。因此，將三維GIS應用于地籍管理工作中，不僅能實現傳統地籍管理中特定地籍基于空間信息意義上的幾何屬性，定義土地地塊的權屬，同時也能在三維空間對土地利用的不同層面進行權利劃分和登記，準確反映土地在不同層次空間的利用情況。本文結合三維GIS技術，探討三維地籍管理的內容和構建要素，研發出三維地籍信息管理系統，實現空間產權的明晰化管理，為三維GIS在實際土地管理中的普及與應用提供理論及技術支撐，并進行了展望。

2 三維地籍管理

將三維GIS應用在地籍管理方面，結合三維空間數據庫和三維空間信息技術，產生了三維地籍的概念，成為地籍管理的必然發展方向。

三維地籍是在地籍的概念中引入三維產權（空間產權）的含義。三維產權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利實體。三維權利實體的特征：基礎是一個封閉的三維空間，在空間上具有連續性；劃分的依據是不同權利，同時綜合考慮土地的利用類別、質量和時態等其他要素；它是三維地籍中最小的單元，相當于現在地籍中的宗地。

三維地籍中三維空間實體的相互關系主要通過三維空間模型來實現，在二維地籍的情況下，要實現三維空間屬性的登記，一般是在登記過程中進行簡單的文字描述。而三維地籍圖可以直觀、真實地描述現實世界中土地權利的分割情況。圖1a是在同一地塊的垂向上包括 V1、V2、V3、V4和 V55 個權利實體。在二維地籍中，該地塊將表示為由 V1、V2、V3、V4和 V55 個權利人共用的共用宗地。而在三維地籍中，可以將地塊在三維空間劃分為5個不同的三維權利實體，分別歸屬5個不同的權利人。圖1b包括地上的私人宗地和地下的道路用地2種用地類型，在傳統的地籍管理模式中，很難明確表示這種復雜的用地類型，而在三維地籍管理模式中，可以借助三維地籍模型，清楚地看到道路穿過了宗地的地下空間，從而非常明確地表示土地的詳細使用狀況。

圖1 三維地籍圖實例

相對比傳統的二維地籍管理模式來說，三維地籍管理的優勢主要有：在空間上對土地利用的不同層面的權利進行劃分和登記，準確反映了土地在不同層次空間利用的分布情況；三維地籍提供的有關不動產的幾何形態的計算（如體積），為不動產稅費的征收和評估提供了科學的方法；三維地籍依托三維GIS的相關技術，不僅可以實現產權體的有效查詢、分析和管理等功能，而且還可以通過虛擬現實、可視化等手段，給管理者或業主一個非常直觀的產權體的空間形象，便于管理、提高工作效率等。因此，三維地籍是土地利用空間多元化的必然結果，而且三維地籍在保障土地使用者的合法權益，制定城市規劃和社會經濟發展規劃提供依據方面比二維地籍更具有優勢。

3 三維地籍信息管理實驗研究

本次研發三維地籍管理原型系統可以做到與現有二維地籍系統的數據兼容，保證現有界址點、界址線、宗地等圖形數據與屬性數據都可以在系統中方便調用，使地籍信息系統管理更生動、更形象。

3.1 系統實施軟件平臺

系統實施軟件平臺包括：（1）三維建模平臺：Google SketchUp；（2）系統開發平臺：C#.net；（3）GIS 二次開發平臺：ArcEngine 10；（4）數據管理平臺：Access個人數據庫。

3.2 三維地籍數據模型

本次研究采用一種基于矢量結構的數據模型—ESRI公司的多面體MultiPatch數據模型。為了在功能上向3D擴展，ArcGIS在以二維矢量數據模型（點、線、面）表達對現實地理世界的抽象時，在點對象模型里提供了一個Double型的字段以保存Z方向的值，由點組成線、由線組成面。同時為了提供對三維GIS的支持，ArcGIS使用如圖2所示的3D表面數據模型（MultiPatch模型）。MultiPatch是一系列3D表面的集合。這些3D表面在幾何上主要由Triangle Strips（三角片），Triangle Fans（三角扇），和 Rings（ring-groups）（環）所代表（見圖 2）。有了三角片、三角扇和環這三種基礎構成單元后，就可以按照平面構成多面體了，多面體由多個平面構成。

圖2 M ul t i Pat ch數據模型[5]

3.3 三維地籍數據采集

本三維地籍原型系統主要包括5類數據：地面高程數據、地面紋理數據、建筑物模型及紋理數據、三維產權體數據、地籍相關屬性數據。

為了能滿足地籍應用的精度要求，地面高程數據和地籍屬性數據來自現有地籍數據庫中。

地面紋理數據來自實驗區正射影像圖。

建筑物模型是以二維地籍數據庫中的房屋矢量圖層為基礎底圖，參照建筑物真實尺寸和比例制作，建筑物高度數據是通過航空攝影測量方法實際測量得到。建筑物紋理貼圖的獲取主要有2種方法：通過紋理貼圖素材庫和實地攝影采樣；建筑物的屋頂紋理是從高分辨率的航空相片中提取。

三維產權體數據主要是三維界址點的位置數據。三維界址點數據應該來自實際測量，因為三維產權體還沒有在實際地籍管理工作中投入使用，沒有真實的數據可利用，所以在本次研究中三維界址點數據根據現有建筑物形狀模擬確定。

3.4 三維模型的構建

本次研究的三維建模平臺選用Google SketchUp軟件，通過其插件SketchUp ESRI能夠很好的與ArcGIS實現交互。將制作出來的三維模型導入到ArcGIS中使用，從而構建出逼真的三維場景。三維模型的構建主要包括幾何建模和紋理貼圖制作2步。

3.4.1 幾何建模

對地物要素的建模主要包括對點狀、線狀、面狀地物模型的構建。

在地理環境中，對于抽象成點狀要素的樹、路燈、垃圾桶等簡單地物的建模可以在SketchUp中直接拉伸繪制。

本次涉及的線狀要素主要是道路。建模時將這些線要素視為具有一定面積的立體面。首先在SketchUp中將其擴展成面的形式，才能對其進行紋理貼圖制作。對于那些位于起伏地形基礎上的道路，可以使用Sandbox（沙盤）工具中的Drape工具，將一條平面上的道路投影到起伏地形的曲面之上。

地理環境中很多地物以面狀要素形式存在，如建筑物、草坪、空曠場地等。本系統中建筑物是最重要的地物。對建筑物的建模基本就是畫線成面，擠壓成型。所用到的工具有：推拉工具和路徑跟隨工具。對于形狀較為規則的建筑物三維建模可以利用SketchUp從二維平面數據直接拉伸自動創建，而對于標志性且造型獨特的建筑物的詳細建模則需要經過3個步驟：定位建筑物地理坐標—繪制建筑物三維模型—修飾建筑物三維模型。

3.4.2 紋理貼圖

對于現有的建筑物，為使模型形象逼真，需要在模型上映射實景照片來代替模型細部，但是實景照片的分辨率不宜太高，否則影響速度。SketchUp中可以設置貼圖的具體尺寸，并通過改變貼圖坐標來調整貼圖的位置，使用吸管工具完成具有相同貼圖的面的貼圖操作，實現貼圖的無縫拼接。如果建筑物不規則，則必須用Photoshop對圖片截取，然后分別對建筑物各個面貼圖，調整貼圖坐標，使圖片與建筑物表面相吻合。

3.5 空間數據與屬性數據關聯

三維模型建好后會以Multipatch（多面體）形式導入到Geodatabase數據庫中，與建筑物或三維產權體相關的屬性信息、權屬信息也存在地理數據庫中，空間數據與屬性數據通過共同的ID字段進行關聯，以便實現空間信息和屬性信息的雙向查詢與交互。

4 系統功能介紹

4.1 基本瀏覽功能

原型系統包括導航、漫游、飛行等基本功能，可以通過鼠標測量長度和面積值。

用戶可以設置書簽，方便快速訪問場景，可以錄制飛行錄像，并且可以根據實際模型數據量大小設置軟件所用內存，把性能和資源占用調到最佳狀態。

4.2 地籍管理功能

地籍管理功能包括：

1）點擊查詢：點擊任意建筑物、宗地等可以查看相關屬性信息；

2）屬性查詢：可以根據圖層數據庫表字段構造查詢表達式對所有圖層數據進行查詢，并在地圖上進行結果定位；

3）空間查詢：利用不同圖層之間的空間位置關系進行查詢，并可定位到每個查詢到的要素，查看相關屬性信息；

4）宗地編輯：可以對宗地的相關屬性信息、權屬信息進行編輯、修改；

5）二維宗地導入：現有二維宗地數據可以批量導入本系統生成三維產權體數據，直接為本系統所使用。

5 總結與展望

借助三維技術進行地籍管理越來越成為地籍管理工作人員關注的重點。作者團隊根據三維地籍管理需要，開發了一套地籍三維原型系統，初步實現了三維地籍的查詢管理功能，其中還有很多高級功能有待于進一步實現。未來還可在以下方面作進一步的探索：

1）當建模區域面積較大時，如何使用建模軟件實現大范圍批量建模，提高工作效率；

2）如何在三維場景下制作與輸出地籍圖、宗地圖等專題地圖；

3）結合地籍管理實際需要，如何利用ArcGIS三維空間分析模塊做更多空間分析與數據統計功能，從而提高三維技術在地籍管理上的應用深度。