土地立體化管理中的空間單元形式探討

李程鵬

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060；2.廣東省城市感知與監測預警企業重點實驗室，廣東廣州 510060）

城市空間的各種建筑形式不一，明確空間單元形式成為土地立體化管理過程首要解決的問題。本研究首先闡述土地立體化管理技術的國內外發展狀況，然后給出可能的管理單元空間形態，并且提出采用法律語義融合的方式來描述管理空間單元。

1 三維地籍發展過程

1.1 前沿狀況

為了解決土地立體利用與管理相關的政策、法律、技術等方面的問題，國際測量師聯合會于2001年開始定期組織三維地籍工作組會議，通過調查世界各國的土地管理狀況、所遇問題，探究具有兼容性的土地立體化管理方案。我國深圳市于2012年開始探索構建三維地籍系統，并在前海等地區推進土地立體化管理方案[1]。

1.2 土地立體化管理成因與難題

三維地籍首先應用的區域是城市區域，在城市中，各種奇異的建筑形態依據不同的地形地勢建造，清晰明確地界定人工建（構）筑物之間的權屬關系是政府管理上遇到的難題[2]。傳統的二維圖形只能采用投影面的方式反映權屬關系，并進行土地權益記錄（權利、限制和責任），這導致用于登記法律地位的地塊邊界通常固定在二維空間中，很難反映房、地等空間對象在法律語義下的垂直維度。在土地集約利用的城市區域，地上、地表和地下的空間開發日漸增多，為這種復雜的三維空間進行定義和管理，實現其法律地位（如注冊登記）成為三維地籍首先面臨并需要解決的問題[3]。

以重慶市為例，地形復雜的洪崖洞建筑依山而建，對其構造空間單元必然不能采用投影平面；同樣，軌道交通的空間范圍和住宅范圍相互穿插，因此，也必須采用三維空間單元管理模式。

2 土地立體化管理過程中的空間單元形式

2.1 考量依據與過程

土地立體化管理中，空間單元的類型確定能夠為三維地籍系統的開發提供指導。在實際的地籍數據庫開發中，需要考慮庫中可容納及應容納的三維空間單元，針對不同類型的空間單元采用不同級別的編碼形式，現有的編碼形式有多種，如“基于文本的”“基于點的”“基于線的”“基于多邊形的”和“基于拓撲”的單元編碼等[4]。實際中的三維空間單元形式多樣，往往無法僅依靠一種編碼形式實現，建立空間單元的類型庫，可以有效支持空間單元的編碼，從而方便在數據庫中存儲。ISO-19152國際標準中，以概念形式提供了地籍庫中可記錄的空間單元分類框架，該框架理論支持正式的、非正式的、歷史的、當前的、計劃的等形式的空間單元編碼。

2.2 物理實體空間單元

利用三維地籍系統進行土地立體化管理時，由于三維GIS系統為底層依托，因此其對空間單元形式的構造多數依賴于圖形結構和拓撲，最為常見的即三維的封閉體，是一種具有語義特征的可計算的三維實體對象，也稱水密體，這些體必須經過有效性驗證以符合入庫規范，它們是三維地籍系統實施的基礎[5]。本文針對實踐過程中物理實體對象的形態，從數據庫內圖形編碼的角度出發，依據現實中地籍登記的情況來對空間單元進行形式分類和界定，這樣界定的體系是基于當下的各類地籍系統中空間單元形式的一個匯集和總結。

空間單元的基本類型判斷從編碼級別、真實案例類型、幾何描述方式三個方面進行考慮，從而形成7種基本形式：2D圖形表達的三維棱柱空間單元、建筑格式的空間單元、半開放空間單元、多邊形切片空間單元、單值步進空間單元、多值步進空間單元、常規三維空間單元。

2.3 管理空間單元

物質實體不可相交，位置不能重疊，是土地立體化管理中的被管理者，而相應地，為了實現管理職能，則要劃定管理空間單元來實現實體管理。我國的管理空間單元以層級方式組織，上層單元以一定的依據細分形成下層單元，如省（自治區、直轄市）、縣（自治縣、市）、鄉（民族鄉、鎮）等，管理空間單元的邊界劃定具有歷史、人文和地域等因素影響，往往缺乏一致性和統一的標準。

本文界定的管理空間單元具有如下特點：（1）本質是公權力空間化的表現；（2）從層級上實現了公權力的粗放式配給；（3）層級式細分管理空間單元過程具有多重規則。

3 物理實體對象與管理空間對象

3.1 對象構造依據

從城市土地管理的角度上來說，國家使用法律工具實現自然資源實體及空間的保護、開發與利用，實現全民所有資源的權益。各類物理實體因其可見、可測而容易被描述和在信息系統中重現，從而形成物理實體對象。支撐管理這些實體對象背后的不可見法律內容包含國家公權力和百姓私權利的雙重體現，明確這些內容在地理空間中的形式和關系是“管理”一詞所具有的重要意義[6]。

因而，為了實現空間單元到信息系統中的映射，采用對象化技術實現。對象化概念源于計算機程序設計，一方面表示客觀世界命名空間中的某個具體事物，另一方面也表示信息系統中解空間的基本元素。因此，本文需要依據上述的界定方式來構造物理實體對象和管理空間對象。

3.2 管理空間對象界定與含義

物理實體對象是對物的逼近表達，這里不做贅述。本文引入了管理空間對象來實現物理實體對象相關的法律空間內容表達。這里在有限范圍內給出的管理空間對象界定如下：（1）管理空間對象是對一個可界定空間賦予法律/管理方面語義后的對象；（2）管理空間對象必然依托地理空間或者物理實體對象而存在，是法律語義的空間具化，地理坐標是該對象的“基因”；（3）管理空間對象依需求設定，不同的管理空間對象之間可以產生重疊；（4）管理空間對象所表達的是可以進行空間化的法律內容（如地役權），但不是所有法律內容都可以實現空間化表達；（5）管理空間對象可以作為公權力對象（如面向空間規劃權）和私權利對象（如面向林木所有權），或者權利束對象；（6）管理空間對象的幾何形態可以用數學方法歸納，使其能在信息系統中刻畫，封閉體是其中的形式之一（如三維產權體）；（7）空間邊界刻畫是管理空間對象實現管理意義的重要憑據。

3.3 對象間的關系

本文描述了三個概念，分別是管理空間單元、物理實體對象和管理空間對象，這里對其進行形象化說明，以表明其間關系和特征。如圖1所示，設定范圍為一個管理空間單元。

圖1 三維空間單元中的對象

圖1（a）中的物理實體對象有地表的建筑、道路、林木、河流、耕種地等，地下有土石層、礦質層、地下水層等，這些都是物質實體，在一個空間單元中存在；圖（b）所示為對應的管理空間對象（示意性），如林木所有權對象（淺色）用于標識該片空間域的林木所有權權屬。

概念界定關系以及重要特征描述：

（1）管理空間單元是對地理空間的完全劃分（即空間連續），物理實體對象和管理空間對象可以離散或連續。物理實體對象是管理空間單元中實體在計算機中的數字刻畫，管理空間對象是管理空間單元中對應于實體或空間在計算機中的法律內容刻畫。

（2）對一個空間管理單元進行全部空間化的“權力+權利”束集成可以形成一個該單元內最上層級的管理空間對象，如全民所有的土地所有權（城市土地所有權）。

（3）物理實體對象在管理空間單元中具有空間排他性，管理空間對象沒有。其原理在于，絕對的地理空間中物理實體不可能產生交疊，而管理背后的法律內容交疊可以存在，如城市建設用地上的多個地役權設定。

（4）物理實體對象與管理空間對象具有一致性。這種一致性體現在對象的共同“基因”都是地理坐標，且管理空間對象不憑空存在，而是依托于物理實體對象存在。同時，這個物理實體對象具有時態性（即該物理實體對象可以是過去存在現在滅失的、現在存在的、未來規劃的）。

（5）物理實體對象與管理空間對象的建模目標差異導致的構模方法差別。物理實體對象構模目的為現實實體的數字化逼近，通常采用大體量三角面片建模，對象的獨立表達是其難點；管理空間對象的構建依托于法律體系支持的高精度界址建模，建模的特點為規則化的數學形式，可校驗的“數學法則+語義法則（知識圖譜）”保證“權”的可靠。

4 三維對象的建模技術

本文針對上述的空間對象采用三維地籍技術進行建模，將空間對象的統一幾何表示為三個層，即對象層、拓撲層和幾何層，三層結構建模實現從基本幾何單元到自然資源的真實描述，如圖2所示。三維地籍中的對象可以分為三維矢量對象表達和體對象表達。三維矢量對象的構造過程依據低維對象組合形成高維對象，如兩個點連接形成線對象，同時，各個維度對象自身也可以作為幾何代表，因此形成了點、線、面、體的四種對象級別。體對象表達采用的是體柵格化思想，即通過構造不可分割的基礎體單元，以基礎體單元的組合來形成三維對象，包括非規則基元的構造實體幾何方式和規則體元組合方式，常見的規則體元有正四面體、六面體、八面體、十二面體、二十面體以及正棱柱等。

圖2 三層結構建模基本幾何單元到自然資源

幾何層方面，以點（Point）為基礎，構造弧段（Arc）和多邊形（Polygon），而三角網（TIN 或TEN）則可以直接形成體積（Volume）。幾何要素是形體的數學表達，表示對象的“形”，而無對象的“意”拓撲層方面，采用結點（Node）、邊（Edge）、表面（Face）和體（Body）四要素。這四要素并不直接表達實體或對象，而是用于表達對象間的關系，如要素間的相鄰、相交、相離等關系。

對象層方面，所有的空間對象在該層則形成了具體的語義，可直接對應為前文所述的管理空間對象和物理實體對象，如宗地對象、房屋對象等。

5 結語

本文對土地立體化管理過程中的空間單元進行了明確的分類和界定，由管理空間單元組織物理實體對象和細化的管理空間對象，這些對象采用三維地籍技術中的層次建模結構來實現，這樣的組織能夠讓現實中的土地立體化管理結構映射到計算機中去，從而便于采用三維地籍系統實施，實現土地立體化管理。